基于ABAQUS的電機(jī)轉(zhuǎn)子有限元分析

蔣臘芳

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031）

1 引言

DD變頻直驅(qū)電機(jī)，主要是指電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而不需要經(jīng)過傳動(dòng)裝置（如傳動(dòng)皮帶等），其全稱是直流變頻直接驅(qū)動(dòng)式電機(jī)。近年來，各大洗衣機(jī)廠商廣泛使用DD變頻直驅(qū)電機(jī)。使用DD變頻直驅(qū)電機(jī)，可以徹底避免使用系統(tǒng)中故障率較高的傳動(dòng)皮帶等傳動(dòng)設(shè)備，因此使用DD變頻直驅(qū)電機(jī)的系統(tǒng)具有更低的故障率。隨著洗衣機(jī)新能效標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，洗衣機(jī)的能效等級(jí)、能效、動(dòng)力、洗滌效果、噪聲等重要指標(biāo)都有了更高的要求，而作為洗衣機(jī)的核心部件，DD變頻直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到洗衣機(jī)的能效、動(dòng)力、洗滌效果、噪聲等重要指標(biāo)。這就需要有種更快更好的方式來設(shè)計(jì)開發(fā)洗衣機(jī)中的核心部件——DD變頻直驅(qū)電機(jī)。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 洗衣機(jī)變頻直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)企業(yè)對(duì)于洗衣機(jī)中核心部件DD變頻直驅(qū)電機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)，大多是通過不斷地采用“設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—校正”的方式進(jìn)行。而這種方式需要進(jìn)行大量試驗(yàn)并反復(fù)校正，因此需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期過長，更為不足的是設(shè)計(jì)結(jié)果具有極大的不確定性[1]。

2.2 應(yīng)用ABAQUS分析洗衣機(jī)相關(guān)部件研究現(xiàn)狀

基于ABAQUS分析洗衣機(jī)相關(guān)部件設(shè)計(jì)的研究，在國內(nèi)有一些企業(yè)和高校做過分析案例。例如，合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司的吳增元和王紅強(qiáng)發(fā)表過基于ABAQUS的洗衣機(jī)門鉸鏈有限元分析的論文，其中利用ABAQUS軟件對(duì)滾筒洗衣機(jī)門鉸鏈在多次往復(fù)開門時(shí)所受撞擊力的工況進(jìn)行模擬，計(jì)算分析門鉸鏈部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足許用應(yīng)力，并通過軟件分析優(yōu)化鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇的方案，防止由于門鉸鏈強(qiáng)度不夠?qū)е略谙匆聶C(jī)使用過程中出現(xiàn)開裂[2]。在江蘇科技大學(xué)雷義春的碩士論文《隧道式洗衣機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及拓?fù)鋬?yōu)化分析》中，利用阿基米德螺旋傳動(dòng)原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了隧道式洗衣機(jī)內(nèi)滾筒結(jié)構(gòu)，并通過ABAQUS分析說明了導(dǎo)致洗衣機(jī)內(nèi)滾筒在洗滌時(shí)有輕微振動(dòng)是由于結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的波動(dòng)[3]。青島海爾集團(tuán)的劉永輝和張銀也發(fā)表過基于有限元分析的洗衣機(jī)跌落沖擊仿真及改進(jìn)設(shè)計(jì)的論文，通過建立有限元模型，計(jì)算分析帶包裝的洗衣機(jī)整機(jī)產(chǎn)品在規(guī)定的高度跌落時(shí)所產(chǎn)生的變形大小及應(yīng)力大小，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷做出預(yù)測，繼而針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)其進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)和再次分析驗(yàn)證[4]。但以上這些分析均是針對(duì)洗衣機(jī)整機(jī)或洗衣機(jī)非電機(jī)部件進(jìn)行的研究。

