電機CAD技術(shù)：ch1 緒論

1、電機CAD技術(shù)主要內(nèi)容電機結(jié)構(gòu)設(shè)計電機電磁計算基本原理與優(yōu)化設(shè)計電機的MATLAB分析電機電磁場有限元分析(Ansoft、Ansys)電機溫度場有限元分析(Ansoft、 Ansys)主要參考資料李隆年：電機設(shè)計，清華大學(xué)出版社.陳世坤：電機設(shè)計，機械工業(yè)出版社.賈好來：電機CAD技術(shù)，中國電力出版社Jimmie J.Cathey 著，戴文進譯，電機原理與設(shè)計的MATLAB分析，北京：電子工業(yè)出版社，2006年7月洪乃剛編著，電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真，北京：機械工業(yè)出版社，2010年2月第一版姜宏偉等編著.計算機輔助電機設(shè)計. 程福秀等編著.現(xiàn)代電機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社.胡敏強

2、等.電機運行性能數(shù)值計算及其應(yīng)用.趙博.Ansoft 12 在工程電磁場中應(yīng)用.程志光，高橋則雄，博扎德弗甘尼等.電氣工程電磁熱場模擬與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2009年5月第一版 1.1電機制造工業(yè)的近況與發(fā)展趨勢1.1.1 我國電機制造工業(yè)的發(fā)展概況1 產(chǎn)品品種、規(guī)格不斷增加，單機容量不斷增大，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)不斷提高，產(chǎn)品“三化”程度不斷提高2 新材料、新工藝、新技術(shù)的采用3 新型電機原理、電機控制理論、測試技術(shù)、新型發(fā)電方式1.1.2 我國電機工業(yè)與發(fā)達國家 電機工業(yè)的差距品牌方面的差距生產(chǎn)規(guī)模上的差距產(chǎn)品水平的差距 生產(chǎn)效率上的差距設(shè)計水平上的差距1.1.3 電機制造業(yè)的發(fā)展方向大型發(fā)電

3、機的發(fā)展方向可歸結(jié)為：積累經(jīng)驗，完善設(shè)計，提高質(zhì)量，穩(wěn)步發(fā)展中小型異步電機的發(fā)展方向大致可歸納為八個字：“高效、低噪、調(diào)速、智能”微型電機發(fā)展方向可歸結(jié)為：高性能、輕薄短小化、永磁化、無鐵芯化、無刷化、機電一體化、智能化和組合化發(fā)展。1.2電機設(shè)計的基本任務(wù)與一般過程 1.2.1電機設(shè)計的基本任務(wù)根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格(如容量、電壓、轉(zhuǎn)速等)、技術(shù)指標(biāo)(如效率、功率因數(shù)、溫升等)，結(jié)合國家的技術(shù)經(jīng)濟政策和生產(chǎn)工藝的實際情況，運用有關(guān)的理論和計算，或者參照同類型電機的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，預(yù)先確定電機的主要尺寸和參量(如沖片尺寸、鐵心長度及繞組匝數(shù)、線規(guī)等)；經(jīng)過校核計算，使各項性能指標(biāo)滿足國家標(biāo)

4、準(zhǔn)或用戶的特殊要求；并經(jīng)過生產(chǎn)制造和試驗，能使電機產(chǎn)品的實際性能與設(shè)計值基本相符合，使電機產(chǎn)品具有性能好、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、使用維修方便的特點。1.2.2 電機設(shè)計的規(guī)格和技術(shù)要求 設(shè)計電機時通常要給出下列規(guī)格數(shù)據(jù)： 1.額定功率 2.額定電壓 3.額定頻率 4.額定效率 5.額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速 (rpm) 6.相數(shù)及相間連接方法 7.額定功率因數(shù) 8.允許溫升 9.噪聲、振動允許值及其測量方式 10.對機械和結(jié)構(gòu)特性的要求第一類是對電機的一般規(guī)定和技術(shù)要求。第二類是對某一類型電機的性能指標(biāo)的要求。第三類是各種電機的試驗方法。電機設(shè)計時給定的主要技術(shù)要求 額定功率PN(kW) ; 額

5、定電壓(UN); 額定效率(%); 額定頻率(fN); 額定功率因數(shù) cos; 起動電流Ist ； 起動力矩Tst最大力矩Tmax溫升()Y2系列電機增加了噪聲和振動考核指標(biāo)。通常，在溫升計算有困難時，常通過電機的熱負荷AJ(A2/cmmm2)來考核估算三相異步電動機的基本性能指標(biāo)1.3 電機CAD技術(shù)概況及發(fā)展方向 電機CAD技術(shù)主要類別電磁CAD、振動CAD、噪聲CAD、溫升CAD和機械CAD等。電機CAD最早是從電磁CAD開始的。電磁CAD指利用計算機進行電機的電磁設(shè)計，以及電機的電磁場有限元分析；機械CAD主要指的是圖紙的設(shè)計。電機CAD技術(shù)主要內(nèi)容校核設(shè)計綜合設(shè)計優(yōu)化設(shè)計電機電磁場的

6、有限元計算電機設(shè)計自動化電機虛擬開發(fā)平臺校核設(shè)計設(shè)計程序按設(shè)計人員預(yù)先估計好的若干設(shè)計參數(shù)，依一定順序來確定產(chǎn)品運行性能的計算值，如果不符合要求，設(shè)計人員將一些輸入?yún)?shù)加以修改后輸入計算機程序，讓計算機再校核計算電機性能，所以，“校核設(shè)計”程序相當(dāng)于以計算機演算代替手算綜合設(shè)計根據(jù)已知的性能要求，決定電機參數(shù)的程序。“綜合設(shè)計”實質(zhì)上就是不依賴人工而自動地修改方案并重復(fù)校核計算，直至得到符合要求的方案為止。習(xí)慣上稱之為“循環(huán)計算”的電機設(shè)計程序是“綜合設(shè)計”程序中最常見的形式，它能對一些自變量如定子鐵心內(nèi)徑、鐵心長度、槽數(shù)、電流密度，磁通量密度等，按規(guī)定步長進行多重循環(huán)計算，從而算出一大批方案

