基于Workbench某步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

馮 崗,柳?？?賈 波，張朝暉,苗 瑞,吳 琎,吳 波

(1.西安微電機(jī)研究所有限公司，西安 710117;2.陸裝西安局第八軍代室，西安 710043)

0 引 言

近年來，隨著我國電機(jī)驅(qū)動事業(yè)的快速發(fā)展，驅(qū)動器作為電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)[1]，決定了電機(jī)的精確率和運(yùn)行狀態(tài)，已廣泛應(yīng)運(yùn)于各行各業(yè)。然而，電子設(shè)備的裝備環(huán)境復(fù)雜多變，各行各業(yè)對電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力要求也越來越高[1-2]，要想使得驅(qū)動器發(fā)揮極致的作用，其有一個(gè)良好的工作環(huán)境是必不可少的。

本文結(jié)合基于高效小型化驅(qū)動器項(xiàng)目的研制，應(yīng)用鋁合金5A06作為驅(qū)動器的主體結(jié)構(gòu)材料，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化對比，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段利用ANSYS Workbench仿真平臺對其力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境等進(jìn)行評估[3]，并根據(jù)仿真結(jié)果對其機(jī)構(gòu)與工藝進(jìn)行優(yōu)化，給出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對樣機(jī)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證其工程實(shí)用性，為今后微小型驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的驅(qū)動器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮散熱、體積、安裝、抗力學(xué)性等主要因素，需在給定的各類載荷條件下通過殼體設(shè)計(jì)、PCB板上元器件的布局、PCB組件在殼體內(nèi)部的安裝方式以及熱傳遞方式等一系列措施使設(shè)備的強(qiáng)度、剛度、溫度等滿足需求。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)中需對整機(jī)以及關(guān)鍵部分進(jìn)行模態(tài)分析與動力響應(yīng)分析，另外還需對主要發(fā)熱元件進(jìn)行熱分析，本文通過ANSYS Workbench仿真分析為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并且通過樣機(jī)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證仿真有效性。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮環(huán)境適應(yīng)性、輕量化及機(jī)械性能等要求，選擇常用鋁合金材料5A06，其密度較小、耐蝕性好、切削加工性良好[4-5]，其強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本產(chǎn)品的使用要求。

圖1 步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動器總體結(jié)構(gòu)分解圖

根據(jù)PCB板的外形尺寸，印制板組件距離機(jī)箱內(nèi)壁的設(shè)計(jì)間距為1 mm，其中功率MOSFET的散熱問題尤為關(guān)鍵，最終確定驅(qū)動器最大外形尺寸為60.9 H×56 W×105 Dmm，利用SW建立三維模型，如圖1所示。

本項(xiàng)目驅(qū)動器共設(shè)計(jì)4塊印制板，自下而上疊層安裝，分別為：驅(qū)動板、電源板、控制板和接口板，為了保證連接的可靠性，各支撐柱與緊固件均采用不銹鋼材質(zhì)。

總體結(jié)構(gòu)的分解圖如圖1所示，安裝步驟：

①將驅(qū)動器的各PCB板之間通過M2內(nèi)外絲的不銹鋼支撐柱以及螺釘連接，PCB板上的元器件、接線端子等通過焊接方式固定在PCB板上，形成PCB組件；

②將機(jī)殼與底板通過螺釘固定；

③將PCB組件整體通過支撐柱2和內(nèi)六角螺釘固定在底板上，可利用組件兩側(cè)的接線端子卡入機(jī)殼相應(yīng)的兩方槽處；

④通過螺釘將蓋板固定于機(jī)殼上，最終完成安裝。

1.2 抗力學(xué)仿真分析

為研究此方案的可行性，運(yùn)用ANSYS Workbench平臺對其力學(xué)環(huán)境進(jìn)行模擬，求解并分析應(yīng)力及變形情況。

根據(jù)相關(guān)資料，該驅(qū)動器中各主要結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度如表1所示。

表1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)主要材料力學(xué)性能

在沖擊載荷200 g和隨機(jī)振動載荷2 g的條件下，對此結(jié)構(gòu)做三軸六向的沖擊試驗(yàn)和隨機(jī)振動仿真，為便于觀察，圖中隱藏機(jī)殼部分。

由于篇幅限制，且X、Y方向的仿真結(jié)果相近，故本文只體現(xiàn)Y方向的應(yīng)力與變形云圖(下同)，仿真結(jié)果如圖2～圖10所示。

圖2 一階模態(tài)振形仿真云圖

圖3 隨機(jī)振動(Z向)變形云圖

圖4 隨機(jī)振動(Z向)應(yīng)力云圖

圖5 隨機(jī)振動(y向)變形云圖

圖6 隨機(jī)振動(y向)應(yīng)力云圖

圖7 沖擊振動(Z向)變形云圖

圖8 沖擊振動(Z向)應(yīng)力云圖

圖9 沖擊振動(y向)變形云圖

圖10 沖擊振動(y向)應(yīng)力云圖

表2 驅(qū)動器沖擊與隨機(jī)響應(yīng)變形與應(yīng)力

利用Modal模塊對前處理后的模型進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果來看，一階模態(tài)的頻率為859.26 Hz，遠(yuǎn)大于基頻100 Hz，其頻率特性滿足設(shè)計(jì)要求。

利用Random Vibration 和Response Spectrum模塊進(jìn)行隨機(jī)振動和沖擊相應(yīng)分析，在z方向沖擊載荷條件下，支撐柱所受的應(yīng)力最大，約為118 MPa，且 PCB板的變形約為0.26 mm，變形量較大，同時(shí)應(yīng)力的安全裕度較小。

