鐵芯疊裝強度與護套過盈量分析

摘" 要：該文采用有限元法對電機鐵芯加工中典型的疊鉚工藝進行仿真分析，分別計算量中過盈量狀態(tài)下的疊鉚強度，隨著過盈量的增加，沖片之間的疊鉚強度越高。采用高頻加熱護套后當(dāng)過盈量為0.03 mm時，護套上的應(yīng)力約為75 MPa；當(dāng)過盈量為0.04 mm時，護套內(nèi)的應(yīng)力大于300 MPa達到了330 MPa。為避免護套在裝配和翻遍過程中破損，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)子護套的過盈量為0.03 mm。

關(guān)鍵詞：有限元；鐵芯；高頻加熱；跌落；強度；過盈量

中圖分類號：TG385" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0001-04

Abstract： This paperuses the finite element method to simulate and analyze the typical lamination riveting process in the machining of motor core. The lamination riveting strength under the interference state of quantity 4 is calculated separately. As the interference amount increases， the lamination riveting strength between the punched pieces becomes higher. When using a high-frequency heating sheath， the stress on the sheath is about 75 MPa when the interference is 0.03 mm， as shown in the following figure. When the interference is 0.04 mm， the stress inside the sheath is greater than 300 MPa and reaches 330 MPa. In order to avoid damage to the sheath during assembly and flipping， the interference fit of the rotor sheath should be selected as 0.03 mm.

Keywords： finite element; motor core; high-frequency heating; riveting process; strength; interference

典型的硅鋼片材料鐵芯疊裝有3種加工工藝方法：一是預(yù)先在每片硅鋼片表面噴涂黏接膠液，而后把每片硅鋼片疊成一摞，在高頻加熱高溫高壓下進行固化，最終把相鄰的硅鋼片黏接為一體，形成一個完整的鐵芯，這種方法加工的鐵芯前期需要大量的時間對膠液進行噴涂，后期需要花大量的時間對硅鋼片在高溫高壓下溢出的多余膠液進行清理。二是預(yù)先把每一片硅鋼片疊成一摞，然后在兩端施加壓力，使用高能激光焊機設(shè)備在硅鋼片表面沿著疊裝的軸向焊接，通過融化硅鋼片材料把沒有連接關(guān)系、松散的硅鋼片焊接成一個完整的鐵芯，這種方法在加工的過程中會有高能激光輻射，加工完成后焊接的兩端由于金屬融化后的流動有方向，會在兩端產(chǎn)生焊接高點，需要打磨。同時，針對外尺寸較大，內(nèi)尺寸較小的鐵芯沖片，在焊接時由于焊接工具的限制，僅能焊接外圓尺寸，導(dǎo)致焊接完成后外圓貼合緊密，內(nèi)圓則較為松散，其在進行端面打磨時需要打磨更多的余量。三是采用自扣片方法，利用材料之間的過盈配合關(guān)系，通過材料過盈壓力產(chǎn)生的摩擦力把獨立分散的硅鋼片連接在一起成為一個完整的鐵芯，這種方法在硅鋼片沖制過程中與專用工裝配合，可以做到邊沖制邊疊裝，沖制完成則疊裝完成，生產(chǎn)效率較高。但鐵芯的沖片之間的連接強度較低，且由于疊鉚壓力較大，疊鉚后鐵芯會發(fā)生明顯變形。

國際電工委員會（IEC）對于小于等于2 kg的手持型電子產(chǎn)品建議應(yīng)滿足100 cm之掉落高度不可損壞，為了分析3種鐵芯加工工藝在鐵芯生產(chǎn)中針對不同電機類型的適用范圍，采用ANSYS Workbench 的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊，重點分析自扣鐵芯黏接強度與過盈量之間的關(guān)系，并分析由20片厚度0.3 mm沖片疊裝而成的鐵芯從0.5 m高度傾斜45°自由跌落到地面的動態(tài)過程中鐵芯的完整性，以判斷3種工藝情況下鐵芯沖片間的剪切強度和軸向黏接強度。

同時針對護套的壓裝過盈量，采用熱固耦合分析，分析零件在采用高頻加熱的條件下，零件的加熱溫度與過盈量及壓裝后護套剩余應(yīng)力之間的關(guān)系。

1" 仿真計算

1.1" 自扣鐵芯強度分析

疊鉚力的大小由疊鉚點過盈量和疊鉚深度共同決定。本案例采用的沖片外徑36 mm、內(nèi)徑18 mm、厚度0.3 mm、疊鉚槽尺寸為1.0 mm。通過有限元計算不同過盈量I（I=0.000 5、0.001、0.002、0.003 mm）下自扣鐵芯疊鉚連接強度。

