淺談?dòng)?jì)算機(jī)軟件在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

關(guān)力

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及電機(jī)使用場(chǎng)所的豐富化，精細(xì)化的電機(jī)設(shè)計(jì)迫在眉睫，傳統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足需要。除了常規(guī)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)者需要引入三維建模軟件及有限元仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。本文主要介紹了基于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和思路，指出采用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)和多學(xué)科仿真分析方法能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期、減少設(shè)計(jì)成本，并能保證產(chǎn)品滿足使用者的需求。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模；有限元分析

1 引言

電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。電機(jī)作為電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的核心裝備，在現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)行業(yè)和部門(mén)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因此作為設(shè)計(jì)者就必須全面地、綜合地看待問(wèn)題，并能因地制宜，針對(duì)具體情況采取不同的解決方法。電機(jī)的各項(xiàng)性能之間以及技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間，經(jīng)常存在矛盾，因此必須全面照顧。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格及性能要求。由于工作原理和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電機(jī)在研發(fā)過(guò)程中涉及到電磁、強(qiáng)度、剛度、通風(fēng)散熱等多方面的工程問(wèn)題和物理問(wèn)題。借助數(shù)字化建模及仿真技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)、成本高、周期長(zhǎng)的不足，全面提升電機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)水平。

2 基于三維建模軟件的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)軟件的選擇

目前，很多電機(jī)生產(chǎn)廠家仍然采用基于二維建模軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法的問(wèn)題在于難以準(zhǔn)確地反映電機(jī)結(jié)構(gòu)，制圖效率低，校核難度大，對(duì)于復(fù)雜模型中可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)干涉等問(wèn)題無(wú)能為力。三維設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用，能夠使電機(jī)以完全三維模型的形式展現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)該三維模型，對(duì)零件或者設(shè)計(jì)元素的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析，這不僅促進(jìn)了總體設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的合理把握，而且能夠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)省時(shí)省力。

各種主流三維建模軟件均有強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)功能，可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的零件不同，進(jìn)行不同方法的改進(jìn)，隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)中的零件進(jìn)行評(píng)估分析。通過(guò)對(duì)其的應(yīng)用，能夠?qū)⒁恍┫鄬?duì)復(fù)雜的零件進(jìn)行繪制，而且便于轉(zhuǎn)換。隨著軟件版本的提高、性能的增強(qiáng)以及功能的完善，基本能滿足現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)平時(shí)的習(xí)慣或擅長(zhǎng)來(lái)選擇適合自己使用的三維軟件。

2.2 三維設(shè)計(jì)軟件的具體應(yīng)用

在電機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件，首先是進(jìn)行初步建模，其次是對(duì)建好的模型組裝成整體，將產(chǎn)品的整體模型進(jìn)行詳細(xì)解析，并且通過(guò)設(shè)計(jì)軟件特有的功能，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作流程和設(shè)計(jì)的合理程度進(jìn)行檢驗(yàn)，并由給出的分析結(jié)果，作出相應(yīng)調(diào)整及優(yōu)化設(shè)計(jì)，將不正確的地方予以改正，最后設(shè)計(jì)成型。

其設(shè)計(jì)過(guò)程我們可以分為三步來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的各項(xiàng)要求初步建立三維模型；其次是對(duì)初步的模型進(jìn)行模擬組裝；最后利用軟件對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行模擬分析及合理性檢測(cè)，從而達(dá)到最終的設(shè)計(jì)要求。它主要包括機(jī)械零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化及鈑金制作等模塊，基本滿足各種設(shè)計(jì)的需求。

2.3 三維設(shè)計(jì)軟件在設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

三維設(shè)計(jì)軟件具有出圖準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)方便、效率高、功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)等眾多優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)者可自由選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具和命令，采用最合適的設(shè)計(jì)方法，直觀、方便、高效、快捷地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。三維設(shè)計(jì)軟件還包含鈑金、焊接、管道設(shè)計(jì)、模具、數(shù)控編程等多個(gè)模塊，設(shè)計(jì)工作者通過(guò)學(xué)習(xí)使用，為設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，提高了工作效率。

