浅谈计算机软件在电机结构设计中的应用

关力沈阳远大科技园有限公司



浅谈计算机软件在电机结构设计中的应用

关力
沈阳远大科技园有限公司

摘要：随着现代工业技术的发展及电机使用场所的丰富化，精细化的电机设计迫在眉睫，传统的电机结构设计方法已无法满足需要。除了常规设计方法，设计者需要引入三维建模软件及有限元仿真软件进行设计及优化。本文主要介绍了基于计算机软件进行电机结构设计的方法和思路，指出采用先进的三维设计技术和多学科仿真分析方法能够有效缩短设计周期、减少设计成本，并能保证产品满足使用者的需求。

1　引言

电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电机作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，在现代社会各个行业和部门中占据着越来越重要的地位。

电机设计是一个复杂的过程，因此作为设计者就必须全面地、综合地看待问题，并能因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法。电机的各项性能之间以及技术指标和经济指标之间，经常存在矛盾，因此必须全面照顾。结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求。由于工作原理和结构的复杂性，电机在研发过程中涉及到电磁、强度、刚度、通风散热等多方面的工程问题和物理问题。借助数字化建模及仿真技术，可以克服传统设计方法过于依赖经验和试验、成本高、周期长的不足，全面提升电机的研发设计水平。

2　基于三维建模软件的电机结构设计

2.1设计软件的选择

目前，很多电机生产厂家仍然采用基于二维建模软件的结构设计。这种设计方法的问题在于难以准确地反映电机结构，制图效率低，校核难度大，对于复杂模型中可能出现的结构干涉等问题无能为力。三维设计软件的运用，能够使电机以完全三维模型的形式展现，设计者可以根据该三维模型，对零件或者设计元素的相互运动关系进行分析，这不仅促进了总体设计框架结构的合理把握，而且能够进行优化设计，尽可能地保证产品的质量，同时省时省力。

各种主流三维建模软件均有强大的机械设计功能，可以根据所设计的零件不同，进行不同方法的改进，随时对设计中的零件进行评估分析。通过对其的应用，能够将一些相对复杂的零件进行绘制，而且便于转换。随着软件版本的提高、性能的增强以及功能的完善，基本能满足现代电机设计的要求。设计人员可根据平时的习惯或擅长来选择适合自己使用的三维软件。

2.2三维设计软件的具体应用

在电机设计中运用三维设计软件，首先是进行初步建模，其次是对建好的模型组装成整体，将产品的整体模型进行详细解析，并且通过设计软件特有的功能，对产品设计过程中存在的细节问题进行详细分析，对产品设计的工作流程和设计的合理程度进行检验，并由给出的分析结果，作出相应调整及优化设计，将不正确的地方予以改正，最后设计成型。

其设计过程我们可以分为三步来实现：首先是根据设计目标的各项要求初步建立三维模型；其次是对初步的模型进行模拟组装；最后利用软件对设计目标进行模拟分析及合理性检测，从而达到最终的设计要求。它主要包括机械零件设计、装配设计、设计优化及钣金制作等模块，基本满足各种设计的需求。

2.3三维设计软件在设计中的优势

三维设计软件具有出图准确、设计方便、效率高、功能强大、简单易学等众多优势。设计者可自由选择相应的设计工具和命令，采用最合适的设计方法，直观、方便、高效、快捷地完成设计任务。三维设计软件还包含钣金、焊接、管道设计、模具、数控编程等多个模块，设计工作者通过学习使用，为设计带来方便，提高了工作效率。

3　基于有限元分析软件的结构优化设计

3.1电磁仿真

电磁计算是电机设计的核心，单从磁路方面的计算不能准确地反映电磁机构的场量分布，只有通过对场的分析，才能较准确地计算其特性。电机中电磁系统的边界和内部介质的分界面形状复杂，在求解区域内又包含有铁磁介质，使得恒定磁场微分方程具有非线性性质，因此直接求解是很困难的，只能用数值方法求得近似解。在众多的数值方法中，有限元法以其对场域的灵活适应性及解法上的方便性而得到广泛得应用。

电磁场有限元分析软件基于麦克斯韦微分方程，采用有限元方法，将工程中的电磁场计算转变为矩阵求解，具有操作界面友好，能够进行分布式计算和并行计算，求解准确性高等特点。利用电磁场有限元分析软件，可以分析电机在不同工况下的磁场分布情况，获得各种性能参数曲线与数据，这对电机设计过程极其有利。通过这些直观的有限元分析结果，电机设计人员可以辨别设计方案的优良性，缩短产品开发周期。

3.2结构仿真

在电机设计中，通过应力的计算，可以判断结构的强度是否满足设计要求，通过位移的计算，可以判断结构的变形是否满足设计及使用要求，通过固有频率的计算，可以判断电机在运行过程中是否会出现共振以及在何转速下会发生共振，这些参数的确定对于电机设计是至关重要的。

在电机刚度强度计算分析中，主要包含以下三个部分：

1)电机主轴结构强度和刚度(挠度)分析；

2)电机机座端盖的强度、刚度分析；

3)电机固有频率的分析。

将有限元分析软件应用到电机结构设计中，使对于电机机械的计算结果更准确，直观。对于复杂的电机结构，及多变的载荷形式，计算结果比传统计算手段准确得多。此外，根据特种电机的要求，可以进行深度的分析，如爆炸模拟，冲击模拟等，对于电机的设计起到指导性作用。

3.3通风及散热仿真

电机结构的散热及风扇的冷却性能是至关重要的，温升是衡量电机性能最重要的指标之一。随着电机向高效率小型化发展，电机的发热问题成为单机容量增长的主要障碍，是电机设计需要解决的关键技术问题。良好的电机通风冷却系统应能产生足够的冷却风量、均匀的冷却效果和最小的通风损耗，而且要求结构简易、安全可靠、维护工作量小、检修方便等。除了风路结构要求设计合理以外，需要分析可能导致电机温升高的因素，在电机制造和运行时避免这些不利因素的产生。

在传统设计方法中，依赖经验公式进行计算，温升的计算误差可达20～C，这对于精准设计的电机来说难以接受。应用计算流体力学软件及有限元软件中的热学模块进行流场分析和传热分析，可以得到相对准确的计算结果。同时，流、固、热耦合场的分析，能够使结果更符合实际。基于该计算结果，对于风扇及风路的设计才能更好地满足设计和使用要求。

4　结语

在现今电机设计的过程中，合理运用三维设计软件及有限元仿真软件已经成为现代电机设计发展的关键因素之一，在很大程度上减少了时间、人力的耗费，为设计人员创造新的产品提供了有效的作用。有限元仿真软件不但能够校核结构设计方案，也为产品提供了更多有效的优化方案，这对于工厂或者所设计的产品来说，在其效益上、质量上以及实用性上都有了很大的提升，使得产品整体更为清晰明了地展现在设计人员面前。计算机软件在电机设计中的应用推广，加快了当今电机行业的发展步伐。

参考文献

[1]陈世坤.电机设计(第二版).

[2]章一鸣.计算机辅助设计.北京：北京理工大学出版社

[3]梅顺齐，何雪明.现代设计方法.武汉：华中科技大学出版社.

关键字：电机 结构设计 三维建模 有限元分析