2.3 應(yīng)用ABAQUS分析相關(guān)行業(yè)電機(jī)研究現(xiàn)狀

基于ABAQUS的的電機(jī)分析案例，國內(nèi)也曾有相關(guān)人員開展過研究。例如，煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司的洪玉玲發(fā)表過基于ABAQUS的礦用電機(jī)振動(dòng)有限元分析的論文，文章首先對(duì)某礦用電機(jī)進(jìn)行建模，并利用ABAQUS軟件進(jìn)行振動(dòng)分析，得出了電機(jī)在自由狀態(tài)和有約束兩種不同工況下的振型[5]。天津大學(xué)任鳴在碩士論文《基于ABAQUS仿真的電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性分析及振動(dòng)故障診斷》中，利用ABAQUS分析研究變頻電動(dòng)機(jī)在某一頻率運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承在軸承的XY方向上振動(dòng)位移是否超過電機(jī)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使電機(jī)的低階共振頻率提高到工作激振頻率以上，從而保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。以上這些分析研究均是針對(duì)其它行業(yè)上不同電機(jī)類型進(jìn)行的分析研究。

2.4 本研究的現(xiàn)實(shí)意義

結(jié)合洗衣機(jī)行業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)需求以及目前鮮有相關(guān)的案例分析現(xiàn)狀，本文嘗試應(yīng)用ABAQUS軟件，模擬DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子在承受不同的轉(zhuǎn)速和扭矩的工作狀態(tài)下，通過仿真計(jì)算，得到轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布情況，分析其所承受的最大應(yīng)力是否小于其許用強(qiáng)度，從而判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度是否滿足安全使用要求。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段，可以通過此模擬分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否合理或優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以防止由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致電機(jī)在使用過程中存在安全隱患，進(jìn)而提高電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性，也可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

3 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS功能十分強(qiáng)大，既可以處理相對(duì)簡單的線性分析，也可以分析較為復(fù)雜的非線性問題，是一套用來模擬工程的有限元軟件。應(yīng)用ABAQUS軟件分析主要是利用數(shù)學(xué)近似的思想模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)，包括對(duì)物理系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和載荷工況進(jìn)行模擬，繼而對(duì)其分析。

ABAQUS包含可以模擬任意實(shí)際形狀的、豐富的單元庫，也包含與單元庫相對(duì)應(yīng)的各種類型的材料模型庫。因此ABAQUS可以用來模擬很多典型工程材料的性能，如：金屬、高分子材料、鋼筋混凝土、高彈性的泡沫材料以及多種地質(zhì)材料等[7]。ABAQUS不僅功能廣泛，使用起來也相對(duì)簡單。很多復(fù)雜問題都可以通過從單元庫和對(duì)應(yīng)的模型庫中選取不同的選項(xiàng)塊進(jìn)行組合，從而較容易地實(shí)現(xiàn)模擬。例如ABAQUS在模擬高度非線性問題時(shí)，只需提供幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況等基本工程數(shù)據(jù)，ABAQUS就可以分別抽取定義每一構(gòu)件的單元庫中的選項(xiàng)塊和相應(yīng)材料性質(zhì)的選項(xiàng)塊，并將其進(jìn)行組合，即可進(jìn)行模擬分析。在非線性分析中，ABAQUS不僅可以選擇合適參數(shù)，也可以連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)，這樣就能確保在分析過程中有效地得到精確解[8]。因此，用戶也就可以通過準(zhǔn)確地定義參數(shù)進(jìn)而很好地控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

本文應(yīng)用ABAQUS軟件中ABAQUS/Standard的隱式求解算法，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子在三種不同工作狀態(tài)下進(jìn)行有限元分析和計(jì)算。

4 基于ABAQUS分析洗衣機(jī)DD變頻直驅(qū)電機(jī)的方法

洗衣機(jī)的DD變頻直驅(qū)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、定子、霍爾元件以及線束組成。應(yīng)用ABAQUS分析DD變頻直驅(qū)電機(jī)，主要是分析電機(jī)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子又分別由轉(zhuǎn)子安裝板A、轉(zhuǎn)子安裝板B和轉(zhuǎn)子磁鋼組成，最后用BMC材料將以上部件塑封成一整體，其爆炸圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子爆炸圖

材料BMC是一種熱固性塑料，該種材料是由各種惰性填料、纖維增強(qiáng)材料、催化劑、穩(wěn)定劑和顏料混合而成。DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子是由BMC材料塑封成一整體?，F(xiàn)應(yīng)用ABAQUS有限元軟件分析計(jì)算DD變頻直驅(qū)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況下，其強(qiáng)度是否能滿足安全使用的要求。