3 基于有限元分析軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 電磁仿真

電磁計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的核心，單從磁路方面的計(jì)算不能準(zhǔn)確地反映電磁機(jī)構(gòu)的場(chǎng)量分布，只有通過(guò)對(duì)場(chǎng)的分析，才能較準(zhǔn)確地計(jì)算其特性。電機(jī)中電磁系統(tǒng)的邊界和內(nèi)部介質(zhì)的分界面形狀復(fù)雜，在求解區(qū)域內(nèi)又包含有鐵磁介質(zhì)，使得恒定磁場(chǎng)微分方程具有非線性性質(zhì)，因此直接求解是很困難的，只能用數(shù)值方法求得近似解。在眾多的數(shù)值方法中，有限元法以其對(duì)場(chǎng)域的靈活適應(yīng)性及解法上的方便性而得到廣泛得應(yīng)用。

電磁場(chǎng)有限元分析軟件基于麥克斯韋微分方程，采用有限元方法，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃嚽蠼?，具有操作界面友好，能夠進(jìn)行分布式計(jì)算和并行計(jì)算，求解準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件，可以分析電機(jī)在不同工況下的磁場(chǎng)分布情況，獲得各種性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程極其有利。通過(guò)這些直觀的有限元分析結(jié)果，電機(jī)設(shè)計(jì)人員可以辨別設(shè)計(jì)方案的優(yōu)良性，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

3.2 結(jié)構(gòu)仿真

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，通過(guò)應(yīng)力的計(jì)算，可以判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)位移的計(jì)算，可以判斷結(jié)構(gòu)的變形是否滿足設(shè)計(jì)及使用要求，通過(guò)固有頻率的計(jì)算，可以判斷電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)共振以及在何轉(zhuǎn)速下會(huì)發(fā)生共振，這些參數(shù)的確定對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

在電機(jī)剛度強(qiáng)度計(jì)算分析中，主要包含以下三個(gè)部分：

1）電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度（撓度）分析；

2）電機(jī)機(jī)座端蓋的強(qiáng)度、剛度分析；

3）電機(jī)固有頻率的分析。

將有限元分析軟件應(yīng)用到電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使對(duì)于電機(jī)機(jī)械的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，直觀。對(duì)于復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)，及多變的載荷形式，計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)計(jì)算手段準(zhǔn)確得多。此外，根據(jù)特種電機(jī)的要求，可以進(jìn)行深度的分析，如爆炸模擬，沖擊模擬等，對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性作用。

3.3 通風(fēng)及散熱仿真

電機(jī)結(jié)構(gòu)的散熱及風(fēng)扇的冷卻性能是至關(guān)重要的，溫升是衡量電機(jī)性能最重要的指標(biāo)之一。隨著電機(jī)向高效率小型化發(fā)展，電機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題成為單機(jī)容量增長(zhǎng)的主要障礙，是電機(jī)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。良好的電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生足夠的冷卻風(fēng)量、均勻的冷卻效果和最小的通風(fēng)損耗，而且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、安全可靠、維護(hù)工作量小、檢修方便等。除了風(fēng)路結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)合理以外，需要分析可能導(dǎo)致電機(jī)溫升高的因素，在電機(jī)制造和運(yùn)行時(shí)避免這些不利因素的產(chǎn)生。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，依賴經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，溫升的計(jì)算誤差可達(dá)20℃，這對(duì)于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電機(jī)來(lái)說(shuō)難以接受。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件及有限元軟件中的熱學(xué)模塊進(jìn)行流場(chǎng)分析和傳熱分析，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，流、固、熱耦合場(chǎng)的分析，能夠使結(jié)果更符合實(shí)際。基于該計(jì)算結(jié)果，對(duì)于風(fēng)扇及風(fēng)路的設(shè)計(jì)才能更好地滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)今電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，合理運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件及有限元仿真軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，在很大程度上減少了時(shí)間、人力的耗費(fèi)，為設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造新的產(chǎn)品提供了有效的作用。有限元仿真軟件不但能夠校核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，也為產(chǎn)品提供了更多有效的優(yōu)化方案，這對(duì)于工廠或者所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，在其效益上、質(zhì)量上以及實(shí)用性上都有了很大的提升，使得產(chǎn)品整體更為清晰明了地展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前。計(jì)算機(jī)軟件在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用推廣，加快了當(dāng)今電機(jī)行業(yè)的發(fā)展步伐。

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