冰箱压缩机的多物理场分析丨技术分享

最近，家电企业正在努力提高空调系统、冰箱等产品的能源使用效率。

为提高能源效率，高性能无刷直流调速电机在旋转压缩机中得到了广泛的应用。但在高速运行条件下，无刷直流电机比恒速电机压缩机产生更大的振动。

本文采用结构和电磁耦合的方法对压缩机的噪声和振动进行了仿真。

 

分析模型

• 采用双转子压缩机进行仿真。电机为6极、9槽，压缩机冷却能力为20000BTU/hr。
• 压缩机噪声源有电磁噪声、结构噪声和空气噪声，但没有考虑空气噪声。

 

分析案例

• 为提高仿真精度，进行了电磁与结构单向耦合仿真。
• 利用电机定子上的磁力作为激振力，进行振动分析。
• 在acoustic声学分析模块中，计算声音从振动表面传播。

 

边界条件

• 载波频率: 8 [kHz]
• 角速度: 58 [RPS]
• 无退磁
• 无温度相关属性材料

 

模拟案例

1. Centrifugal Motion离心运动

1. Eccentric Motion偏心运动

1. Precession Motion旋进运动

 

电磁结果推论

• 旋进运动结果较好地反映了压缩机的振动特性。定子力均匀分布在每个齿上，结果显示了压缩机的运行速度和电机极点数。因此，将旋进运动结果应用于结构仿真。

离心运动：

偏心运动：

旋转进动：

模态分析

• 模态试验结果与仿真结果存在差异。
• 将模态试验结果与仿真结果相关联，对简化件的弹性模量和密度进行了微调。
  • 接触条件, 焊点初始应变
  • 材料属性
    • 橡胶、线圈、定子、室外管

 

谐波分析

• 根据电机仿真结果，将定子力分为Fx和Fy，并以切向力和径向力的形式传递给定子齿。
• 通过转子动力学分析计算出轴承反力，并将其用于激励。

 

 

 

谐波分析结果

• OVERALL dB(A) : 406(Hz)~2030(Hz)
• Experiment     : 53.9
• Simulation      : 55.4
• Relative Error : 2.7(%)

 

Acoustic 声学分析

• 创建一个半球形声场
• 噪音信号的测量使用4个麦克风设置，每90度设置在距离压缩机表面900mm处。
• 假设压缩机表面的振动对周围空气产生激励作用。

 

 

声学分析结果

• 从仿真结果来看，仿真总体值为49.5dB(A)，测量值为56.1dB(A)
• 此外，还将其他运行速度应用到仿真中，验证了压缩机仿真的准确性。
• 工作频率分别为72 rps、86 rps和94 rps，与测量结果进行比较。仿真结果如表所示，最大误差为11.9%。

 

 

径向轴承仿真背景

• 轴通过径向轴承支撑
• 压力载荷施加在凸轮上，然后将轴中心移到一个新的位置。
• 必须在润滑油中产生足够的压力，以防止轴和壳体表面之间的接触磨损。

径向轴承仿真目标

• 求轴中心在每个压力载荷下的运动位置(轨道)。

 

• 静态求解器中使用FLUID218 单元格
• 轴承为带沟槽的开端口式
• 压力负荷(Fx, Fy)采用人工计算。
• 利用DX算法直接优化轴心运动位置。
• 输入参数:轴中心UX, UY
• 输出参数: 单元格FxR, FyR 
• Object: Fx=FxR and Fy=FyR

 

优化进程

 

 

 

审核编辑：符乾江