基于Siem ens NX 的電機定子線圈三維參數化建模

明 哲

（吉林農業科技學院，吉林 132101）

0 引言

Siem en s NX（簡稱NX）是Siem en s PLM So ftw are公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段[1]。NX是一個交互式 CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構，它具有強大的參數化設計功能，能夠準確的反映設計意圖，參數化模型易于修改和重用。

中低壓電機定子線圈端部為復雜的空間曲線結構，在工程實踐過程中，二維圖紙對線圈的實際生產指導作用有限，不可避免的出現設計、工藝與生產的脫節現象，造成材料的浪費，拖延了批量生產進程。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，結合參數化設計功能快速實現線圈三維建模，對工藝及生產實現快速指導及反饋。隨著高性能計算機的快速發展，仿真分析在電機設計中的應用已經成為一種趨勢及重要手段，通過建立線圈三維參數化模型，結合仿真軟件進行電磁、結構與冷卻通風等的模擬分析，在仿真結果基礎上進行多方案優化設計[2]。

電機作為一種廣泛應用的動力設備，研發及生產企業已經積累了豐富的經驗，多數產品設計為變型設計。定子線圈作為電機的關鍵部件，在電機設計過程中經常是在成熟產品的基礎上進行局部參數的調整。因此，可以充分利用企業已有的成熟產品，通過參數化建模形成系列線圈模型，縮短設計周期。

為了充分發揮NX軟件的設計優勢，在充分分析定子線圈結構的基礎上，確定尺寸參數及幾何約束，利用NX強大的建模工具把設計意圖轉化為三維模型。NX提供與M icroso ft Excel間的智能接口，在建模過程中將其作為高級表達式編輯器，并形成線圈系列參數表。建立線圈參數化模型的NX交互界面，通過選擇不同系類尺寸來自動生成定子線圈的三維模型[3]。

1 線圈結構及關鍵參數

由于線圈端部的幾何形狀較為復雜，因此建立線圈參數化模型也較為困難。模型中涉及很多參數，為了避免參數化模型不出現散架現象，需要保證約束的準確有效，參數關系滿足設計要求。定子線圈可以分為幾個組成部分，包括安裝在定子鐵心槽內的有效部分（直段），端部弧段，以及連接兩個弧段部分的鼻部，如圖1所示。

圖1 定子線圈結構圖

線圈的有效部分安裝在定子槽內，對于直槽定子，線圈的有效部分與電機軸線平行。對于斜槽定子，線圈有效部分與電機軸線成一定角度。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。

定子線圈是電機定子的主要部件，線圈的各項參數主要取決于定子鐵心內直徑、鐵心長度、定子槽形、槽數、極數以及線圈節距等。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地絕緣，如圖2所示。線圈三維建模的主要功用是進行直觀的裝配檢查以及對制造成型進行指導，因此建模得到的三維模型是包好絕緣的成型線圈。

圖2 定子槽內線圈截面圖

通過對線圈結構的分析，得到了線圈三維建模的主要參數，具體如圖3所示。

圖3 線圈建模參數圖

2 線圈三維參數化模型的建立

在電機設計的過程中，根據設計要求確定了定子鐵心的尺寸和槽形，同時結合絕緣結構確定了定子槽內繞組的排布情況。為了確保定子線圈準確的裝入定子槽內，首先在NX草圖中確定線圈斷面形狀尺寸及其在定子槽內的位置，然后拉伸出線圈有效部分；其次建立基準平面，根據鼻部轉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；根據投影關系，在平面中畫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，構成完整的線圈。最終建立的線圈三維模型、關鍵草圖及控制軌跡如圖4所示。

圖4 線圈三維模型圖

在模型建立過程中，通過設置線圈的參數及表達式對模型進行控制，并結合電子表格共同驅動模型。首先確定線圈的關鍵參數，并建立相應的表達式。表達式可以自動建立或手工建立，建立草圖過程中，在給草圖標注尺寸時用參數間算術關系建立表達式，同時設置相切、相等、垂直等約束使得系統自動建立相應的表達式，確保整個模型的約束完整正確。建模過程中通過改變參數值對模型驅動進行實時檢驗。在NX環境中，定子線圈的控制參數如圖5所示。

圖5 定子線圈的控制參數

對參數化的三維模型進行進一步處理，通過編輯部件族電子表格，將線圈的系列參數輸入電子表格，保存編輯完成的定子線圈模型，并將其加入到NX的重用庫中。然后進一步編輯KRX文件，使交互界面更加清晰明了。通過調用線圈模型，將其最為組件加入到裝配中，從裝配完成的線圈中可以測量相鄰線圈端部間的距離，為固定線圈部件的設計提供參考，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行仿真計算。電機中包括很多部件，它們之間存在著尺寸和裝配關系，為了在設計中快速的實現設計更改的傳遞，可以在部件參數化的基礎上進一步利用NX軟件的WAVE功能，提供設計效率。

3 結論

應用NX軟件建立了電機定子線圈三維參數化模型，三維模型能夠直觀而準確地表達設計意圖，協同其他軟件進行仿真計算。通過建立線圈系列，利用清晰的交互界面，自動建立定子線圈三維模型，及時的發現并糾正設計問題，有效地縮短了開發周期，提高了企業的市場競爭力。

電機定子線圈三維參數化模型的建立方法，可以作為電機其他零部件參數化設計的參考。同時，在此參數化模型的基礎上建立仿真模型，對電磁場、溫度場等進行計算分析，為產品的優化設計提供參考，極大的提高產品性能。

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

[2] 黃威.基于UG的汽輪發電機轉子線圈參數化設計軟件系統研制[D].哈爾濱工業大學.2010.

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