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子有限元模型的建立

建立有限元模型是進(jìn)行后期計(jì)算分析的基礎(chǔ)，它主要是創(chuàng)建分析的計(jì)算模型，進(jìn)而為運(yùn)算提供必須的輸入數(shù)據(jù)，因此，它是保證分析運(yùn)算結(jié)果精確以及縮短運(yùn)算分析周期的至關(guān)重要的階段。建立有限元模型主要包括網(wǎng)格劃分以及與網(wǎng)格劃分相關(guān)的工作，如特性定義、處理結(jié)構(gòu)形式、編排順序、負(fù)載施加等。有限元模型的結(jié)構(gòu)形式對(duì)運(yùn)算過程會(huì)產(chǎn)生很大的影響，建立模型時(shí)既要保證運(yùn)算結(jié)構(gòu)的精度，又要做到不能因?yàn)檫\(yùn)算量太大導(dǎo)致對(duì)處理器性能的要求太高，同時(shí)還要考慮設(shè)備的工作狀況和結(jié)構(gòu)形狀會(huì)受條件的影響[9]。

由于DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)體模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此首先需要對(duì)原實(shí)體模型進(jìn)行簡化處理，其次再進(jìn)行關(guān)鍵零部件細(xì)節(jié)的處理、劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格以及零部件的裝配與連接等相關(guān)工作。

ABAQUS/CAE的Part模塊簡化模型不方便操作，本文先利用UG軟件建立DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，再轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)化為STP格式后導(dǎo)入到ABAQUS/CAE中。下圖2為DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型。

圖2 DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型

根據(jù)DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子在洗衣機(jī)中實(shí)際的工作狀況，分別分析以下三種工作狀況時(shí)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布：

1）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為294 rpm，承受扭矩5000 Nmm；

2）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為800 rpm，承受扭矩2000 Nmm；

3）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為900 rpm，承受扭矩1630 Nmm。

4.2 材料及截面屬性的創(chuàng)建

下表1列出了DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子各零部件的材料屬性參數(shù)。在ABAQUS/CAE的Property模塊中分別建立材料BMC、鐵氧體和TG-7BE DC53D+Z，輸入必要的性能參數(shù)，最后創(chuàng)建類型為Soild,Homogeneous的截面屬性分別賦予轉(zhuǎn)子的各組成部件。

表1 DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的各零部件材料屬性參數(shù)

4.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意網(wǎng)格疏密的選擇和確保優(yōu)良的網(wǎng)格質(zhì)量。為了適應(yīng)計(jì)算模型數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)，在模型的不同位置應(yīng)采用不同大小，即疏密程度不同的網(wǎng)格。如在數(shù)據(jù)改變梯度較大的應(yīng)力集中處，為準(zhǔn)確表述數(shù)據(jù)信息的變化規(guī)律，應(yīng)采用相對(duì)密集的網(wǎng)格。相反，在數(shù)據(jù)改變梯度較小的位置，可以劃分比較稀疏的網(wǎng)格，以減小模型的規(guī)模。結(jié)構(gòu)模型有了疏密不同的網(wǎng)格圖形劃分，運(yùn)算目的和效果會(huì)更好。網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格劃分的合理性，其中包括網(wǎng)格的角度、長寬比以及網(wǎng)格的扭曲角等。網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響運(yùn)算的準(zhǔn)確度，網(wǎng)格質(zhì)量過差時(shí)則有可能導(dǎo)致處理器中止[10]。

因此，在ABAQUS軟件中建好模型后，根據(jù)適應(yīng)計(jì)算模型數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)，對(duì)DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子各零部件進(jìn)行劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格類型采用C3D10M三維實(shí)體單元。除了轉(zhuǎn)子外，同時(shí)對(duì)連桿也進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分類型采用自由網(wǎng)格，共劃分出109245個(gè)單元。其有限元模型如下圖3所示。

