电机设计国内外差距

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文 贺志学永济电机研究所近年我国的风力发电机行业发展迅猛，但是与欧美仍然存在着很大的差距，主要体现在设计手段、工艺工装、质检手段以及管理理念上。目前国内的设计手段的虚拟装配工作已经基本实现，但虚拟分析以及虚拟试验与国外差距较大，在此以虚拟分析与虚拟试验为例进行说明。电机的虚拟设计与虚拟试验主要包括电磁、结构以及流体三个方面。

的电机，比如异步电机、同步电机等，而对于永磁电机等新型电机的磁路法计算方法不很成熟，用磁路法的设计方案与实际样机差别比较大；由于磁路算法采用的是平均值，所以有些部位平均值在允许范围之内，但是无法确定局部值有没有超出饱和极限值，由此造成的误差同样影响着电机性能。

随着计算机技术的发展，基于有限元算法的电机设计软件已经在电机设计中得到广泛推广。有限元软件能够得到电机气隙磁密波形，感应电压波形等参数，并且能够与控制软件进行联合设计，得到更准确的电机参数，并且可以直观地反映电机内部磁密的饱和情况，如图1所示。目前国外知名的电机企业，主要通过有限元软件设计电机，而国内的电机企业主要依靠磁路法进行设计，对于有限元软件在电机设计中的应用不够重视，设计手段、设计观念较为落后。在现行磁路法设计的基础上，结合先进的有限元设计软件工具，将成为今后电机行业的主要设计手段之一，是电机设计理念的发展方向。

1. 电磁设计

早期的电机电磁方案设计是通过等效磁路的算法对电机进行电磁方案设计，并且总结出了较为完善的计算方法，但是这种算法是在磁路没有饱和的前提下进行的，如果磁路过于饱和，设计出的电磁方案误差比较大，并且这些算法主要是针对经典

2. 结构设计

随着电机设计向更大功率的发展，电机结构零部件的强度、刚度、模态、疲劳等特性，显得越来越重要。传统的产品设计流程往往都是先由客户提出产品相关的规格及要求，然后由设计人员进行概念设计，接着由工业设计人员对产品进行外观设计及功能规划，最后再由工程人员对产品进行详细设计，设计方案确定后，便进行开模等投产前的工作。这种模式导致各项产品测试皆在设计流程后期

图1：有限元软件在电机电磁分析中的应用

进行，因此，一旦发生问题，除了必须付出设计成

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本，相关前置作业也需改动，而且发现问题越晚，重新设计所付出的成本将会越高，为了避免此情形的发生，预期评估产品的特质便成为设计人员的重要课题。

计算力学、计算数学、工程管理学的运用，特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步，CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。在产品开发过程中引入CAE技术后，在产品尚未批量生产之前，不仅能协助工程人员进行产品设计，更可以在争取订单时，作为一种强有力的工具协助营销人员及管理阶层与客户沟通，在批量生产阶段，可以协助工程技术人员在重新更改时，找出问题发生的起点，在批量生产以后，相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。

通过CAE结构设计，可以在前期模拟电机结构零部件的多种特性，如机座的刚度、刚度分析、机座模态分析、转子弯曲强度、刚度校核、转子扭转强度和刚度分析、转子模态及临界转速分析等，通过这些特性的模拟结果，可以从微观上评定电机机座结构设计是否合理，有效的评定电机的噪声以及振动水平。如图2所示。

产品试制或老产品改型设计中，妥善处理电机稳态温升和其他各项指标的关系，常常是整个开发工作成败的关键。以往估算电机温升的方法有二热源热路法和等效网络法，前者虽然能够求解绕组的平均温度，但电机内部的温度分布和各部分散热情况的差异无法反应，对于热负荷较高、铁心较长的电机，其误差就有可能很大；后者虽然能够反映出电机内部局部温升，但是对于结构尺寸较大、结构复杂的电机来说，将电机离散成多个温度单元所需要的单元数太多，其计算需要耗费大量的时间和精力，而且不能准确反映出电机的最高温度点分布。

随着电机设计容量的增加，二热源热路法和等效网络法的弊端越来越突出，寻求新的温升计算方法刻不容缓。借助计算机强大的运算能力，CFD模拟仿真技术成为分析电机内部流场和温度场的重要手段。其基本思路是将计算区域划分为一系列离散单元，在每一个单元上对控制方程进行离散及差分运算，通过控制域内的迭代求解，可以得到流场内各个单元上的物理参量（如速度、压力、温度等）的分布。CFD仿真技术可以模拟电机的真实流体结构，准确描述流动与传热等物理问题，将损耗计算与流场和温度场计算紧密联系起来，并能够将计算结果用直观的方法表达出来，如图3所示。

由以上分析可以看出，有限元分析可以起到虚拟分析及部分虚拟试验的效果，能够在设计初级阶段发现设计过程中出现的各种问题以及预测电机性能，以提高设计效率，提高电机设计水平。

3. 通风散热设计

在电机的各项技术指标中，电机稳态温升是关系到电机使用寿命和运行可靠性的重要因素。在新

图2：结构分析图3：流体分析

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