基于Workbench某步進電機微型驅動器結構設計分析

馮 崗,柳?？?賈 波，張朝暉,苗 瑞,吳 琎,吳 波

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

0 引 言

近年來，隨著我國電機驅動事業的快速發展，驅動器作為電機的驅動系統[1]，決定了電機的精確率和運行狀態，已廣泛應運于各行各業。然而，電子設備的裝備環境復雜多變，各行各業對電子設備的環境適應能力要求也越來越高[1-2]，要想使得驅動器發揮極致的作用，其有一個良好的工作環境是必不可少的。

本文結合基于高效小型化驅動器項目的研制，應用鋁合金5A06作為驅動器的主體結構材料，通過結構設計與優化對比，在產品設計階段利用ANSYS Workbench仿真平臺對其力學、熱學環境等進行評估[3]，并根據仿真結果對其機構與工藝進行優化，給出合理的結構設計方案，同時對樣機進行環境試驗驗證其工程實用性，為今后微小型驅動器的結構設計提供了有力的參考依據。

1 結構設計

本文的驅動器總體結構設計主要考慮散熱、體積、安裝、抗力學性等主要因素，需在給定的各類載荷條件下通過殼體設計、PCB板上元器件的布局、PCB組件在殼體內部的安裝方式以及熱傳遞方式等一系列措施使設備的強度、剛度、溫度等滿足需求。

同時，在設計中需對整機以及關鍵部分進行模態分析與動力響應分析，另外還需對主要發熱元件進行熱分析，本文通過ANSYS Workbench仿真分析為設計提供理論依據，并且通過樣機環境試驗驗證仿真有效性。

1.1 總體結構設計

該項目結構設計主要考慮環境適應性、輕量化及機械性能等要求，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]，其強度也遠遠滿足本產品的使用要求。

圖1 步進電機微型驅動器總體結構分解圖

根據PCB板的外形尺寸，印制板組件距離機箱內壁的設計間距為1 mm，其中功率MOSFET的散熱問題尤為關鍵，最終確定驅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。

本項目驅動器共設計4塊印制板，自下而上疊層安裝，分別為：驅動板、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。

總體結構的分解圖如圖1所示，安裝步驟：

①將驅動器的各PCB板之間通過M2內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和內六角螺釘固定在底板上，可利用組件兩側的接線端子卡入機殼相應的兩方槽處；

④通過螺釘將蓋板固定于機殼上，最終完成安裝。

1.2 抗力學仿真分析

為研究此方案的可行性，運用ANSYS Workbench平臺對其力學環境進行模擬，求解并分析應力及變形情況。

根據相關資料，該驅動器中各主要結構材料強度如表1所示。

表1 驅動器結構主要材料力學性能

在沖擊載荷200 g和隨機振動載荷2 g的條件下，對此結構做三軸六向的沖擊試驗和隨機振動仿真，為便于觀察，圖中隱藏機殼部分。

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

圖2 一階模態振形仿真云圖

圖3 隨機振動(Z向)變形云圖

圖4 隨機振動(Z向)應力云圖

圖5 隨機振動(y向)變形云圖

圖6 隨機振動(y向)應力云圖

圖7 沖擊振動(Z向)變形云圖

圖8 沖擊振動(Z向)應力云圖

圖9 沖擊振動(y向)變形云圖

圖10 沖擊振動(y向)應力云圖

表2 驅動器沖擊與隨機響應變形與應力

利用Modal模塊對前處理后的模型進行分析，從仿真結果來看，一階模態的頻率為859.26 Hz，遠大于基頻100 Hz，其頻率特性滿足設計要求。

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

1.3 熱設計與仿真分析

在熱設計中，設計散熱器雖可有效散熱，但此結構考慮小型輕量化，且功率MOSFET均為貼片式，故考慮采用在PCB板上鋪設銅箔進行散熱。

主要發熱電子元器件為20個功率MOSFET，其功耗約為0.22 W，5個檢測電阻，其功耗約為0.225 W，為了提高其散熱效果，在驅動板MOSFET處鋪有銅箔。

通過Workbench仿真平臺的穩態熱及瞬態熱分析，環境溫度設為22 ℃，自然對流換熱系數設為9 W/(m2·℃)，仿真分析結果如圖12～圖13所示。

圖11 穩態熱分析云圖

仿真結果表明，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，會影響驅動器的工作性能，降低產品可靠性，甚至發生故障。

