淺談計算機軟件在電機結構設計中的應用

關力沈陽遠大科技園有限公司

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淺談計算機軟件在電機結構設計中的應用

關力
沈陽遠大科技園有限公司

摘要：隨著現代工業技術的發展及電機使用場所的豐富化，精細化的電機設計迫在眉睫，傳統的電機結構設計方法已無法滿足需要。除了常規設計方法，設計者需要引入三維建模軟件及有限元仿真軟件進行設計及優化。本文主要介紹了基于計算機軟件進行電機結構設計的方法和思路，指出采用先進的三維設計技術和多學科仿真分析方法能夠有效縮短設計周期、減少設計成本，并能保證產品滿足使用者的需求。

1　引言

電機是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。電機作為電能生產、傳輸、使用和電能特性變換的核心裝備，在現代社會各個行業和部門中占據著越來越重要的地位。

電機設計是一個復雜的過程，因此作為設計者就必須全面地、綜合地看待問題，并能因地制宜，針對具體情況采取不同的解決方法。電機的各項性能之間以及技術指標和經濟指標之間，經常存在矛盾，因此必須全面照顧。結構設計的任務是確定電機的機械結構、零部件尺寸、加工要求與材料的規格及性能要求。由于工作原理和結構的復雜性，電機在研發過程中涉及到電磁、強度、剛度、通風散熱等多方面的工程問題和物理問題。借助數字化建模及仿真技術，可以克服傳統設計方法過于依賴經驗和試驗、成本高、周期長的不足，全面提升電機的研發設計水平。

2　基于三維建模軟件的電機結構設計

2.1設計軟件的選擇

目前，很多電機生產廠家仍然采用基于二維建模軟件的結構設計。這種設計方法的問題在于難以準確地反映電機結構，制圖效率低，校核難度大，對于復雜模型中可能出現的結構干涉等問題無能為力。三維設計軟件的運用，能夠使電機以完全三維模型的形式展現，設計者可以根據該三維模型，對零件或者設計元素的相互運動關系進行分析，這不僅促進了總體設計框架結構的合理把握，而且能夠進行優化設計，盡可能地保證產品的質量，同時省時省力。

各種主流三維建模軟件均有強大的機械設計功能，可以根據所設計的零件不同，進行不同方法的改進，隨時對設計中的零件進行評估分析。通過對其的應用，能夠將一些相對復雜的零件進行繪制，而且便于轉換。隨著軟件版本的提高、性能的增強以及功能的完善，基本能滿足現代電機設計的要求。設計人員可根據平時的習慣或擅長來選擇適合自己使用的三維軟件。

2.2三維設計軟件的具體應用

在電機設計中運用三維設計軟件，首先是進行初步建模，其次是對建好的模型組裝成整體，將產品的整體模型進行詳細解析，并且通過設計軟件特有的功能，對產品設計過程中存在的細節問題進行詳細分析，對產品設計的工作流程和設計的合理程度進行檢驗，并由給出的分析結果，作出相應調整及優化設計，將不正確的地方予以改正，最后設計成型。

其設計過程我們可以分為三步來實現：首先是根據設計目標的各項要求初步建立三維模型；其次是對初步的模型進行模擬組裝；最后利用軟件對設計目標進行模擬分析及合理性檢測，從而達到最終的設計要求。它主要包括機械零件設計、裝配設計、設計優化及鈑金制作等模塊，基本滿足各種設計的需求。

2.3三維設計軟件在設計中的優勢

三維設計軟件具有出圖準確、設計方便、效率高、功能強大、簡單易學等眾多優勢。設計者可自由選擇相應的設計工具和命令，采用最合適的設計方法，直觀、方便、高效、快捷地完成設計任務。三維設計軟件還包含鈑金、焊接、管道設計、模具、數控編程等多個模塊，設計工作者通過學習使用，為設計帶來方便，提高了工作效率。