對自扣鐵芯進行網(wǎng)格劃分，在疊鉚圓孔處對網(wǎng)格進行局部加密處理。由于疊鉚力與疊鉚深度是線性關(guān)系，不作考慮。在沖片外圓部分圓周均布設(shè)計6個疊鉚孔位，疊鉚孔直徑為1 mm，疊鉚分析設(shè)置2個相互連接的沖片之間為摩擦力約束，查典型金屬材料的摩擦系數(shù)為0.2，仿真結(jié)果見表1。

通過表1可以看出，隨著過盈量的增加，法向應(yīng)力、切應(yīng)力、等效應(yīng)力都在增加，當(dāng)過盈量增加到0.003 mm時，過盈量引起的等效應(yīng)力接近于材料的極限強度493 MPa。仿真數(shù)據(jù)從側(cè)面反應(yīng)了鉚接擠壓力是影響鉚接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，較大的擠壓力導(dǎo)致接頭的靜態(tài)性能更好，隨著擠壓力的增加（過盈量增加），接頭的靜強度（等效應(yīng)力上升）略有下降。

1.2" 熱固耦合分析

根據(jù)物體溫度隨時間的變化關(guān)系，本章節(jié)采用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析，結(jié)合上一節(jié)的分析結(jié)果，當(dāng)電機穩(wěn)定工作多個循環(huán)后，其內(nèi)部各部件溫度達到熱平衡狀態(tài)，且此時的溫度達到最大值。穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析一般方程為

KI=Q ， （1）

式中：K為熱傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；I為節(jié)點溫度向量；Q為節(jié)點熱流向量。

模型的結(jié)構(gòu)變形采用ANSYS靜力學(xué)模塊，廣義動力學(xué)方程為

Mx+Cx+Kx=F ， （2）

式中：M為質(zhì)量矩陣；x為加速度矢量；C為阻尼矩陣；x為速度矢量；K為剛度矩陣；x為位移矢量；F為外力矢量。

當(dāng)系統(tǒng)運動速度為零，在不存在加速度和速度的情況下，慣性和阻尼都為零，式（2）簡化為

Kx=F 。 （3）

問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)分析，可采用ANSYS中Static Structural模塊進行分析。

1.3" 熱固耦合分析網(wǎng)格無關(guān)性驗證

表2顯示了網(wǎng)格尺度為1.3、1、0.8、0.05 mm四個網(wǎng)格尺度，從最大變形量和護套X方向的變形量來看，在這4個網(wǎng)格尺寸對應(yīng)的計算結(jié)果變化量較小，表明采用其中的任何一個網(wǎng)格尺度參數(shù)對計算結(jié)果的影響均較小。

根據(jù)表2所示，選取1 mm的網(wǎng)格尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分，既能保證計算精度，也能提高仿真計算速度，節(jié)省計算時間和計算資源。

2" 3種工藝加工鐵芯跌落強度分析

采用等效平均應(yīng)力的方式分別對過盈量為0.003 mm時疊鉚強度和激光焊接強度進行等效。疊鉚接觸面積為6個圓柱面的面積總計11.3 mm2，沖片總表面積為400 mm2，平均應(yīng)力為表1中應(yīng)力值的0.027 5倍。采用激光焊接的焊點尺寸為疊鉚的一半約0.565 mm2，平均應(yīng)力約為材料強度的0.013 75倍，約為6.78 MPa。

物體從1 m高度自由掉落到地面在地面加速度為9.8 m/s2情況下接地速度約為4 427 mm/s，從0.5 m高度自由掉落到地面接地速度約為3 130 mm/s。分別分析3種加工工藝跌落后的完整性。

從圖1可以看出，膠接鐵芯從1 m高度自由跌落到地面后完整性最好，僅分裂成為2個部分；疊鉚鐵芯跌落到地面后基本上每片沖片之間都發(fā)生了錯位和變形，完整性最差；焊接鐵芯跌落后分裂成立5個部分，每個部分之間都有較大的變形，在最先接觸到地面的一端，與膠接鐵芯類似，與主體部分之間發(fā)生了脫落。

