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基于SolidWorks平台的电机虚拟设计研究

作者:佚名  信息来源:无忧机械电子  2007-10-11

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湘潭电机集团有限公司一直享有电工产品摇篮的美誉。主要生产大中型直流电机。 在甩图板精神的指导下,上世纪90年代初选择了开目CAD/CAPP系统和AutoCAD软件作为信息化建设的基础平台,并进行了大量的定制开发工作,形成了一套系统的、基于二维CAD平台的设计、制造系统。 二维设计手段导致设计人员大量的时间(60%)花费在简...
湘潭电机集团有限公司一直享有“电工产品摇篮”的美誉。主要为能源、交通、矿山、国防等服务,先后研制开发新产品1000多项,100多种重大新产品填补了国内空白,开创了中国机电产品众多第一。主要生产大中型直流电机。  
在“甩图板”精神的指导下,上世纪90年代初选择了开目CAD/CAPP系统和AutoCAD软件作为信息化建设的基础平台,并进行了大量的定制开发工作,形成了一套系统的、基于二维CAD平台的设计、制造系统。  

二维设计手段导致设计人员大量的时间(60%)花费在简单的重复劳动上(计算各尺寸的变化值),没有更多的时间来考虑设计的创新和改进。二维设计中各零部件之间尺寸不存在关联,在频繁的图纸修改过程中势必会出现前后尺寸不符、相互干涉的问题,如下风罩尺寸修改,而冷却器、基座等关联尺寸没有更改,导致无法装配的问题。

  为了把企业的设计水准从“经验性设计”提升到“科学性设计”,确立了采用虚拟设计技术的战略方向。2001年采购了主流三维CAD软件SolidWorks,实现了无差错设计,并选定 SolidWorks 作为企业三维CAD应用的首选软件,2003年采购了COSMOS系列软件,进行电磁分析、流场分析和结构强度分析,初步构建了电机虚拟设计仿真平台。

  企业虚拟设计平台的构建需要前瞻性的眼光,而普及应用的路则更难,需要一套切实可行的实施策略,将虚拟设计技术用于企业的产品开发,以适应经济全球化的趋势和进入WTO后的面临的严峻挑战。

  一、 电机设计平台的结构

  构建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,要实现这一目标,必须高起点地建设创新设计平台。根据电机产品的设计特点,湘潭电机集团有限公司构建了如下的设计平台。

  1. 基于SolidWorks的三维设计平台

  大型电机产品是典型的定制化生产产品,设计工作量很大,采用二维设计软件差错比较多,尤其是在老图纸修改过程中,错误比较多,采用三维CAD可以大幅度地减少设计错误,提高设计效率。

  三维CAD软件是制造业信息化建设的基础,只有采用三维CAD软件,设计的产品才能直接导入CAE软件进行电磁场分析、结构分析、热与流体分析;才能导入CAM软件生成供数控机床使用的数控代码,才能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,SolidWorks的焊接件设计模块能有效地提高焊接件的设计效率。

  在对电机设计深入了解后,利用SolidWorks的参数化设计特点和设计库功能,可以非常容易地构建一套易于使用的傻瓜型电机改型设计系统。设计人员只要输入相关参数后即可完成电机关键零部件的自动设计,大幅度提高设计效率。

 2. 基于COSMOSWorks结构强度及动态特性分析

  电机设计遇到的主要问题有振动、噪声和温升三个方面,它们的好坏直接决定了电动机性能。国内厂家生产的电机往往 “傻、大、笨、粗”,就是因为国内企业没有使用CAE软件帮助分析电机的模态、振型等参数。要避免振动、噪声,只有采用加大自重的手段。电机是典型的旋转动力机械,始终工作在高速旋转的谐载荷下,必须分析电机的各阶固有频率、模态与振型,分析电机在谐载荷作用下的应力、应变。对结构进行优化设计,通过改变设计参数,在满足应力、应变及模态频率的基础上追求质量最小。

  COSMOSWorks提供了电机结构强度分析的完整解决方案。电机结构要有足够的强度,往往导致结构尺寸较大,体积大,质量大,结构笨重,成本高,通过COSMOSWorks的结构分析可以确定合理的结构尺寸,做到在保证结构稳定安全工作的同时又能减小结构尺寸和重量,从而降低成本。通过结构静力分析可以得到结构在受到各种载荷作用下的应力分布和变形情况,为结构的刚强度设计提供依据。电机里面有旋转的转子,转子在启动、停止、及工作过程中随负载工作情况会不断变化,在这种运动情况下需要进行结构动力学的分析。首先确定结构的固有振动特性,包括转子、定子及电机壳体及整体的固有频率、振型等,避免结构的共振,保证转子运转的平稳,无振动。另外还考虑结构受正弦、随时间任意变化的瞬态载荷作用下响应问题,在一定载荷谱作用下结构的响应。底座、轴、支撑必须精确进行考虑,旋转盘轴的动力学特性分析,以保证转子系统稳定的工作。电机或电磁开关在突然启动、受到冲击或电源干扰等等情况下,往往产生很大的扭矩或其它作用力,严重时会导致某些零部件损毁,这可以用CAE的结构分析来进行计算。