7、，經(jīng)比較后，由人工選出較優(yōu)方案。優(yōu)化設(shè)計計算機直接找出最優(yōu)設(shè)計方案，而中間方案個數(shù)盡可能少的一種程序。優(yōu)化設(shè)計程序的主要內(nèi)容有兩個，一是將實際的電機設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為抽象的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；另一個是選擇優(yōu)化計算方法，用計算機求解優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。到目前為止，人們利用各種優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，如梯度法，隨機搜索法，各種罰函數(shù)法，遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法及其它數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，對感應(yīng)電動機、同步電機、變壓器及微特電機等進行研究，取得了許多成果，不斷推動著電機優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展。電機電磁場的有限元計算無論是校核設(shè)計、綜合設(shè)計還是優(yōu)化設(shè)計均是采用“路”的方法或其它簡化的電機性能參數(shù)計算方法。磁場計

8、算的有限元法可更精確求解電機參數(shù)和性能，但有限元方法理論復(fù)雜、數(shù)據(jù)前處理過程單調(diào)、浩繁，每次計算都需要占用大量的計算時間。所以，一般在電磁設(shè)計方案設(shè)計過程中采用較簡單的程序計算，至方案初步選定后，再用有限元法計算磁場，得到更精確的參數(shù)和性能，如空載勵磁電流、滿載勵磁電流、額定轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)。目前大多利用通用電磁場軟件求解電機電磁場。電機設(shè)計自動化在電磁計算后，由計算機將定、轉(zhuǎn)子沖片、電機各個零部件、整機均以標(biāo)準(zhǔn)化的零件圖和裝配圖繪出，甚至進一步對電機的通風(fēng)、振動、噪聲做輔助分析，得到電機的整機性能，從而大大提高電機設(shè)計效率。日本東洋電機公司1973年就開發(fā)出了中小型直流電機自動設(shè)計系統(tǒng)，系統(tǒng)以通用

9、計算機和高速自動繪圖機為主體構(gòu)成了輸入技術(shù)數(shù)據(jù)、輸出計算單和主要圖紙的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動完成設(shè)計和繪圖工作，全部工作僅需60分鐘。電機虛擬開發(fā)平臺我國湘潭電機廠研制了基于三維CAD軟件Solidworks的電機虛擬開發(fā)平臺，虛擬設(shè)計平臺的目標(biāo)是在產(chǎn)品設(shè)計方案定型或產(chǎn)品加工前，通過計算機仿真模擬將問題盡量在計算機上解決，實現(xiàn)無差錯設(shè)計，使電機設(shè)計由經(jīng)驗設(shè)計和類比設(shè)計，轉(zhuǎn)化為基于分析的優(yōu)化設(shè)計。虛擬開發(fā)平臺采用三維CAD軟件，設(shè)計產(chǎn)品直接導(dǎo)入CAE軟件進行電磁場分析、結(jié)構(gòu)分析、熱與流體分析；導(dǎo)入CAM軟件生成供數(shù)控機床使用的數(shù)控代碼，為鑄造工藝設(shè)計提供零件的質(zhì)量數(shù)據(jù)。大型電機的機體以焊接件為主，

10、SolidWorks的焊接件設(shè)計模塊能有效地提高焊接件的設(shè)計效率。1.4 電機CAD的軟硬件配置及一般過程1.4.1 準(zhǔn)備工作明確電機CAD的任務(wù)確定硬件配置確定編程語言準(zhǔn)備原始資料要準(zhǔn)備的原始資料有(1)確定操作界面；(2)手工設(shè)計計算時的計算公式整理和分塊歸類；(3)將不適宜計算機的圖解法改造成有關(guān)的數(shù)學(xué)計算公式；(4)電機的規(guī)格、型號及性能指標(biāo)值；(5)需計算機插值計算的常用曲線圖表的數(shù)組處理；(6)隨設(shè)計類型而異的設(shè)計控制數(shù)組，如分析數(shù)組、綜合數(shù)組和優(yōu)化數(shù)組；(7)設(shè)計中所準(zhǔn)備采用的計算方法；(8)需輸出打印輸出結(jié)果量及重要中間量；(9)程序驗證考核題目，即經(jīng)過手工計算的，有中間結(jié)果和最后結(jié)果的電機設(shè)計方案1.4.3 調(diào)試源程序1.4.4 上機正式計算1.4.5 分析計算結(jié)果電機圖片和常見微特電機類型 正在吊裝的由哈爾濱電機廠生產(chǎn)的三峽右岸第二臺水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子。這是世界上最大水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子，直徑為 18.707 米 ，重量為 1790 噸（含吊具為 1980 噸）。 佳木斯電機廠制造的YYAKS系列高壓增安型三相異步電動機 絕緣等級：F級 功率10000kW 東方電機制造的1000MW核電機座運出廠佳木斯電機廠制造的YYAKS系列高壓增安型三相異步電動機 絕緣等級：F級 功率10000kW 佳木斯電機廠生產(chǎn)的防爆電機在爆炸性氣體環(huán)境中，用于拖動風(fēng)機、壓縮機、