基于ANSYS的定子鐵心退機座過程有限仿真分析

襄陽中車電機技術(shù)有限公司　吳望群，李蕩，曾巍

以某型號永磁同步驅(qū)動電機的定子鐵心及機座為研究對象，通過設(shè)定不同的烘焙加熱溫度，利用ANSYS有限元分析軟件模擬了定子鐵心退機座過程中定子鐵心與機座之間瞬態(tài)受力過程，得出退機座過程中定子鐵心與機座之間產(chǎn)生的壓力隨加熱溫度的變化曲線，可知隨溫度的升高定子鐵心與機座之間產(chǎn)生的正壓力越小，正壓力減小的幅度也越變越小，為實際操作工藝提供了參考依據(jù)。

一、前言

目前新能源電機一般都采用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在氣密性檢測過程中有時會出現(xiàn)機座漏水的情況，當個別微小氣孔出現(xiàn)在機座兩端時，往往可以通過過程修補達到滿足氣密性的條件。但是當微小氣孔較多或者微小氣孔出現(xiàn)在機座內(nèi)壁中部時，一般情況都是將定子鐵心從機座中退出后更換機座。目前本公司將定子鐵心從機座中取出的方法一般都是采用將機座沿軸向銑一道缺口，然后將嵌線定子從機座中退出。在實施過程中存在如下風(fēng)險點：一是在機床上裝夾過程需要專門夾具，并且需要進行找正，在此過程中可能碰傷繞組端部絕緣；二是在銑削過程中金屬雜質(zhì)可能掉入繞組端部，若清理不干凈，在以后電機運行過程中雜質(zhì)可能掉入定轉(zhuǎn)子之間，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生刮蹭。現(xiàn)考慮直接將定子鐵心從機座中退出，就可以規(guī)避掉上述兩個風(fēng)險點，但是直接退機座就需要考慮定子鐵心與機座之間產(chǎn)生的壓力大小。本文利用ANSYS有限元分析軟件模擬了不同加熱溫度下鐵心退機座過程中受力變化情況，得出了不同加熱溫度下鐵心退機座過程中的受力變化趨勢。

二、過盈配合正壓力理論計算

定子鐵心與機座配合屬于過盈配合，如圖1所示，過盈配合是將兩個厚壁圓筒套合在一起，外筒內(nèi)經(jīng)略小于內(nèi)筒外徑，即存在過盈量δ。裝配后，兩圓筒接觸面上會因為變形而產(chǎn)生相互壓緊的裝配壓力P，裝配壓力P與過盈量δ的關(guān)系由式（1）確定。

圖1 壓裝示意圖

式中 Ei、μi為內(nèi)筒材料的彈性模量和泊松比；E0、μ0為外筒材料的彈性模量和泊松比。

永磁同步驅(qū)動電機定子鐵心及機座參數(shù)如表1所示。

表1 定子鐵心及機座參數(shù)

根據(jù)表1得出最大過盈δ=0.301mm；將δ及表1中數(shù)據(jù)帶入式（1）可得裝配壓力P為5.7×108Pa。

那么同樣可得出，定子鐵心退機座時冷態(tài)壓力也為P=5.7×108Pa。

三、有限元仿真分析

1.仿真平臺搭建

本次仿真采用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析與瞬態(tài)分析聯(lián)合進行，先進行不同溫度下穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析，然后將穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)分析中進行瞬態(tài)力學(xué)分析，搭建仿真平臺如圖2所示，分析結(jié)構(gòu)樹模型如圖3所示。

圖2 仿真平臺

2.材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)定子鐵心與機座的材質(zhì)，兩種模型的材料參數(shù)分別參照硅鋼片及鋁合金進行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2定子鐵心及機座的材料參數(shù)

圖3 仿真過程結(jié)構(gòu)樹模型

3.仿真模型建立及網(wǎng)格劃分

考慮到仿真的時效性以及分析效果的直觀性，將定子鐵心與機座模型簡化等效為2D模型，采用定子鐵心入機座示意圖。根據(jù)表2材料參數(shù)，在有限元分析軟件ANSYS中分別為定子鐵心和機座設(shè)定材料參數(shù)，然后進行有限元網(wǎng)格劃分，如圖4所示。約束條件為將機座底面固定，機座徑向設(shè)置為自由移動，定子鐵心設(shè)定為移動，約束添加示意圖如圖5所示。

圖4等效有限元模型

圖5約束設(shè)定示意圖

表3 不同溫度下機座所受正壓力

通過設(shè)置不同的環(huán)境溫度，在機座上指定觀測，觀測定子鐵心入機座過程中隨溫度變化所受的正壓力，所指定的觀察路徑如圖6所示，在不同設(shè)定溫度下觀測路徑所受的正壓力如表3所示。

圖6指定觀測路徑

觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線

觀測路徑瞬態(tài)應(yīng)力變化云圖如圖8所示，機座內(nèi)壁軸向各點瞬態(tài)應(yīng)力云圖如圖9所示，定子鐵心與機座接觸面瞬態(tài)等效應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖8 觀測路徑瞬態(tài)應(yīng)力變化云圖

圖9 機座內(nèi)壁軸向各點瞬態(tài)應(yīng)力云圖

圖10鐵心與機座接觸面瞬態(tài)等效應(yīng)力云圖

四、結(jié)語

本文以定子鐵心退機座過程為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS完成了有限元模型的建立、熱穩(wěn)態(tài)分析及瞬態(tài)響應(yīng)分析，通過熱力學(xué)及瞬態(tài)響應(yīng)分析可以為定子鐵心退機座制定更加合理的返修工藝，從分析結(jié)果中可以得出以下結(jié)論。

（1）在常溫下（22℃）理論計算出機座內(nèi)壁所受的正壓力為5.7×108Pa，均大于仿真分析設(shè)定溫度下機座內(nèi)壁所受的正壓力（Pmax=5.615×108Pa），說明了仿真模型建立的可靠性。

（2）根據(jù)圖7觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線可以看出，隨著溫度的升高機座內(nèi)壁所受的正壓力逐漸變小，說明將定子鐵心與機座加熱后，在退機座過程中可有效減小機座所受的正壓力。

（3）圖7中還反映出隨著溫度的不斷升高，機座內(nèi)壁所受正壓力減小的梯度也在變小，說明溫度一味地升高雖然能減少機座內(nèi)壁產(chǎn)生的正壓力，但是溫度過高可能破壞繞組絕緣性能或使機座變形，制定合理的工藝溫度是必要的。