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1、电机电机CAD技术技术主要内容主要内容v电机结构设计v电机电磁计算基本原理与优化设计电机电磁计算基本原理与优化设计v电机的电机的MATLABMATLAB分析分析v电机电磁场有限元分析电机电磁场有限元分析(Ansoft(Ansoft、Ansys)Ansys)v电机温度场有限元分析电机温度场有限元分析(Ansoft(Ansoft、 Ansys)Ansys)主要参考资料主要参考资料vv李隆年：电机设计，清华大学出版社李隆年：电机设计，清华大学出版社李隆年：电机设计，清华大学出版社李隆年：电机设计，清华大学出版社. .vv陈世坤：电机设计，机械工业出版社陈世坤：电机设计，机械工业出版社陈世坤：电机设计
2、，机械工业出版社陈世坤：电机设计，机械工业出版社. .vv贾好来：电机贾好来：电机贾好来：电机贾好来：电机CADCAD技术，中国电力出版社技术，中国电力出版社技术，中国电力出版社技术，中国电力出版社vvJimmie J.Cathey Jimmie J.Cathey 著，戴文进译，电机原理与设计的著，戴文进译，电机原理与设计的著，戴文进译，电机原理与设计的著，戴文进译，电机原理与设计的MATLABMATLAB分析，北京：电子工业出版社，分析，北京：电子工业出版社，分析，北京：电子工业出版社，分析，北京：电子工业出版社，20062006年年年年7 7月月月月vv洪乃刚编著，电力电子、电机控制系统的
3、建模和仿真，洪乃刚编著，电力电子、电机控制系统的建模和仿真，洪乃刚编著，电力电子、电机控制系统的建模和仿真，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，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，20102010年年年年2 2月第一版月第一版月第一版月第一版vv姜宏伟等编著姜宏伟等编著姜宏伟等编著姜宏伟等编著. .计算机辅助电机设计计算机辅助电机设计计算机辅助电机设计计算机辅助电机设计. . vv程福秀等编著程福秀等编著程福秀等编著程福秀等编著. .现代电机设计现代电机设计现代电机设计现代电机设计. .北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社北京
4、：机械工业出版社北京：机械工业出版社. .vv胡敏强等胡敏强等胡敏强等胡敏强等. .电机运行性能数值计算及其应用电机运行性能数值计算及其应用电机运行性能数值计算及其应用电机运行性能数值计算及其应用. .vv赵博赵博赵博赵博.Ansoft 12 .Ansoft 12 在工程电磁场中应用在工程电磁场中应用在工程电磁场中应用在工程电磁场中应用. .vv程志光，高桥则雄，博扎德程志光，高桥则雄，博扎德程志光，高桥则雄，博扎德程志光，高桥则雄，博扎德 弗甘尼等弗甘尼等弗甘尼等弗甘尼等. .电气工程电磁热电气工程电磁热电气工程电磁热电气工程电磁热场模拟与应用场模拟与应用场模拟与应用场模拟与应用. .北京：
5、科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，20092009年年年年5 5月第一版月第一版月第一版月第一版 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 产产品品品品种种、规规格格不不断断增增加加，单单机机容容量量不不断断增增大大，技技术术经经济济指指标标不不断断提提高高，产产品品“三化三化”程度不断提高程度不断提高2 新材料、新工艺、新技术的采用新材料、新工艺、新技术的采用3 新新型型电电机机原原理理、电电机机控控制制理理论论、测测试试技技术、新型发电方式术、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vv品牌方面的差距品
6、牌方面的差距vv生产规模上的差距生产规模上的差距vv产品水平的差距产品水平的差距 vv生产效率上的差距生产效率上的差距vv设计水平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vv大大型型发发电电机机的的发发展展方方向向可可归归结结为为：积积累累经经验，完善设计，提高质量，稳步发展验，完善设计，提高质量，稳步发展vv中中小小型型异异步步电电机机的的发发展展方方向向大大致致可可归归纳纳为为八个字：八个字：“高效、低噪、调速、智能高效、低噪、调速、智能”vv微微型型电电机机发发展展方方向向可可归归结结为为：高高性性能能、轻轻薄薄短短小小化化、永永磁磁化化、无无铁铁芯芯化化、无无刷刷化化、