1.3 熱設(shè)計(jì)與仿真分析

在熱設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)散熱器雖可有效散熱，但此結(jié)構(gòu)考慮小型輕量化，且功率MOSFET均為貼片式，故考慮采用在PCB板上鋪設(shè)銅箔進(jìn)行散熱。

主要發(fā)熱電子元器件為20個(gè)功率MOSFET，其功耗約為0.22 W，5個(gè)檢測電阻，其功耗約為0.225 W，為了提高其散熱效果，在驅(qū)動板MOSFET處鋪有銅箔。

通過Workbench仿真平臺的穩(wěn)態(tài)熱及瞬態(tài)熱分析，環(huán)境溫度設(shè)為22 ℃，自然對流換熱系數(shù)設(shè)為9 W/(m2·℃)，仿真分析結(jié)果如圖12～圖13所示。

圖11 穩(wěn)態(tài)熱分析云圖

仿真結(jié)果表明，其最高溫度為109.2℃，超過了使用的工作范圍，且易形成局部高溫，散熱效果極差，會影響驅(qū)動器的工作性能，降低產(chǎn)品可靠性，甚至發(fā)生故障。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從動力響應(yīng)分析與熱分析來看，上述結(jié)構(gòu)的抗力學(xué)性能力并不是很理想，同時(shí)，導(dǎo)熱性能極差。

為了解決上述問題，本節(jié)將去掉機(jī)殼內(nèi)部(圖1)中的支撐柱2，并采用成熟的灌封工藝技術(shù)將PCB組件固定于機(jī)殼內(nèi)。

灌封技術(shù)采用固體介質(zhì)未固化前排除空氣填充到元器件周圍，可加固和提高抗點(diǎn)強(qiáng)度。同時(shí)對電子產(chǎn)品可起到防潮、防霉、防鹽霧、減震等作用，增加了電子產(chǎn)品的可靠性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用[2,6-8]。

考慮本文采用的導(dǎo)熱灌封膠對基材有良好的粘接性，可將PCB板組件大部分的作用力通過灌封介質(zhì)傳遞到機(jī)殼上，可做到導(dǎo)熱及傳力，也可以大大降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高焊點(diǎn)等強(qiáng)度，故將其應(yīng)用于本設(shè)計(jì)中。

2.2 熱學(xué)優(yōu)化仿真分析

各邊界條件、網(wǎng)格劃分及其他參數(shù)設(shè)置與第2節(jié)相同，仿真結(jié)果如圖12～圖13所示。

圖12 穩(wěn)態(tài)熱分析云圖

圖13 瞬態(tài)熱分析云圖(灌封-隱藏外殼)

同時(shí)為驗(yàn)證仿真分析的有效性，對驅(qū)動器樣機(jī)進(jìn)行溫度及力學(xué)測試試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺如圖14所示，實(shí)測與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

圖14 樣機(jī)試驗(yàn)平臺搭建

表3 溫度實(shí)測與仿真值對比

圖15 溫度曲線對比圖

經(jīng)驗(yàn)證，此工藝大大降低了驅(qū)動器的溫度，使其具有良好的散熱能力。由表2和圖15可得出，通過樣機(jī)實(shí)測得驅(qū)動器最高溫度約為47.5℃，仿真的穩(wěn)態(tài)熱值為48.594℃，誤差約1℃。隨著仿真時(shí)間的增加，仿真值越逼近實(shí)測值，且當(dāng)達(dá)到6000 s時(shí)，兩者基本同時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。且從圖12與圖13知，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，瞬態(tài)熱與穩(wěn)態(tài)熱的熱平衡仿真結(jié)果基本一致，此實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果有良好的一致性。

2.3 力學(xué)優(yōu)化仿真分析

為驗(yàn)證采用灌封技術(shù)后的結(jié)構(gòu)抗力學(xué)環(huán)境，本節(jié)對其進(jìn)行振動、沖擊仿真分析，仿真條件與1.2節(jié)相同。

圖16 一階模態(tài)振形仿真云圖

圖17 沖擊振動(z向)應(yīng)力云圖

圖18 沖擊振動(z向)變形云圖

圖19 沖擊振動(y向)應(yīng)力云圖

圖20 沖擊振動(y向)變形云圖

圖21 隨機(jī)振動(Z向)變形云圖

圖22 隨機(jī)振動(Z向)應(yīng)力云圖

圖23 隨機(jī)振動(y向)變形云圖

圖24 隨機(jī)振動(y向)應(yīng)力云圖

表4 驅(qū)動器灌封后沖擊與隨機(jī)響應(yīng)變形與應(yīng)力

仿真結(jié)果顯示,灌封后所受的最大應(yīng)力為16.2 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量較前者(未灌封)減小了10倍以上，也有效解決了部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，且可靠性更好，抗沖擊、抗振動效果明顯優(yōu)于前者。

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)要求搭建試驗(yàn)平臺(圖14)，對加工制作的初樣樣機(jī)根據(jù)隨機(jī)、沖擊振動條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后經(jīng)檢測，外殼無破裂和變形等現(xiàn)象，各緊固件未出現(xiàn)松動，通電后運(yùn)行正常，且驅(qū)動器各項(xiàng)性能穩(wěn)定且均達(dá)標(biāo)，與仿真結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文以某步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對象。首先，結(jié)合ANSYS Workbench仿真平臺對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步方案進(jìn)行進(jìn)行有限元仿真分析，從沖擊、隨機(jī)、熱學(xué)三方面仿真結(jié)果分析，其存在不足之處；其次，在初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上運(yùn)用灌封技術(shù)對工藝進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)對比分析，后者可有效地改善結(jié)構(gòu)的抗力學(xué)性能，傳熱效果較好，可為驅(qū)動器提供優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境；最后，制作樣機(jī)并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的有效性與方案的可行性，結(jié)果表明ANSYS Workbench仿真具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)，可為今后的微小型驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。