2 結構優化設計及仿真分析

2.1 優化設計

從動力響應分析與熱分析來看，上述結構的抗力學性能力并不是很理想，同時，導熱性能極差。

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

灌封技術采用固體介質未固化前排除空氣填充到元器件周圍，可加固和提高抗點強度。同時對電子產品可起到防潮、防霉、防鹽霧、減震等作用，增加了電子產品的可靠性，現已被廣泛應用[2,6-8]。

考慮本文采用的導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傳遞到機殼上，可做到導熱及傳力，也可以大大降低應力集中現象，提高焊點等強度，故將其應用于本設計中。

2.2 熱學優化仿真分析

各邊界條件、網格劃分及其他參數設置與第2節相同，仿真結果如圖12～圖13所示。

圖12 穩態熱分析云圖

圖13 瞬態熱分析云圖(灌封-隱藏外殼)

同時為驗證仿真分析的有效性，對驅動器樣機進行溫度及力學測試試驗，試驗平臺如圖14所示，實測與仿真結果數據如表3所示。

圖14 樣機試驗平臺搭建

表3 溫度實測與仿真值對比

圖15 溫度曲線對比圖

經驗證，此工藝大大降低了驅動器的溫度，使其具有良好的散熱能力。由表2和圖15可得出，通過樣機實測得驅動器最高溫度約為47.5℃，仿真的穩態熱值為48.594℃，誤差約1℃。隨著仿真時間的增加，仿真值越逼近實測值，且當達到6000 s時，兩者基本同時達到平衡狀態。且從圖12與圖13知，當達到熱平衡時，瞬態熱與穩態熱的熱平衡仿真結果基本一致，此實測結果與仿真結果有良好的一致性。

2.3 力學優化仿真分析

為驗證采用灌封技術后的結構抗力學環境，本節對其進行振動、沖擊仿真分析，仿真條件與1.2節相同。

圖16 一階模態振形仿真云圖

圖17 沖擊振動(z向)應力云圖

圖18 沖擊振動(z向)變形云圖

圖19 沖擊振動(y向)應力云圖

圖20 沖擊振動(y向)變形云圖

圖21 隨機振動(Z向)變形云圖

圖22 隨機振動(Z向)應力云圖

圖23 隨機振動(y向)變形云圖

圖24 隨機振動(y向)應力云圖

表4 驅動器灌封后沖擊與隨機響應變形與應力

仿真結果顯示,灌封后所受的最大應力為16.2 MPa,遠小于材料的屈服強度，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力集中現象，且可靠性更好，抗沖擊、抗振動效果明顯優于前者。

為驗證仿真結果的準確性，根據要求搭建試驗平臺(圖14)，對加工制作的初樣樣機根據隨機、沖擊振動條件進行試驗，試驗后經檢測，外殼無破裂和變形等現象，各緊固件未出現松動，通電后運行正常，且驅動器各項性能穩定且均達標，與仿真結果一致。

3 結 論

本文以某步進電機微型驅動器的結構設計為研究對象。首先，結合ANSYS Workbench仿真平臺對結構設計初步方案進行進行有限元仿真分析，從沖擊、隨機、熱學三方面仿真結果分析，其存在不足之處；其次，在初步結構設計方案的基礎上運用灌封技術對工藝進行優化，經對比分析，后者可有效地改善結構的抗力學性能，傳熱效果較好，可為驅動器提供優質的運行環境；最后，制作樣機并通過試驗驗證仿真分析的有效性與方案的可行性，結果表明ANSYS Workbench仿真具有一定的參考價值，同時，可為今后的微小型驅動器結構設計奠定基礎。