7、机电一体化、智能化和组合化发展。机电一体化、智能化和组合化发展。1.21.2电机设计的基本任务与一般过程电机设计的基本任务与一般过程 1.2.11.2.1电机设计的基本任务电机设计的基本任务vv根根据据用用户户提提出出的的产产品品规规格格( (如如容容量量、电电压压、转转速速等等) )、技技术术指指标标( (如如效效率率、功功率率因因数数、温温升升等等) )，结结合合国国家家的的技技术术经经济济政政策策和和生生产产工工艺艺的的实实际际情情况况，运运用用有有关关的的理理论论和和计计算算，或或者者参参照照同同类类型型电电机机的的数数据据，根根据据设设计计经经验验，预预先先确确定定电电机机的的主主要
8、要尺尺寸寸和和参参量量( (如如冲冲片片尺尺寸寸、铁铁心心长长度度及及绕绕组组匝匝数数、线线规规等等) )；经经过过校校核核计计算算，使使各各项项性性能能指指标标满满足足国国家家标标准准或或用用户户的的特特殊殊要要求求；并并经经过过生生产产制制造造和和试试验验，能能使使电电机机产产品品的的实实际际性性能能与与设设计计值值基基本本相相符符合合，使使电电机机产产品品具具有有性性能能好好、体体积积小小、结结构构简简单单、运运行行可靠、使用维修方便的特点。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：设计电机时通常要给出下列规
9、格数据：设计电机时通常要给出下列规格数据：设计电机时通常要给出下列规格数据： 1. 1.额定功率额定功率额定功率额定功率 2. 2.额定电压额定电压额定电压额定电压 3. 3.额定频率额定频率额定频率额定频率 4. 4.额定效率额定效率额定效率额定效率 5. 5.额定转速或同步转速额定转速或同步转速额定转速或同步转速额定转速或同步转速 (rpm)(rpm) 6. 6.相数及相间连接方法相数及相间连接方法相数及相间连接方法相数及相间连接方法 7. 7.额定功率因数额定功率因数额定功率因数额定功率因数 8. 8.允许温升允许温升允许温升允许温升 9. 9.噪声、振动允许值及其测量方式噪声、振动允许
10、值及其测量方式噪声、振动允许值及其测量方式噪声、振动允许值及其测量方式 10. 10.对机械和结构特性的要求对机械和结构特性的要求对机械和结构特性的要求对机械和结构特性的要求vv第一类是对电机的一般规定和技术要求。第一类是对电机的一般规定和技术要求。vv第二类是对某一类型电机的性能指标的要求。第二类是对某一类型电机的性能指标的要求。vv第三类是各种电机的试验方法。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电机设计时给定的主要技术要求 额定功率额定功率PN(kW) ; 额定电压额定电压(UN); 额定效率额定效率(%); 额定频率额定频率(fN); 额定功率因数额定功率因数 cos
11、; vv起动电流起动电流Ist ； 起动力矩起动力矩Tstvv最大力矩最大力矩Tmaxvv温升温升()vvY2系列电机增加了噪声和振动考核指标。通常，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)来考核估算来考核估算三相异步电动机的基本性能指标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 电机电机CAD技术主要类别技术主要类别vv电电磁磁CAD、振振动动CAD、噪噪声声CAD、温温升升CAD和机械和机械CAD等。等。vv电机电机CAD最早是从电磁最早是从电磁CAD开始的。电开始的。
12、电磁磁CAD指利用计算机进行电机的电磁设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；机计，以及电机的电磁场有限元分析；机械械CAD主要指的是图纸的设计。主要指的是图纸的设计。电机CAD技术主要内容vv校核设计校核设计vv综合设计综合设计vv优化设计优化设计vv电机电磁场的有限元计算电机电磁场的有限元计算vv电机设计自动化电机设计自动化vv电机虚拟开发平台电机虚拟开发平台校核设计vv设设计计程程序序按按设设计计人人员员预预先先估估计计好好的的若若干干设设计计参参数数，依依一一定定顺顺序序来来确确定定产产品品运运行行性性能能的的计计算算值值，如如果果不不符符合合要要求求，设设计计人
13、人员员将将一一些些输输入入参参数数加加以以修修改改后后输输入入计计算算机机程程序序，让让计计算算机机再再校校核核计计算算电电机机性性能能，所所以以，“校校核核设设计计”程序相当于以计算机演算代替手算程序相当于以计算机演算代替手算综合设计vv根据已知的性能要求，决定电机参数的程序。根据已知的性能要求，决定电机参数的程序。vv“综综合合设设计计”实实质质上上就就是是不不依依赖赖人人工工而而自自动动地地修修改改方方案案并并重重复复校校核核计计算算，直直至至得得到到符符合合要要求求的的方方案案为为止止。习习惯惯上上称称之之为为“循循环环计计算算”的的电电机机设设计计程程序序是是“综综合合设设计计”程程
