基于Siem ens NX 的電機(jī)定子線圈三維參數(shù)化建模

明 哲

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 132101）

0 引言

Siem en s NX（簡(jiǎn)稱NX）是Siem en s PLM So ftw are公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過(guò)程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段[1]。NX是一個(gè)交互式 CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)，它具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，能夠準(zhǔn)確的反映設(shè)計(jì)意圖，參數(shù)化模型易于修改和重用。

中低壓電機(jī)定子線圈端部為復(fù)雜的空間曲線結(jié)構(gòu)，在工程實(shí)踐過(guò)程中，二維圖紙對(duì)線圈的實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)作用有限，不可避免的出現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝與生產(chǎn)的脫節(jié)現(xiàn)象，造成材料的浪費(fèi)，拖延了批量生產(chǎn)進(jìn)程。引入三維模型，可以直觀的看到線圈裝配效果，檢查與其他零部件的干涉情況，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)功能快速實(shí)現(xiàn)線圈三維建模，對(duì)工藝及生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)快速指導(dǎo)及反饋。隨著高性能計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，仿真分析在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)及重要手段，通過(guò)建立線圈三維參數(shù)化模型，結(jié)合仿真軟件進(jìn)行電磁、結(jié)構(gòu)與冷卻通風(fēng)等的模擬分析，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

電機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的動(dòng)力設(shè)備，研發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)為變型設(shè)計(jì)。定子線圈作為電機(jī)的關(guān)鍵部件，在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常是在成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部參數(shù)的調(diào)整。因此，可以充分利用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品，通過(guò)參數(shù)化建模形成系列線圈模型，縮短設(shè)計(jì)周期。

為了充分發(fā)揮NX軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，在充分分析定子線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定尺寸參數(shù)及幾何約束，利用NX強(qiáng)大的建模工具把設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)化為三維模型。NX提供與M icroso ft Excel間的智能接口，在建模過(guò)程中將其作為高級(jí)表達(dá)式編輯器，并形成線圈系列參數(shù)表。建立線圈參數(shù)化模型的NX交互界面，通過(guò)選擇不同系類尺寸來(lái)自動(dòng)生成定子線圈的三維模型[3]。

1 線圈結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

由于線圈端部的幾何形狀較為復(fù)雜，因此建立線圈參數(shù)化模型也較為困難。模型中涉及很多參數(shù)，為了避免參數(shù)化模型不出現(xiàn)散架現(xiàn)象，需要保證約束的準(zhǔn)確有效，參數(shù)關(guān)系滿足設(shè)計(jì)要求。定子線圈可以分為幾個(gè)組成部分，包括安裝在定子鐵心槽內(nèi)的有效部分（直段），端部弧段，以及連接兩個(gè)弧段部分的鼻部，如圖1所示。

圖1 定子線圈結(jié)構(gòu)圖

線圈的有效部分安裝在定子槽內(nèi)，對(duì)于直槽定子，線圈的有效部分與電機(jī)軸線平行。對(duì)于斜槽定子，線圈有效部分與電機(jī)軸線成一定角度。端部弧段連接線圈的鼻部和有效部分，其軌跡為一空間曲線。

定子線圈是電機(jī)定子的主要部件，線圈的各項(xiàng)參數(shù)主要取決于定子鐵心內(nèi)直徑、鐵心長(zhǎng)度、定子槽形、槽數(shù)、極數(shù)以及線圈節(jié)距等。成型定子線圈由電磁線繞制而成，線圈有多層電磁線，裝入定子的線圈除了具有層間絕緣，還有包裹在線圈外部的對(duì)地絕緣，如圖2所示。線圈三維建模的主要功用是進(jìn)行直觀的裝配檢查以及對(duì)制造成型進(jìn)行指導(dǎo)，因此建模得到的三維模型是包好絕緣的成型線圈。