圖3 DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的有限元模型

4.4 邊界條件和載荷

在ABAQUS軟件中建立多工況分析，分別輸入三種工況下的扭矩和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子安裝板A、B及轉(zhuǎn)子磁鋼是由BMC材料塑封成一整體，因此它們之間采用綁定約束。在DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置建立參考點(diǎn)RP-1，并與轉(zhuǎn)子安裝板A、B及轉(zhuǎn)子磁鋼等部件耦合。在參考點(diǎn)RP-1施加三種工況下相應(yīng)的力矩，同時(shí)在轉(zhuǎn)子安裝板A、B及轉(zhuǎn)子磁鋼等部件施加三種工況下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力。

圖4 DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的邊界條件

圖5 DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加載

4.5 仿真計(jì)算

仿真分析計(jì)算，也就是進(jìn)行有限元方法的數(shù)值計(jì)算。這部分工作是分析軟件系統(tǒng)的內(nèi)操作，在處理器上進(jìn)行處理完成。利用ABAQUS/Standard模塊進(jìn)行模擬仿真計(jì)算后，分別得到輸入的三種工況下的DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力云圖。

（1）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為294 rpm，承受扭矩5000 Nmm工況下的應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子塑封應(yīng)力云圖

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝板應(yīng)力云圖

（2）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為800 rpm，承受扭矩2000 Nmm工況下的應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)子塑封應(yīng)力云圖

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝板應(yīng)力云圖

（3）DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為900 rpm，承受扭矩1630 Nmm工況下的應(yīng)力云圖分別如圖10和圖11所示。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)子塑封應(yīng)力云圖

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝板應(yīng)力云圖

4.6 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)果分析就是對(duì)計(jì)算機(jī)仿真分析計(jì)算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，提取出有用的運(yùn)算結(jié)果，并形成分析報(bào)告。依據(jù)分析報(bào)告進(jìn)而評(píng)估設(shè)計(jì)合理性或結(jié)構(gòu)性能的好壞，以進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化或改進(jìn)。

對(duì)于轉(zhuǎn)子塑封，根據(jù)公式[σ]=σ/n，安全系數(shù)取3，因此轉(zhuǎn)子塑封許用強(qiáng)度[σ]=50/3=16.66 MPa。由以上電機(jī)轉(zhuǎn)子塑封應(yīng)力云圖的分析結(jié)果可知，在三種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，轉(zhuǎn)子塑封的最大應(yīng)力值為4.23 MPa（如圖10所示）。由于4.23 MPa遠(yuǎn)小于其許用強(qiáng)度[σ]為16.66 MPa，因此可以判斷設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度能滿足使用要求。

對(duì)于轉(zhuǎn)子安裝板，根據(jù)公式[σ]=σ/n，安全系數(shù)取3，因此許用強(qiáng)度[σ]=235/3=78 MPa。由以上電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝板應(yīng)力云圖的分析結(jié)果可知，在三種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，安裝板最大應(yīng)力值為24.9 MPa（如圖7所示）。由于24.9 MPa遠(yuǎn)小于其許用強(qiáng)度[σ]為78 MPa，因此可以判斷設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度能滿足使用要求。

上述設(shè)計(jì)方案經(jīng)后期試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)完全滿足安全使用要求，驗(yàn)證了ABAQUS有限元分析結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

（1）在一般的電機(jī)設(shè)計(jì)中，需要采用不斷進(jìn)行“設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—校正”的方式，也就是需要通過試制成功后進(jìn)行試驗(yàn)，方可驗(yàn)證電機(jī)強(qiáng)度的可靠性[9]。而通過ABAQUS/Standard結(jié)構(gòu)分析方法可以看出，應(yīng)用ABAQUS模擬DD變頻直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子，并賦予不同工況載荷，ABAQUS有限元軟件便可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子在承受不同轉(zhuǎn)速和扭矩工況下的應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布值進(jìn)行計(jì)算，便可有效判斷電機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿足安全使用要求。后期的試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。這對(duì)洗衣機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，既可以提高電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性，又大大地縮短了開發(fā)周期。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)者需求，ABAQUS軟件還可以很好地模擬不同設(shè)計(jì)方案的DD變頻直驅(qū)電機(jī)在相應(yīng)工況下的應(yīng)力分布情況，從而判斷幾種不同DD變頻直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案哪種更優(yōu)。因此利用ABAQUS軟件分析方法還可以為設(shè)計(jì)者優(yōu)化方案設(shè)計(jì)提供很好的指導(dǎo)作用。