14、序序中中最最常常见见的的形形式式，它它能能对对一一些些自自变变量量如如定定子子铁铁心心内内径径、铁铁心心长长度度、槽槽数数、电电流流密密度度，磁磁通通量量密密度度等等，按按规规定定步步长长进进行行多多重重循循环环计计算算，从从而而算算出出一一大批方案，经比较后，由人工选出较优方案。大批方案，经比较后，由人工选出较优方案。优化设计vv计算机直接找出最优设计方案，而中间方案个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。数尽可能少的一种程序。vv优优化化设设计计程程序序的的主主要要内内容容有有两两个个，一一是是将将实实际际的的电电机机设设计计问问题题转转化化为为抽抽象象的的优优化化
15、数数学学模模型型；另另一一个个是是选选择择优优化化计计算算方方法法，用用计计算算机机求求解解优优化化数数学学模模型型，得得出出最最优优的的设设计计方方案案。到到目目前前为为止止，人人们们利利用用各各种种优优化化数数学学方方法法，如如梯梯度度法法，随随机机搜搜索索法法，各各种种罚罚函函数数法法，遗遗传传算算法法、模模拟拟退退火火算算法法、禁禁忌忌搜搜索索算算法法及及其其它它数数学学规规划划方方法法，对对感感应应电电动动机机、同同步步电电机机、变变压压器器及及微微特特电电机机等等进进行行研研究究，取取得得了了许许多多成成果果，不不断断推推动动着着电电机优化设计的发展机优化设计的发展。电机电磁场的有
16、限元计算vv无论是校核设计、综合设计还是优化设计均是无论是校核设计、综合设计还是优化设计均是采用采用“路路”的方法或其它简化的电机性能参数计的方法或其它简化的电机性能参数计算方法。磁场计算的有限元法可更精确求解电算方法。磁场计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
17、场，得到更精步选定后，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。磁场软件求解电机电磁场。电机设计自动化vv在在电电磁磁计计算算后后，由由计计算算机机将将定定、转转子子冲冲片片、电电机机各各个个零零部部件件、整整机机均均以以标标准准化化的的零零件件图图和和装装配配图图绘绘出出，甚甚至至进进一一步步对对电电机机的的通通风风、振振动动、噪噪声声做做辅辅助助分分析析，得得到到电电机机的的整整机机性性能能，从从而而大大大大提提高高电电
18、机机设设计计效效率率。日日本本东东洋洋电电机机公公司司1973年年就就开开发发出出了了中中小小型型直直流流电电机机自自动动设设计计系系统统，系系统统以以通通用用计计算算机机和和高高速速自自动动绘绘图图机机为为主主体体构构成成了了输输入入技技术术数数据据、输输出出计计算算单单和和主主要要图图纸纸的的完完整整系系统统。该该系系统统自自动动完完成成设设计计和和绘绘图图工工作，全部工作仅需作，全部工作仅需60分钟。分钟。电机虚拟开发平台vv我我国国湘湘潭潭电电机机厂厂研研制制了了基基于于三三维维CAD软软件件Solidworks的的电电机机虚虚拟拟开开发发平平台台，虚虚拟拟设设计计平平台台的的目目标标
19、是是在在产产品品设设计计方方案案定定型型或或产产品品加加工工前前，通通过过计计算算机机仿仿真真模模拟拟将将问问题题尽尽量量在在计计算算机机上上解解决决，实实现现无无差差错错设设计计，使使电电机机设设计计由由经经验验设设计计和和类类比比设设计计，转转化化为为基基于于分分析析的的优优化化设设计计。虚虚拟拟开开发发平平台台采采用用三三维维CAD软软件件，设设计计产产品品直直接接导导入入CAE软软件件进进行行电电磁磁场场分分析析、结结构构分分析析、热热与与流流体体分分析析；导导入入CAM软软件件生生成成供供数数控控机机床床使使用用的的数数控控代代码码，为为铸铸造造工工艺艺设设计计提提供供零零件件的的质
20、质量量数数据据。大大型型电电机机的的机机体体以以焊焊接接件件为为主主，SolidWorks的的焊焊接接件件设设计计模模块块能能有有效效地地提提高高焊焊接件的设计效率。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vv明确电机明确电机CAD的任务的任务vv确定硬件配置确定硬件配置vv确定编程语言确定编程语言vv准备原始资料准备原始资料要准备的原始资料有(1)(1)确定操作界面；确定操作界面；确定操作界面；确定操作界面；(2)(2)手工设计计算时的计算公式整理和分块归类；手工设计计算时的计算公式整理和分块归类；手工设计计算时的计算公式整理和分块归类；手工设计计算时的计
