才慶龍

[南陽防爆(蘇州)特種裝備有限公司，江蘇蘇州215211]

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基于VB.net同步電機電磁設(shè)計CAD軟件的開發(fā)與應(yīng)用

才慶龍

[南陽防爆(蘇州)特種裝備有限公司，江蘇蘇州215211]

摘要簡要介紹了基于Visual Basic.NET 2010開發(fā)的凸極同步電機電磁設(shè)計CAD軟件的概況。軟件數(shù)學模型采用電指(DZ)27—63《凸極同步電機電磁計算公式》，并在其基礎(chǔ)上進行了拓展，使軟件具有更為廣泛的適用范圍；詳細介紹了軟件設(shè)計框圖和基本功能；根據(jù)電機計算值與試驗值的對比說明軟件具有一定的準確性。

關(guān)鍵詞同步電機;電磁設(shè)計;電機CAD

0引言

同步電機具有過載能力強、能夠改善電網(wǎng)功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速恒定、用于電動機時轉(zhuǎn)矩受電源電壓影響小等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)制造過程中扮演著重要角色，在電力、石油、化工、煤炭、鋼鐵、水利工程、核能利用、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在同步電機的研發(fā)設(shè)計方面，國內(nèi)許多電機制造商都通過自己的努力或與高校、科研院所等研究機構(gòu)合作開發(fā)了自己的電磁設(shè)計CAD軟件。但是由于這些軟件的開發(fā)時間跨度較長，加之計算機程序開發(fā)語言的技術(shù)發(fā)展較快，導致這些電磁設(shè)計軟件的技術(shù)含量參差不齊，有些甚至是二、三十年前在DOS操作系統(tǒng)下開發(fā)出來的，功能單一，數(shù)據(jù)輸入界面多采用“對號入座”方式，數(shù)據(jù)格式、順序完全由人為控制，容易出錯，不便于操作；在計算結(jié)果方面一般只能完成電磁計算功能，不能實現(xiàn)電機起動、運行過程中的基本特性曲線的輸出。而隨著計算機操作系統(tǒng)的不斷升級換代，新的操作系統(tǒng)對這些軟件已經(jīng)不兼容，在新的操作系統(tǒng)下使用這些電磁計算軟件時需要借助于虛擬系統(tǒng)才能運行，有些設(shè)計人員為了這些電磁計算軟件能夠使用，甚至放棄了操作系統(tǒng)的升級換代，間接制約了企業(yè)信息化的建設(shè)。雖然近幾年來一些電機制造商采用可視化編程語言開發(fā)了新的同步電機電磁設(shè)計CAD軟件，但是出于企業(yè)對自身技術(shù)、商務(wù)等方面的保護，這些方便適用的軟件并不能面向行業(yè)公開。因此，借助于目前先進的計算機軟硬件支撐平臺，利用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言結(jié)合最新的電機技術(shù)研究成果，開發(fā)一套同步電機電磁設(shè)計CAD軟件即符合行業(yè)發(fā)展，也是夯實企業(yè)自身技術(shù)實力，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的有力途徑。

1軟件開發(fā)環(huán)境

自從Microsoft公司推出了基于圖形界面的Windows操作系統(tǒng)之后，越來越多的應(yīng)用程序設(shè)計也趨向于圖形化[1]。這種圖形用戶界面對于使用者來說在視覺上更易于接受，能夠準確、快速地傳遞信息，減輕使用者的認知負擔。本次開發(fā)的同步電機電磁設(shè)計CAD軟件操作界面如圖1所示，其采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言Visual Basic.NET 2010編制，圖形界面直觀明晰、易于理解、可操作性強，只需掌握簡單計算機知識的同步電機設(shè)計人員就能輕易上手使用，降低了對計算機技術(shù)的要求，使得設(shè)計人員能夠集中精力在電機設(shè)計本身。

Visual Basic.NET 2010是基于Microsoft.NET Framework4.0之上的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，用其開發(fā)的軟件借助于Microsoft.NET Framework4.0平臺運行，而Microsoft.NET Framework4.0目前為止支持Windows XP及其后來版本的所有Windows操作系統(tǒng)，因此采用Visual Basic.NET 2010開發(fā)的同步電機電磁設(shè)計CAD軟件對計算機操作系統(tǒng)將具有很好的兼容性。

