基于VB.net同步电机电磁设计CAD软件的开发与应用

才庆龙

[南阳防爆(苏州)特种装备有限公司，江苏苏州215211]



基于VB.net同步电机电磁设计CAD软件的开发与应用

才庆龙

[南阳防爆(苏州)特种装备有限公司，江苏苏州215211]

摘要简要介绍了基于Visual Basic.NET 2010开发的凸极同步电机电磁设计CAD软件的概况。软件数学模型采用电指(DZ)27—63《凸极同步电机电磁计算公式》，并在其基础上进行了拓展，使软件具有更为广泛的适用范围；详细介绍了软件设计框图和基本功能；根据电机计算值与试验值的对比说明软件具有一定的准确性。

关键词同步电机;电磁设计;电机CAD

0引言

同步电机具有过载能力强、能够改善电网功率因数、转速恒定、用于电动机时转矩受电源电压影响小等优点，在现代工业制造过程中扮演着重要角色，在电力、石油、化工、煤炭、钢铁、水利工程、核能利用、节能环保等领域得到了广泛的应用。在同步电机的研发设计方面，国内许多电机制造商都通过自己的努力或与高校、科研院所等研究机构合作开发了自己的电磁设计CAD软件。但是由于这些软件的开发时间跨度较长，加之计算机程序开发语言的技术发展较快，导致这些电磁设计软件的技术含量参差不齐，有些甚至是二、三十年前在DOS操作系统下开发出来的，功能单一，数据输入界面多采用“对号入座”方式，数据格式、顺序完全由人为控制，容易出错，不便于操作；在计算结果方面一般只能完成电磁计算功能，不能实现电机起动、运行过程中的基本特性曲线的输出。而随着计算机操作系统的不断升级换代，新的操作系统对这些软件已经不兼容，在新的操作系统下使用这些电磁计算软件时需要借助于虚拟系统才能运行，有些设计人员为了这些电磁计算软件能够使用，甚至放弃了操作系统的升级换代，间接制约了企业信息化的建设。虽然近几年来一些电机制造商采用可视化编程语言开发了新的同步电机电磁设计CAD软件，但是出于企业对自身技术、商务等方面的保护，这些方便适用的软件并不能面向行业公开。因此，借助于目前先进的计算机软硬件支撑平台，利用面向对象的可视化编程语言结合最新的电机技术研究成果，开发一套同步电机电磁设计CAD软件即符合行业发展，也是夯实企业自身技术实力，提高产品设计质量的有力途径。

1软件开发环境

自从Microsoft公司推出了基于图形界面的Windows操作系统之后，越来越多的应用程序设计也趋向于图形化[1]。这种图形用户界面对于使用者来说在视觉上更易于接受，能够准确、快速地传递信息，减轻使用者的认知负担。本次开发的同步电机电磁设计CAD软件操作界面如图1所示，其采用面向对象的可视化编程语言Visual Basic.NET 2010编制，图形界面直观明晰、易于理解、可操作性强，只需掌握简单计算机知识的同步电机设计人员就能轻易上手使用，降低了对计算机技术的要求，使得设计人员能够集中精力在电机设计本身。

Visual Basic.NET 2010是基于Microsoft.NET Framework4.0之上的面向对象的编程语言，用其开发的软件借助于Microsoft.NET Framework4.0平台运行，而Microsoft.NET Framework4.0目前为止支持Windows XP及其后来版本的所有Windows操作系统，因此采用Visual Basic.NET 2010开发的同步电机电磁设计CAD软件对计算机操作系统将具有很好的兼容性。

2数学模型

数学模型的建立对计算机辅助设计来说是必须的，同时，数学模型的正确性与否都将给设计结果带来决定性的影响[2]。本次开发的同步电机电磁设计CAD软件包括凸极同步发电机的电磁性能计算和凸极同步电动机的电磁性能计算两部分，数学模型采用了我国同步电机行业通用的原第一机械工业部电工专业指导性文件电指(DZ)27—63《凸极同步电机电磁计算公式》，并在其基础上增加了转子为实心磁极结构的参数计算，丰富了软件的应用范围；对定、转子导磁材料的直流磁化曲线、铁损曲线根据现行的标准进行了更新；转子阻尼条的材料在原有紫铜、黄铜、磷青铜、铝铁青铜的基础上增加了4种硅铜合金，同时在程序上设置了阻尼条材料混合使用的选项，使同步电动机的起动性能调整更加方便；在励磁绕组的结构方面增加了丝包铜扁线绕制结构，扩展了整体凸极冲片结构的性能计算功能。