21、算公式整理和分块归类；(3)(3)将不适宜计算机的图解法改造成有关的数学计算公式；将不适宜计算机的图解法改造成有关的数学计算公式；将不适宜计算机的图解法改造成有关的数学计算公式；将不适宜计算机的图解法改造成有关的数学计算公式；(4)(4)电机的规格、型号及性能指标值；电机的规格、型号及性能指标值；电机的规格、型号及性能指标值；电机的规格、型号及性能指标值；(5)(5)需计算机插值计算的常用曲线图表的数组处理；需计算机插值计算的常用曲线图表的数组处理；需计算机插值计算的常用曲线图表的数组处理；需计算机插值计算的常用曲线图表的数组处理；(6)(6)随设计类型而异的设计控制数组，如分析数组、综合数随
22、设计类型而异的设计控制数组，如分析数组、综合数随设计类型而异的设计控制数组，如分析数组、综合数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；组和优化数组；组和优化数组；组和优化数组；(7)(7)设计中所准备采用的计算方法；设计中所准备采用的计算方法；设计中所准备采用的计算方法；设计中所准备采用的计算方法；(8)(8)需输出打印输出结果量及重要中间量；需输出打印输出结果量及重要中间量；需输出打印输出结果量及重要中间量；需输出打印输出结果量及重要中间量；(9)(9)程序验证考核题目，即经过手工计算的，有中间结果和程序验证考核题目，即经过手工计算的，有中间结果和程序验证考核题目，即经
23、过手工计算的，有中间结果和程序验证考核题目，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最后结果的电机设计方案最后结果的电机设计方案最后结果的电机设计方案1.4.3 1.4.3 调试源程序调试源程序1.4.4 1.4.4 上机正式计算上机正式计算1.4.5 1.4.5 分析计算结果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正在吊装的由哈尔滨电机厂生产的三峡右岸第二正在吊装的由哈尔滨电机厂生产的三峡右岸第二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台水轮发电机组的转子。这是世界上最大水轮发台水轮发电机组的转
24、子。这是世界上最大水轮发台水轮发电机组的转子。这是世界上最大水轮发电机转子，直径为电机转子，直径为电机转子，直径为电机转子，直径为 18.707 18.707 18.707 18.707 米米米米 ，重量为，重量为，重量为，重量为 1790 1790 1790 1790 吨（含吊具为吨（含吊具为吨（含吊具为吨（含吊具为 1980 1980 1980 1980 吨）。吨）。吨）。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 东方电机制造的东方电机制造的东方电机制造的东方电机制造的1000MW1000MW核电机座运出厂核电机座运出厂核电机座运
25、出厂核电机座运出厂佳木斯电机厂制造的佳木斯电机厂制造的佳木斯电机厂制造的佳木斯电机厂制造的YYAKSYYAKSYYAKSYYAKS系列高压增安型三相异步电动机系列高压增安型三相异步电动机系列高压增安型三相异步电动机系列高压增安型三相异步电动机 绝缘等级：绝缘等级：绝缘等级：绝缘等级：F F F F级级级级 功率功率功率功率10000kW 10000kW 10000kW 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、水泵及其它通用机械设备。广在爆炸性气体环境中，用于拖动风机、压缩机、水泵及其它通用机械设备。广在爆炸性气体环境中，用于拖动风机、压缩机、水泵及其
26、它通用机械设备。广在爆炸性气体环境中，用于拖动风机、压缩机、水泵及其它通用机械设备。广泛应用于石油、化工、钢铁、煤炭等行业。泛应用于石油、化工、钢铁、煤炭等行业。泛应用于石油、化工、钢铁、煤炭等行业。泛应用于石油、化工、钢铁、煤炭等行业。 600MW600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW300MW汽轮发电机汽轮发电机常见微特电机传统传统传统传统微特电机微特电机微特电机微特电机1 1 小小小小功率感应电机功率感应电机功率感应电机功率感应电机2 2 永磁永磁永磁永磁电机电机电机电机3 3 低速低速低速低速电机电机电机电机机电一体化微特电机机电一体化微特电机机电一体化微特电机机电一体化微特电机1 1 变频变频变频变频感应电机感应电机感应电机感应电机2 2 无无无无刷直流电机刷直流电机刷直流电机刷直流电机3 3 步进电机步进电机步进电机步进电机4 4 开关开关开关开关磁阻电机磁阻电机磁阻电机磁阻电机5 5 低速低速低速低速大转矩调速电机大转矩调速电机大转矩调速电机大转矩调速电机新原理微特电机新原理微特电机1 1 1 1 超声波电机超声波电机超声波电机超声波电机2 2 2 2 超微静电电机超微静电电机超微静电电机超微静电电机3 3 3 3 鞭毛电机鞭毛电机鞭毛电机鞭毛电机THE END