3　基于有限元分析軟件的結構優化設計

3.1電磁仿真

電磁計算是電機設計的核心，單從磁路方面的計算不能準確地反映電磁機構的場量分布，只有通過對場的分析，才能較準確地計算其特性。電機中電磁系統的邊界和內部介質的分界面形狀復雜，在求解區域內又包含有鐵磁介質，使得恒定磁場微分方程具有非線性性質，因此直接求解是很困難的，只能用數值方法求得近似解。在眾多的數值方法中，有限元法以其對場域的靈活適應性及解法上的方便性而得到廣泛得應用。

電磁場有限元分析軟件基于麥克斯韋微分方程，采用有限元方法，將工程中的電磁場計算轉變為矩陣求解，具有操作界面友好，能夠進行分布式計算和并行計算，求解準確性高等特點。利用電磁場有限元分析軟件，可以分析電機在不同工況下的磁場分布情況，獲得各種性能參數曲線與數據，這對電機設計過程極其有利。通過這些直觀的有限元分析結果，電機設計人員可以辨別設計方案的優良性，縮短產品開發周期。

3.2結構仿真

在電機設計中，通過應力的計算，可以判斷結構的強度是否滿足設計要求，通過位移的計算，可以判斷結構的變形是否滿足設計及使用要求，通過固有頻率的計算，可以判斷電機在運行過程中是否會出現共振以及在何轉速下會發生共振，這些參數的確定對于電機設計是至關重要的。

在電機剛度強度計算分析中，主要包含以下三個部分：

1)電機主軸結構強度和剛度(撓度)分析；

2)電機機座端蓋的強度、剛度分析；

3)電機固有頻率的分析。

將有限元分析軟件應用到電機結構設計中，使對于電機機械的計算結果更準確，直觀。對于復雜的電機結構，及多變的載荷形式，計算結果比傳統計算手段準確得多。此外，根據特種電機的要求，可以進行深度的分析，如爆炸模擬，沖擊模擬等，對于電機的設計起到指導性作用。

3.3通風及散熱仿真

電機結構的散熱及風扇的冷卻性能是至關重要的，溫升是衡量電機性能最重要的指標之一。隨著電機向高效率小型化發展，電機的發熱問題成為單機容量增長的主要障礙，是電機設計需要解決的關鍵技術問題。良好的電機通風冷卻系統應能產生足夠的冷卻風量、均勻的冷卻效果和最小的通風損耗，而且要求結構簡易、安全可靠、維護工作量小、檢修方便等。除了風路結構要求設計合理以外，需要分析可能導致電機溫升高的因素，在電機制造和運行時避免這些不利因素的產生。

在傳統設計方法中，依賴經驗公式進行計算，溫升的計算誤差可達20～C，這對于精準設計的電機來說難以接受。應用計算流體力學軟件及有限元軟件中的熱學模塊進行流場分析和傳熱分析，可以得到相對準確的計算結果。同時，流、固、熱耦合場的分析，能夠使結果更符合實際。基于該計算結果，對于風扇及風路的設計才能更好地滿足設計和使用要求。

4　結語

在現今電機設計的過程中，合理運用三維設計軟件及有限元仿真軟件已經成為現代電機設計發展的關鍵因素之一，在很大程度上減少了時間、人力的耗費，為設計人員創造新的產品提供了有效的作用。有限元仿真軟件不但能夠校核結構設計方案，也為產品提供了更多有效的優化方案，這對于工廠或者所設計的產品來說，在其效益上、質量上以及實用性上都有了很大的提升，使得產品整體更為清晰明了地展現在設計人員面前。計算機軟件在電機設計中的應用推廣，加快了當今電機行業的發展步伐。

參考文獻

[1]陳世坤.電機設計(第二版).

[2]章一鳴.計算機輔助設計.北京：北京理工大學出版社

[3]梅順齊，何雪明.現代設計方法.武漢：華中科技大學出版社.

關鍵字：電機 結構設計 三維建模 有限元分析