2數(shù)學模型

數(shù)學模型的建立對計算機輔助設(shè)計來說是必須的，同時，數(shù)學模型的正確性與否都將給設(shè)計結(jié)果帶來決定性的影響[2]。本次開發(fā)的同步電機電磁設(shè)計CAD軟件包括凸極同步發(fā)電機的電磁性能計算和凸極同步電動機的電磁性能計算兩部分，數(shù)學模型采用了我國同步電機行業(yè)通用的原第一機械工業(yè)部電工專業(yè)指導性文件電指(DZ)27—63《凸極同步電機電磁計算公式》，并在其基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)子為實心磁極結(jié)構(gòu)的參數(shù)計算，豐富了軟件的應(yīng)用范圍；對定、轉(zhuǎn)子導磁材料的直流磁化曲線、鐵損曲線根據(jù)現(xiàn)行的標準進行了更新；轉(zhuǎn)子阻尼條的材料在原有紫銅、黃銅、磷青銅、鋁鐵青銅的基礎(chǔ)上增加了4種硅銅合金，同時在程序上設(shè)置了阻尼條材料混合使用的選項，使同步電動機的起動性能調(diào)整更加方便；在勵磁繞組的結(jié)構(gòu)方面增加了絲包銅扁線繞制結(jié)構(gòu)，擴展了整體凸極沖片結(jié)構(gòu)的性能計算功能。

在電指(DZ)27—63《凸極同步電機電磁計算公式》中有很多種曲線和數(shù)據(jù)表格，例如磁極散熱系數(shù)、鐵磁材料的直流磁化曲線以及磁場波形系數(shù)等，在手工計算時設(shè)計人員通過查找坐標的方法來確定具體的數(shù)值，工作量大，準確性低。在計算機輔助設(shè)計過程中，由于設(shè)計過程是借助于計算機運行應(yīng)用程序來完成的，所以必須將這些曲線和數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的形式，以便在使用過程中通過應(yīng)用程序進行調(diào)用和檢索查閱[3]。在電指(DZ)27—63《凸極同步電機電磁計算公式》中，部分數(shù)據(jù)表格和曲線實際上是有計算公式的，只是這些計算公式較繁瑣復(fù)雜，為了便于手工計算才將這些公式轉(zhuǎn)化成了直觀的曲線和數(shù)據(jù)表格。對于這種情況，只要將原始公式編入程序即可。對于那些沒有計算公式的，采用了計算機輔助設(shè)計上常用的插值法，并通過Function過程在程序中予以實現(xiàn)。

3主程序設(shè)計結(jié)構(gòu)及框圖

凸極同步電機計算過程包括基本數(shù)據(jù)及尺寸計算、磁路計算、電抗和時間常數(shù)計算、空載和滿載性能計算、起動性能計算(對于同步電動機)、損耗和效率計算、溫升計算幾部分。主程序設(shè)計框圖如圖2所示。

4軟件的基本功能及特點

電磁計算的主要任務(wù)是在滿足電氣性能的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟合理地設(shè)計出電機鐵心尺寸和繞組數(shù)據(jù)[4]。在電磁計算過程中，為了使電機的各項參數(shù)及性能達到要求，需要對設(shè)計數(shù)據(jù)進行反復(fù)調(diào)整，進行多種方案的比較分析，考慮標準化、系列化、通用化的同時，權(quán)衡性能、制造成本、運行可靠性等多方面因素來確定最終的設(shè)計。在采用電機CAD軟件進行電磁設(shè)計時，需要設(shè)計人員通過對計算結(jié)果的分析，來決定調(diào)整哪些設(shè)計輸入?yún)?shù)最終得到滿意的結(jié)果。因此電機電磁設(shè)計軟件的前后處理功能對于提高設(shè)計人員的工作效率至關(guān)重要。

本次開發(fā)的凸極同步電機電磁設(shè)計CAD軟件在前后處理環(huán)節(jié)有以下功能及特點

(1)從設(shè)計開始的數(shù)據(jù)輸入到最后結(jié)果的顯示輸出、特性曲線的繪制以及對輸入輸出文件的打開、保存等方面全部采用人機對話形式；

(2) 在數(shù)據(jù)輸入圖形界面上按照電機設(shè)計者的工作習慣做了精心的布置。為了獲得清晰的用戶界面，根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點將輸入數(shù)據(jù)分為七部分，分別為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見圖1)，定子鐵心、定子繞組、磁極鐵心、勵磁繞組、阻尼繞組以及其它數(shù)據(jù)，并采用分組控件GroupBox將每一部分作為一組分隔開，使設(shè)計人員在調(diào)整設(shè)計輸入數(shù)據(jù)時可以快速定位數(shù)據(jù)位置；

