电机CAD技术：ch1 绪论

1、电机CAD技术主要内容电机结构设计电机电磁计算基本原理与优化设计电机的MATLAB分析电机电磁场有限元分析(Ansoft、Ansys)电机温度场有限元分析(Ansoft、 Ansys)主要参考资料李隆年：电机设计，清华大学出版社.陈世坤：电机设计，机械工业出版社.贾好来：电机CAD技术，中国电力出版社Jimmie J.Cathey 著，戴文进译，电机原理与设计的MATLAB分析，北京：电子工业出版社，2006年7月洪乃刚编著，电力电子、电机控制系统的建模和仿真，北京：机械工业出版社，2010年2月第一版姜宏伟等编著.计算机辅助电机设计. 程福秀等编著.现代电机设计.北京：机械工业出版社.胡敏强

2、等.电机运行性能数值计算及其应用.赵博.Ansoft 12 在工程电磁场中应用.程志光，高桥则雄，博扎德弗甘尼等.电气工程电磁热场模拟与应用.北京：科学出版社，2009年5月第一版 1.1电机制造工业的近况与发展趋势1.1.1 我国电机制造工业的发展概况1 产品品种、规格不断增加，单机容量不断增大，技术经济指标不断提高，产品“三化”程度不断提高2 新材料、新工艺、新技术的采用3 新型电机原理、电机控制理论、测试技术、新型发电方式1.1.2 我国电机工业与发达国家 电机工业的差距品牌方面的差距生产规模上的差距产品水平的差距 生产效率上的差距设计水平上的差距1.1.3 电机制造业的发展方向大型发电

3、机的发展方向可归结为：积累经验，完善设计，提高质量，稳步发展中小型异步电机的发展方向大致可归纳为八个字：“高效、低噪、调速、智能”微型电机发展方向可归结为：高性能、轻薄短小化、永磁化、无铁芯化、无刷化、机电一体化、智能化和组合化发展。1.2电机设计的基本任务与一般过程 1.2.1电机设计的基本任务根据用户提出的产品规格(如容量、电压、转速等)、技术指标(如效率、功率因数、温升等)，结合国家的技术经济政策和生产工艺的实际情况，运用有关的理论和计算，或者参照同类型电机的数据，根据设计经验，预先确定电机的主要尺寸和参量(如冲片尺寸、铁心长度及绕组匝数、线规等)；经过校核计算，使各项性能指标满足国家标

4、准或用户的特殊要求；并经过生产制造和试验，能使电机产品的实际性能与设计值基本相符合，使电机产品具有性能好、体积小、结构简单、运行可靠、使用维修方便的特点。1.2.2 电机设计的规格和技术要求 设计电机时通常要给出下列规格数据： 1.额定功率 2.额定电压 3.额定频率 4.额定效率 5.额定转速或同步转速 (rpm) 6.相数及相间连接方法 7.额定功率因数 8.允许温升 9.噪声、振动允许值及其测量方式 10.对机械和结构特性的要求第一类是对电机的一般规定和技术要求。第二类是对某一类型电机的性能指标的要求。第三类是各种电机的试验方法。电机设计时给定的主要技术要求 额定功率PN(kW) ; 额

5、定电压(UN); 额定效率(%); 额定频率(fN); 额定功率因数 cos; 起动电流Ist ； 起动力矩Tst最大力矩Tmax温升()Y2系列电机增加了噪声和振动考核指标。通常，在温升计算有困难时，常通过电机的热负荷AJ(A2/cmmm2)来考核估算三相异步电动机的基本性能指标1.3 电机CAD技术概况及发展方向 电机CAD技术主要类别电磁CAD、振动CAD、噪声CAD、温升CAD和机械CAD等。电机CAD最早是从电磁CAD开始的。电磁CAD指利用计算机进行电机的电磁设计，以及电机的电磁场有限元分析；机械CAD主要指的是图纸的设计。电机CAD技术主要内容校核设计综合设计优化设计电机电磁场的