從圖2可以看出，當(dāng)鐵芯自由跌落高度降低到0.5 m后，膠接鐵芯在整體接觸到地面之后僅發(fā)生了一定角度的整體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，在最先接觸到地面那一片沖片端部發(fā)生微小變形，膠接工藝鐵芯保持了完整性；疊鉚鐵芯依然在自由跌落后接觸地面的瞬間被擊碎為一團松散的沖片，無法保持任何一個部分的完整性，且由于無法保持完整性導(dǎo)致沖片沖擊后變形嚴(yán)重；焊接鐵芯從0.5 m高度自由跌落后最先接觸地面的部分與主體部分?jǐn)嗔验_來成為獨立的一部分，其余主體部分保持了較好的完整性。

3" 不同護套與磁鋼過盈量變形與應(yīng)力分析

采用ANSYS熱固耦合分析手段分別對過盈量0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.10 mm六種情況下的轉(zhuǎn)子整體變形和應(yīng)力進行仿真計算分析。

如圖3所示，分別分析了不同過盈狀態(tài)下，護套X、Y兩個方向變形和護套整體變形以及護套應(yīng)力變化的情況。

從圖4所示，在圖4（a）中，隨著過盈量的增加，轉(zhuǎn)子護套的X、Y方向變形和總變形都先降低，再增肌。結(jié)合圖4（a）的應(yīng)力-變形曲線圖，可以看出在變形從大變小的過程中，護套上幾乎無應(yīng)力產(chǎn)生。當(dāng)護套變形達到最小時，護套上開始產(chǎn)生應(yīng)力，且隨著過盈量的增加，護套變形逐步增加，護套上所受到產(chǎn)生的應(yīng)力快速增加，增加曲線為一條直線，說明變形發(fā)生在彈性變形范圍內(nèi)。采用靜力學(xué)（Static Structural）模型分析是合理可行的。結(jié)合磁鋼強度數(shù)據(jù)，磁鋼的壓縮強度、拉伸強度、彎曲強度分別為1 015、80、290 MPa。在護套變形最小時對應(yīng)的過盈尺寸下，此時磁鋼上的應(yīng)力大小約等于磁鋼的拉伸強度。

經(jīng)過資料查詢，一般不銹鋼材料的最大拉伸強度約為200 MPa，結(jié)合上一節(jié)的分析結(jié)果，當(dāng)過盈量為0.03 mm時，護套上的應(yīng)力約為75 MPa；當(dāng)過盈量為0.04 mm時，護套內(nèi)的應(yīng)力大于300 MPa達到了330 MPa。為了避免護套在裝配和翻遍過程中破損，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)子護套的過盈量為0.03 mm，既保證了護套對磁鋼的保護和強化作用，又保證了護套在翻遍等后續(xù)操作過程中留有足夠的強度余量。

4 討論

通過疊鉚工藝加工的鐵芯其整體強度依賴于鉚接過程中的鉚接過盈量，鉚接過盈量受到材料強度的限制，因此采用提高鉚接過盈量來提高鐵芯鉚接強度的方法受到較大的限制，可以通過增加鉚接深度、加大鉚接結(jié)合處的尺寸以及采用新型的鉚接方法來獲得更高的鐵芯疊鉚強度。但由于微特電機機電性能的設(shè)計在空間尺寸余量較小，且加大鉚接尺寸和增加鉚接深度等均會削弱電機的性能。

膠接工藝制造鐵芯在沖片間的黏接強度較為均勻，在跌落過程中能夠較好地保持其完整性，在功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等要求不高與鐵芯內(nèi)部發(fā)熱也較低的情況下，膠接工藝制造的鐵芯具有一定的適用空間。

由于通過焊接工藝制造的鐵芯，其焊接點處于鐵芯的外圓環(huán)上，焊接點的數(shù)量可以依據(jù)鐵芯所適用的范圍機電性能范圍的變化而靈活安排，焊接鐵芯沖片之間沒有絕緣膠液阻隔，使得焊接鐵芯在高功率密度、高轉(zhuǎn)速、高溫等環(huán)境下有優(yōu)異的散熱性能，且焊接加工效率高、無需復(fù)雜的前處理和費時的后處理，也在保持鐵芯機電性能的情況下最大限度地有利于鐵芯的小型化和微型化設(shè)計。

高頻加熱溫度對護套過盈量有直接、線性的影響，為了保證護套能夠貼合在轉(zhuǎn)子表面并起到緊固作用，護套的過盈量不宜過大，也不宜過小。過大或?qū)е滦枰哳l加熱的溫度高，時間長，且冷護套冷卻后會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受到較大擠壓應(yīng)力。經(jīng)過分析護套過盈量選擇為0.03 mm較為合適。

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