(3)在容易出現(xiàn)輸入錯誤的環(huán)節(jié)，設(shè)置了相應(yīng)的提示功能。例如軟件在電機鐵心、繞組數(shù)據(jù)的輸入框內(nèi)做了只能輸入數(shù)字和一個小數(shù)點的限制功能，否則鍵盤觸發(fā)時將發(fā)出錯誤提示音，并且輸入失敗；阻尼條數(shù)與阻尼孔數(shù)不一致、極弧系數(shù)取值不正確、最大氣隙與最小氣隙比值超出理論范圍等情況出現(xiàn)時軟件將自動彈出MessageBox提示對話框，提示相應(yīng)的錯誤內(nèi)容；

(4)采用Toollip控件為每一個輸入項做了文字提示。當把鼠標移到輸入圖形界面上相應(yīng)的輸入項位置并懸停時，在鼠標指針右下側(cè)將顯示相應(yīng)的提示信息，幫助設(shè)計人員深入理解相應(yīng)輸入框輸入內(nèi)容的意義；

(5)軟件可生成數(shù)據(jù)輸入文件和計算結(jié)果文件。數(shù)據(jù)輸入文件采用專用擴展名(*.smt),具有唯一性，方便計算過程中方案打開時的識別。輸出文件有電磁計算單和特性曲線兩部分，電磁計算單保存輸出格式為文本文件(*.txt)，特性曲線采用圖片格式(*.bmp)保存輸出，這兩種格式的文件在任何計算機操作系統(tǒng)上都能進行打開、查閱、打印等操作，便于設(shè)計人員之間信息傳遞。圖3、圖4、圖5分別是軟件輸出的凸極同步電動機電磁計算單、凸極同步電動機起動特性曲線和凸極同步發(fā)電機空載特性和短路特性曲線。

5軟件的應(yīng)用實例

軟件開發(fā)完成后，采用該軟件設(shè)計了多個規(guī)格的凸極同步電動機及發(fā)電機，部分規(guī)格電動機性能參數(shù)計算值和試驗值見表1。表1中η、cosφ、Ist、Tst、Tst5、Tmax分別代表效率、功率因數(shù)、起動電流/額定電流、起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩、牽入轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩、失步轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩。從表1的各項參數(shù)上來看，計算值與試驗值之間的誤差較小，軟件具有一定的計算準確性。

表1　部分同步電動機電磁性能參數(shù)計算值與試驗值對比表

6結(jié)語

本次開發(fā)的凸極同步電機電磁設(shè)計CAD軟件在功能上定位為“校核設(shè)計程序”，能夠根據(jù)設(shè)計人員預(yù)先估計好的設(shè)計參數(shù)，快速準確地計算出電機的各項性能指標，起到一個“高速計算尺”的作用。其作為計算機與人之間的橋梁使得計算機所具有的高速、精確的計算能力與人所具有的創(chuàng)造性思維得到了很好的結(jié)合，是企業(yè)提高凸極同步電機產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，降低成本，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計人員工作效率的重要手段。

參考文獻

[1]邱忠潘，宋志軍.Visual Basic 2010中文版從入門到精通[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]楊向宇.電機的計算機輔助設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3]仲梁維，張國全.計算機輔助設(shè)計與制造[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.

[4]黃國治，傅豐禮.中小旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

Development and Application of Electromagnetic Design CAD

Software of Synchronous Motor Based on VB. net

CaiQinglong

[Nanyang Explosion Protection (Suzhou) Special Equipment Co.,Ltd.,Suzhou 215211, China]

AbstractThis paper briefly introduces general situation of electromagnetic design CAD software of salient pole synchronous motor developed on the basis of Visual Basic. NET 2010. The mathematic model of software adopts electricity finger 27-63 in Electromagnetic Calculation Formula for Salient Pole Synchronous Motor and the software is extended on its basis so as to have broader applicable scope; the design diagram and basic function of software are introduced in detail; it is stated that the software has a certain accuracy by comparing with calculation and experiment values.

Key wordsSynchronous motor；electromagnetic design；motor CAD

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：才慶龍男1979年生；畢業(yè)于齊齊哈爾大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計與研發(fā)工作.

中圖分類號：TM301

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0012-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.04