  如果通过试验手段来确定结构的强度是否合理,需要作大量的试验才能够在保证结构合格的情况下减轻构件的重量。利用有限元分析软件,能够进行构件的强度、振动模态、屈曲、动力响应、结构的参数和拓扑优化,一方面检验当前设计中存在的结构强度方面的问题,另一方面,可以通过分析得到当前结构在哪些地方还留有较大裕量,为进行结构的减重提供依据,降低产品成本

  3. 基于COSMOS EMS 的电磁场分析

  传统的电机学和电机设计中,习惯地把电机的分析和计算归结为电路和磁路的计算问题。实际上,电路和磁路中的各个参数是由电机电磁场的场量得来,由于数值计算和仿真技术的不断发展,可以直接使用有限元软件对电机的电磁场进行分析和计算。

  借助于COSMOS EMS 软件,能根据工作条件、几何尺寸、材料特性等实现参数化设计,自动进行槽型设计和线规选择;精确预测分析电机在外部主电路、激励、负载作用下的动态性能,分析电机启动,突加突减负载、断路、短路等条件下电机的运行特性;进行电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损耗计算和热分析,分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应,从而得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力、转矩、电感、储能等参数实现自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。

  电机的分析主要涉及到其在静态、瞬态或谐波载压或载流条件下的磁场分布、漏磁系数、电磁作用力和力矩、启动和停机特性等。利用CAE的电磁分析和场路耦合分析功能,能对这些部件进行完善的分析仿真和优化设计,使其效率和功率更高、体积和重量更小。同时,这些部件的设计还涉及到热和结构的问题,若发热量过高,则直接影响到其性能,如何进行散热设计,这就需要用到CAE的热和流体冷却分析功能。

  电机是一种电磁-机械能量转换装置。为研究旋转电机内能量转换的机制,必须对电机内的磁场分布(尤其是气隙磁场和槽内磁场分布)有清楚的了解。电机的运行性能取决于电机的参数和损耗。为准确地进行电机地磁路、参数、损耗和电磁力等计算,必须知道气隙、铁心、槽内、绕组端部以及某些结构部件附近的电磁场分布。因此研究电机内的电磁场对电机研制至关重要。旋转电机内的电磁场主要有以下几类:1. 气隙磁场;2. 铁心内的磁场;3. 绕组端部的磁场;4. 槽内漏磁场和凸极电机主极的极间漏磁场;5. 实心转子中的电磁场。另外交流电机转子和导体中的涡流和集肤效应也是要重点关注的。

 4. 基于COSMOSFloWorks的热分析与流体分析

  电机的正常运转需要合适的温度条件,受环境条件及电机自身发热及散热的影响,电机局部的温度可能会过高,影响电机的工作效率。因此热设计也是电机设计中需要考虑的一个方面。通过CAE热分析,可以准确计算转子或导体中产生的涡流,感应加热及焦耳热都可以得到。通过将电磁分析中焦耳热读入到CAE热分析中,并相应考虑好对流、传导、辐射等换热条件,可以定量得到电机在各种工作情况下的温度分布。并为电机的热优化设计提供参考。

  采用COSMOSFloWorks可以实现设计与分析的无缝集成。在同一界面下进行协同设计,共享几何模型,结构设计工程师可以快速方便地全面分析系统的散热与电磁兼容性这一对矛盾,并得出符合二者要求的设计方案。

  5. 耦合场分析

  COSMOS软件具有优秀的耦合分析功能,可以将电磁、结构、热设计综合起来考虑,并在此基础上进行优化。通过电磁分析得到焦耳热,然后可以将其加到热分析中得到结构的温度分布,同时在电磁分析得到的力力矩也可以传递给结构静力或动力分析,确定结构的静动力特性。另外还可以做电-热耦合,即稳态电流引起的焦耳热。结构振动引起的噪声问题(属于流固耦合分析),场路耦合分析等等。为产品设计的各种要求提供全面的解决方案。

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