江勝軍

（珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術研究中心有限公司 珠海 519070）

引言

隨著變頻空調的逐漸普及，變頻空調的核心部件變頻壓縮機得到大批量的應用。因此變頻壓縮機中的變頻電機絕緣骨架強度設計尤為重要。作為變頻電機中唯一承載受力的絕緣骨架，骨架強度直接影響壓縮機電機壽命。本文通過對變頻電機絕緣骨架強度仿真驗證，得出一些設計思路提升變頻電機絕緣骨架強度值。

1 Ansys workbench軟件仿真介紹

ANSYS Workbench的分析系統(tǒng)中包含（Analysis System）部分包含了各種已經(jīng)設置好的分析類型（如顯示動力分析、FLUENT流體分析、結構模態(tài)分析、隨機振動分析等），絕緣骨架變形仿真項目中重點關注骨架結構在繞線作用力下的變形量及結構強度，需要用到靜態(tài)結構分析及瞬態(tài)動力結構分析。

1.1 靜態(tài)結構仿真分析

靜態(tài)結構仿真分析用于計算固定不變載荷作用下的效應，不考慮慣性和阻尼的影響，如結構隨時間變化載荷的的情況等。靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和力等。假定載荷和響應是不變的，即假定載荷和結構的響應隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括：外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力、位移載荷、溫度載荷等。

仿真分析過程：建立有限元模型→設置材料屬性→（組件需要定義接觸區(qū)域，零件無需）→定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格→施加載荷和邊界條件→設置分析類型和求解選項→求解→后處理。

1.2 瞬態(tài)場動力學分析

瞬態(tài)動力學分析用于分析確定承受任意隨時間變化載荷的結構動力學響應。與靜力分析不同，動力學分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼與慣性的影響，利用瞬態(tài)動力學分析可以確定結構在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合下隨時間的位移、應變、應力及力。結構動力學分析包括：模態(tài)分析，諧響應分析，隨機振動分析，瞬態(tài)動力學分析。另外，若載荷與時間的相關性不重要這可以選擇靜力學分析替代瞬態(tài)分析。

仿真分析過程：建立有限元模型→設置材料屬性→（組件需要定義接觸區(qū)域，零件無需）→定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格→施加載荷和邊界條件→設置分析類型和求解選項→求解→后處理。

瞬態(tài)動力學分析與靜態(tài)場分析的流程基本一致，只是在定義分析類型設置求解選項時增加了時間步長的相關設置。

2 變頻壓縮機電機絕緣骨架模型

根據(jù)變頻電機特點，設定以下兩款絕緣骨架模型，如圖1～2，并分別對兩個骨架模型進行最大變形量仿真分析。

3 絕緣骨架靜態(tài)場下最大變形量特點及仿真研究

電機生產過程中，骨架結構中受繞線過程作用力變形最大的位置是齒部，仿真過程重點關注齒部結構變形量及強度，為簡化仿真過程，將骨架受力模型簡化與實際載荷作用相同的集中載荷，作用于骨架齒部，采用靜態(tài)場分析模塊分析此載荷作用下的骨架齒部變形及強度。

3.1 齒部變形量特點（更改結構設計參數(shù)下）

骨架齒部由于定子鐵芯齒部形狀限制及繞線嘴繞線動作軌跡限制其形狀及最大厚度基本確定，影響齒部結構強度的除了材料本身就是齒部的斜度及齒根部的過渡圓角，本次仿真過程分別通過改變內圓柱壁拔模斜度及齒根部過渡圓角尺寸仿真了骨架。

3.1.1 內圓柱壁拔模斜度變化下齒部變形特點（見圖3～4）

從仿真結果來看，斜度從0 °到4.5 °增加的過程中，齒部最大變形量是不斷增大的，但是最大應力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

3.2 齒根過渡圓角變化下齒部變形特點（見圖5～6）

從仿真結果看，骨架齒部過渡圓角（從0 °到3.5 °）逐漸增大，齒部最大變形量逐漸減小，最大應力也逐漸減小，基本呈線性關系。

4 絕緣骨架約束條件變化下骨架變形量特點及仿真研究

Workbench里的模型約束條件大致可以分為完全約束（即固定約束Fixed Support）和不完全約束（如Frictionless Support、Remote Displacement等）兩大類，在骨架仿真的過程中，約束方式的選擇是影響形變準確性的關鍵因素之一。

圖1 絕緣骨架1#

圖2 絕緣骨架2#

圖3 1#絕緣骨架齒部最大變形量—拔模斜度關系

圖4 1#絕緣骨架齒部最大應力—拔模斜度關系

絕緣骨架受力模型中的約束來自于與之配合的各個零部件。骨架與定子鐵芯的配合是通過骨架上的定位小柱子或者外壁定位柱實現(xiàn)的，各個配合面約束的自由度不盡相同。從整體來看配合面都可以認為是完全被約束(Fixed Support)，但各個配合面若忽略摩擦力的作用則可簡化為只是約束了配合面法向自由度(Frictionless Support)。

通過在模型2定子的骨架模型上進行不同約束條件下的仿真對比得到如下結果：

4.1 無摩擦約束仿真（見圖7～9）

4.2 底面固定約束仿真 （見圖10～12）

4.3 仿真數(shù)據(jù)匯總（見表1和表2）

4.4 結果分析

圖5 1#絕緣骨架齒部最大變形量—過渡圓角關系

圖6 1#絕緣骨架齒部最大應力—過渡圓角關系

圖7 2#骨架無摩擦約束變形量云圖

圖8 2#骨架無摩擦約束應變云圖

圖9 2#骨架無摩擦約束應力云圖

圖10 2#骨架固定約束應變云圖

圖11 2#骨架固定約束變形量云圖

圖12 2#骨架固定約束應力云圖

更改約束類型為無摩擦約束，變形量增大明顯，2#骨架同比增加11.3 %，另外無摩擦約束變形分步情況更接近設計分布情況，實際上繞線過程中骨架齒部變形的方向主要是定子徑向方向，軸向方向有線圈束縛著基本可以認為無變形。所以后續(xù)骨架齒部變形量仿真建議采用無摩擦約束。

表1 不同約束仿真變形量匯總

表2 實測變形量

5 結論

通過對不同型號定子的絕緣骨架進行靜態(tài)場仿真，重點關注影響定、轉子裝配的齒部變形量部分，得到了齒部內壁拔模斜度、齒根過渡圓角、定位方式對變形量的影響趨勢，可以健全目前對絕緣骨架齒部強度的評價手段，從而可以通過后續(xù)結合定子槽滿率的要求確定過渡圓角的最佳尺寸。