基于SolidWorks平台的电机虚拟设计系统的研究

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的性能。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。

二、 构建虚拟设计系统的突破点

企业的信息化建设是一个伴随企业成长的历史过程，不是一朝一夕能够建好的，应该按照“整体规划、分步实施”的原则分阶段建设。三维CAD软件是设计复用、工程分析（CAE）和数控加工（CAM）的基础，应该以SolidWorks软件的普及为突破口，理由如下：

（1） 从产品设计的角度

三维CAD可以非常方便的表达工程师的设计意图，从而提高设计效率；
三维CAD的参数化技术可以提高设计成果的重用；
同事之间对设计意图的交流更通畅；
虚拟样机为创新设计提供了有力的工具；
虚拟样机可以消除设计错误。

（2） 从产品分析的角度

产品建模占有限元分析约60%的工作量，三维CAD能为有限元分析提供所需的产品模型；
三维CAD为产品运动仿真提供产品模型。

（3） 从制造的角度

用三维CAD软件建造的产品模型可以直接输入CAM软件生成数控机床的加工代码；
三维CAD软件能以产品模型为基础自动设计注塑模和压铸模；
用三维CAD软件设计的钣金件能直接展开下料图。

三维CAD软件的实施是一个系统工程，长沙凯士达公司创造了一套将三维CAD软件应用到产品设计中实施哲理，根据这一哲理，确立了培育战略合作伙伴为主线的信息化建设策略。针对企业要解决的问题进行立项，和长沙凯士达公司一起工作，提出解决方案并付诸实施。具体实施策略包括：

（1） 培训先行

信息化应用成功的关键是人，而不是软件，加强培训力度是成功的保证。结合实际情况，主要开展的培训有：

SolidWorks 初级培训
SolidWorks 高级培训
SolidWorks 针对企业产品特点的培训

（2） 学以致用

长沙凯士达公司创造了一套将三维CAD软件应用到产品设计中的新模式——产品参数化设计导航。参照该模式，结合正在开发的产品，把三维CAD的应用和产品开发结合起来，可以在短期完成三维CAD软件的普及应用。

（3） 项目合作

有限元分析的应用有一定难度，应该确定几个急需解决项目，如电机的结构分析、热分析与流体分析，与高校或专业的分析服务公司合作共同完成项目分析。合作中要作到双方参与，重点在培训企业自己的分析队伍。

通过科学的实施手段，企业在短期内普及了三维CAD软件的应用。

三、 构建基于三维CAD软件的产品设计模式

传统的设计流程是基于二维CAD环境建立的，设计流程比较粗放，一般分为“功能设计、概念设计、详细设计” 三个阶段，至于每个阶段的定义和所涉及的工作内容，专家们从不同的角度给出了不同的定义，没有统一的约定。由于三维CAD软件的应用受到计算机硬件的限制，基于三维CAD软件的设计思路与基于二维CAD软件的设计思路有很大的不同，如果按照二维的思维模式和设计流程使用三维CAD软件，不但不能体现出优势，可能反而表现出许多劣势。要充分发挥三维CAD软件的优势，必须探讨一种新的设计流程和设计模式。

1. 产品设计模式

在概念设计阶段要利用SolidWorks的布局草图，首先建立总装配图文件，在装配文件中绘制一个或多个草图，用草图显示每个零部件的位置，用 “块”定义零件的尺寸和形状，拖动零件检查零部件之间的运动关系。概念设计阶段形成的布局草图是进行方案讨论和小组协同设计的基础。使用布局草图设计装配体最大的好处是如果您更改了布局草图，则装配体及其零件都会自动随之更新。您仅需改变一处即可快速地完成修改。

总装配一般采用自下而上的设计方法。限于目前计算机的速度，对大型装配体进行自上而下的设计还不现实。总装配的设计策略是以概念设计阶段完成的布局草图为依据，插入子装配体。

子装配要合理地选择。对于全新的设计建议采用自上而下的设计方法，这样可以实现关联性设计。如果需要引用已有零部件或标准件，则应两种方法结合使用，首先建立布局草图，以布局草图为基础插入模块化的部件和零件，对新设计的零件，在装配环境下确定其形状、大小及在装配体中位置。自上而下设计方法的优点是当设计更改时，相关的零件将根据创建方法而自动更新。

对于厂标件和通用件，最好在零件模式下设计，而不要在装配环境下采用自上而下的设计，以保持零件的通用性。

2. 设计与分析的协同工作

COSMOSWorks是SolidWorks软件的一个插件，与SolidWorks共享统一的数据库，产品模型数据完全一致，操作界面统一，是一个功能完备的结构分析软件。使用COSMOSWorks进行结构分析具有下面三个明显的优势。

对CAD模型进行修改后，分析过程（包括网格划分、载荷定义、边界条件等）不需要重新定义，只需运行“分析”命令，程序就会对修改后的产品模型重新进行分析，方便快捷。

对产品进行多方案比较分析时，可在CAD环境下为每种方案建立一个配置，在分析环境下只需对一个配置进行分析过程的定义，对其它配置进行分析时，只需执行一个“拖、拉”操作，将已经定义的分析过程拷贝到新的配置下即可。可以非常方便地实现多方案的比较设计。

在COSMOSWorks中进行产品尺寸优化设计时，SolidWorks 为每一组尺寸组合都建立对应配置，当用户选择优化结果的最佳值或某一组尺寸组合时，不需要重新建模，只需在SolidWorks中选择对应的配置，就得到了需要的产品模型。

做到设计模型与分析模型的统一，将极大地提高有限元分析的效率。可通过下面三种方法实现设计模型与分析模型的统一。

对所有设计人员进行有限元分析知识的培训，了解有限元分析模型与产品详细模型的区别，要求设计人员在产品设计是考虑有限元分析要求，对需要分析的零部件建立一个用于分析配置——结构配置。

从产品设计流程的入手，建立一个结构设计阶段，强化设计人员对分析的认识。只有经过认可的模型才进入详细设计和工程图绘制，可减少许多无效的劳动。

当需要把CAD模型传递给分析软件时，实体单元建议采用SolidWorks的多实体技术建模，这样在分析软件中可以很方便地对不同的特征设定不同的网格尺寸。壳单元最好采用SolidWorks的曲面造型技术建模，这样能更好保证壳单元与产品模型的统一。

四、 应用效果

采用SolidWorks 软件后，湘潭电机集团有限公司的产品开发水平跃上了一个新台阶。主要表现在三个方面：

实现了无差错设计，SolidWorks的零件轻化和配置设计解决了三维应用中最关键的大装配问题，实现了复杂产品的虚拟设计，通过干涉检查基本上消除了产品设计的低级错误，客户的反馈也越来越好。

提高了设计效率，SolidWorks 的配置设计满足了系列化设计和定制化设计的需求，配合特征库、零件库、部件库的使用，提高了设计的复用性。通过布局草图和派生设计实现了小组协同设计，团队合作更紧密。

提高了设计质量，COSMOSWorks 易学易用，在设计过程中可以方便地进行多方案的比较设计，摆脱了传统的经验设计和类比设计，实现了基于分析的优化设计。