圖2 定子槽內(nèi)線圈截面圖

通過(guò)對(duì)線圈結(jié)構(gòu)的分析，得到了線圈三維建模的主要參數(shù)，具體如圖3所示。

圖3 線圈建模參數(shù)圖

2 線圈三維參數(shù)化模型的建立

在電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定了定子鐵心的尺寸和槽形，同時(shí)結(jié)合絕緣結(jié)構(gòu)確定了定子槽內(nèi)繞組的排布情況。為了確保定子線圈準(zhǔn)確的裝入定子槽內(nèi)，首先在NX草圖中確定線圈斷面形狀尺寸及其在定子槽內(nèi)的位置，然后拉伸出線圈有效部分；其次建立基準(zhǔn)平面，根據(jù)鼻部轉(zhuǎn)彎半徑及線圈截面尺寸，在平面中建模鼻部軌跡草圖，利用變化掃掠形成線圈鼻部；根據(jù)投影關(guān)系，在平面中畫(huà)出線圈弧段部分草圖，再將其投影到線圈弧段所在的弧面上，得到弧段軌跡，同樣采用變化掃掠形成線圈弧段；最后，利用橋接曲線及縫合命令將各部分順滑的連接起來(lái)，構(gòu)成完整的線圈。最終建立的線圈三維模型、關(guān)鍵草圖及控制軌跡如圖4所示。

圖4 線圈三維模型圖

在模型建立過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置線圈的參數(shù)及表達(dá)式對(duì)模型進(jìn)行控制，并結(jié)合電子表格共同驅(qū)動(dòng)模型。首先確定線圈的關(guān)鍵參數(shù)，并建立相應(yīng)的表達(dá)式。表達(dá)式可以自動(dòng)建立或手工建立，建立草圖過(guò)程中，在給草圖標(biāo)注尺寸時(shí)用參數(shù)間算術(shù)關(guān)系建立表達(dá)式，同時(shí)設(shè)置相切、相等、垂直等約束使得系統(tǒng)自動(dòng)建立相應(yīng)的表達(dá)式，確保整個(gè)模型的約束完整正確。建模過(guò)程中通過(guò)改變參數(shù)值對(duì)模型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。在NX環(huán)境中，定子線圈的控制參數(shù)如圖5所示。

圖5 定子線圈的控制參數(shù)

對(duì)參數(shù)化的三維模型進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)編輯部件族電子表格，將線圈的系列參數(shù)輸入電子表格，保存編輯完成的定子線圈模型，并將其加入到NX的重用庫(kù)中。然后進(jìn)一步編輯KRX文件，使交互界面更加清晰明了。通過(guò)調(diào)用線圈模型，將其最為組件加入到裝配中，從裝配完成的線圈中可以測(cè)量相鄰線圈端部間的距離，為固定線圈部件的設(shè)計(jì)提供參考，裝配完成后的線圈如圖6所示，這里隱藏了其他部件。

圖6 線圈裝配完成圖

通過(guò)三維模型文件的中間格式或者仿真軟件提供的接口，利用已有的三維模型進(jìn)行仿真計(jì)算。電機(jī)中包括很多部件，它們之間存在著尺寸和裝配關(guān)系，為了在設(shè)計(jì)中快速的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更改的傳遞，可以在部件參數(shù)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用NX軟件的WAVE功能，提供設(shè)計(jì)效率。

3 結(jié)論

應(yīng)用NX軟件建立了電機(jī)定子線圈三維參數(shù)化模型，三維模型能夠直觀而準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，協(xié)同其他軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)建立線圈系列，利用清晰的交互界面，自動(dòng)建立定子線圈三維模型，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)問(wèn)題，有效地縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

電機(jī)定子線圈三維參數(shù)化模型的建立方法，可以作為電機(jī)其他零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)的參考。同時(shí)，在此參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上建立仿真模型，對(duì)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行計(jì)算分析，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，極大的提高產(chǎn)品性能。

[1] SIEMENS http://www.p lm.autom ation.siem ens.com/zh_cn/p roducts/nx/.

[2] 黃威.基于UG的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2010.

[3] Miroslav Skalka.Use of the Unigraphics/NX p rogram for stator coil design[J].Engineering MECHANICS, 2008,15(1): 33–41.