6、有限元计算电机设计自动化电机虚拟开发平台校核设计设计程序按设计人员预先估计好的若干设计参数，依一定顺序来确定产品运行性能的计算值，如果不符合要求，设计人员将一些输入参数加以修改后输入计算机程序，让计算机再校核计算电机性能，所以，“校核设计”程序相当于以计算机演算代替手算综合设计根据已知的性能要求，决定电机参数的程序。“综合设计”实质上就是不依赖人工而自动地修改方案并重复校核计算，直至得到符合要求的方案为止。习惯上称之为“循环计算”的电机设计程序是“综合设计”程序中最常见的形式，它能对一些自变量如定子铁心内径、铁心长度、槽数、电流密度，磁通量密度等，按规定步长进行多重循环计算，从而算出一大批方案

7、，经比较后，由人工选出较优方案。优化设计计算机直接找出最优设计方案，而中间方案个数尽可能少的一种程序。优化设计程序的主要内容有两个，一是将实际的电机设计问题转化为抽象的优化数学模型；另一个是选择优化计算方法，用计算机求解优化数学模型，得出最优的设计方案。到目前为止，人们利用各种优化数学方法，如梯度法，随机搜索法，各种罚函数法，遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法及其它数学规划方法，对感应电动机、同步电机、变压器及微特电机等进行研究，取得了许多成果，不断推动着电机优化设计的发展。电机电磁场的有限元计算无论是校核设计、综合设计还是优化设计均是采用“路”的方法或其它简化的电机性能参数计算方法。磁场计

8、算的有限元法可更精确求解电机参数和性能，但有限元方法理论复杂、数据前处理过程单调、浩繁，每次计算都需要占用大量的计算时间。所以，一般在电磁设计方案设计过程中采用较简单的程序计算，至方案初步选定后，再用有限元法计算磁场，得到更精确的参数和性能，如空载励磁电流、满载励磁电流、额定转矩等指标。目前大多利用通用电磁场软件求解电机电磁场。电机设计自动化在电磁计算后，由计算机将定、转子冲片、电机各个零部件、整机均以标准化的零件图和装配图绘出，甚至进一步对电机的通风、振动、噪声做辅助分析，得到电机的整机性能，从而大大提高电机设计效率。日本东洋电机公司1973年就开发出了中小型直流电机自动设计系统，系统以通用

9、计算机和高速自动绘图机为主体构成了输入技术数据、输出计算单和主要图纸的完整系统。该系统自动完成设计和绘图工作，全部工作仅需60分钟。电机虚拟开发平台我国湘潭电机厂研制了基于三维CAD软件Solidworks的电机虚拟开发平台，虚拟设计平台的目标是在产品设计方案定型或产品加工前，通过计算机仿真模拟将问题尽量在计算机上解决，实现无差错设计，使电机设计由经验设计和类比设计，转化为基于分析的优化设计。虚拟开发平台采用三维CAD软件，设计产品直接导入CAE软件进行电磁场分析、结构分析、热与流体分析；导入CAM软件生成供数控机床使用的数控代码，为铸造工艺设计提供零件的质量数据。大型电机的机体以焊接件为主，

10、SolidWorks的焊接件设计模块能有效地提高焊接件的设计效率。1.4 电机CAD的软硬件配置及一般过程1.4.1 准备工作明确电机CAD的任务确定硬件配置确定编程语言准备原始资料要准备的原始资料有(1)确定操作界面；(2)手工设计计算时的计算公式整理和分块归类；(3)将不适宜计算机的图解法改造成有关的数学计算公式；(4)电机的规格、型号及性能指标值；(5)需计算机插值计算的常用曲线图表的数组处理；(6)随设计类型而异的设计控制数组，如分析数组、综合数组和优化数组；(7)设计中所准备采用的计算方法；(8)需输出打印输出结果量及重要中间量；(9)程序验证考核题目，即经过手工计算的，有中间结果和最后结果的电机设计方案1.4.3 调试源程序1.4.4 上机正式计算1.4.5 分析计算结果电机图片和常见微特电机类型 正在吊装的由哈尔滨电机厂生产的三峡右岸第二台水轮发电机组的转子。这是世界上最大水轮发电机转子，直径为 18.707 米 ，重量为 1790 吨（含吊具为 1980 吨）。 佳木斯电机厂制造的YYAKS系列高压增安型三相异步电动机 绝缘等级：F级 功率10000kW 东方电机制造的1000MW核电机座运出厂佳木斯电机厂制造的YYAKS系列高压增安型三相异步电动机 绝缘等级：F级 功率10000kW 佳木斯电机厂生产的防爆电机在爆炸性气体环境中，用于拖动风机、压缩机、