在电指(DZ)27—63《凸极同步电机电磁计算公式》中有很多种曲线和数据表格，例如磁极散热系数、铁磁材料的直流磁化曲线以及磁场波形系数等，在手工计算时设计人员通过查找坐标的方法来确定具体的数值，工作量大，准确性低。在计算机辅助设计过程中，由于设计过程是借助于计算机运行应用程序来完成的，所以必须将这些曲线和数据表格转换成计算机能够处理的形式，以便在使用过程中通过应用程序进行调用和检索查阅[3]。在电指(DZ)27—63《凸极同步电机电磁计算公式》中，部分数据表格和曲线实际上是有计算公式的，只是这些计算公式较繁琐复杂，为了便于手工计算才将这些公式转化成了直观的曲线和数据表格。对于这种情况，只要将原始公式编入程序即可。对于那些没有计算公式的，采用了计算机辅助设计上常用的插值法，并通过Function过程在程序中予以实现。

3主程序设计结构及框图

凸极同步电机计算过程包括基本数据及尺寸计算、磁路计算、电抗和时间常数计算、空载和满载性能计算、起动性能计算(对于同步电动机)、损耗和效率计算、温升计算几部分。主程序设计框图如图2所示。

4软件的基本功能及特点

电磁计算的主要任务是在满足电气性能的基础上，经济合理地设计出电机铁心尺寸和绕组数据[4]。在电磁计算过程中，为了使电机的各项参数及性能达到要求，需要对设计数据进行反复调整，进行多种方案的比较分析，考虑标准化、系列化、通用化的同时，权衡性能、制造成本、运行可靠性等多方面因素来确定最终的设计。在采用电机CAD软件进行电磁设计时，需要设计人员通过对计算结果的分析，来决定调整哪些设计输入参数最终得到满意的结果。因此电机电磁设计软件的前后处理功能对于提高设计人员的工作效率至关重要。

本次开发的凸极同步电机电磁设计CAD软件在前后处理环节有以下功能及特点

(1)从设计开始的数据输入到最后结果的显示输出、特性曲线的绘制以及对输入输出文件的打开、保存等方面全部采用人机对话形式；

(2) 在数据输入图形界面上按照电机设计者的工作习惯做了精心的布置。为了获得清晰的用户界面，根据电机的结构特点将输入数据分为七部分，分别为基础数据(见图1)，定子铁心、定子绕组、磁极铁心、励磁绕组、阻尼绕组以及其它数据，并采用分组控件GroupBox将每一部分作为一组分隔开，使设计人员在调整设计输入数据时可以快速定位数据位置；

(3)在容易出现输入错误的环节，设置了相应的提示功能。例如软件在电机铁心、绕组数据的输入框内做了只能输入数字和一个小数点的限制功能，否则键盘触发时将发出错误提示音，并且输入失败；阻尼条数与阻尼孔数不一致、极弧系数取值不正确、最大气隙与最小气隙比值超出理论范围等情况出现时软件将自动弹出MessageBox提示对话框，提示相应的错误内容；

(4)采用Toollip控件为每一个输入项做了文字提示。当把鼠标移到输入图形界面上相应的输入项位置并悬停时，在鼠标指针右下侧将显示相应的提示信息，帮助设计人员深入理解相应输入框输入内容的意义；

(5)软件可生成数据输入文件和计算结果文件。数据输入文件采用专用扩展名(*.smt),具有唯一性，方便计算过程中方案打开时的识别。输出文件有电磁计算单和特性曲线两部分，电磁计算单保存输出格式为文本文件(*.txt)，特性曲线采用图片格式(*.bmp)保存输出，这两种格式的文件在任何计算机操作系统上都能进行打开、查阅、打印等操作，便于设计人员之间信息传递。图3、图4、图5分别是软件输出的凸极同步电动机电磁计算单、凸极同步电动机起动特性曲线和凸极同步发电机空载特性和短路特性曲线。

5软件的应用实例

软件开发完成后，采用该软件设计了多个规格的凸极同步电动机及发电机，部分规格电动机性能参数计算值和试验值见表1。表1中η、cosφ、Ist、Tst、Tst5、Tmax分别代表效率、功率因数、起动电流/额定电流、起动转矩/额定转矩、牵入转矩/额定转矩、失步转矩/额定转矩。从表1的各项参数上来看，计算值与试验值之间的误差较小，软件具有一定的计算准确性。

表1　部分同步电动机电磁性能参数计算值与试验值对比表

6结语

本次开发的凸极同步电机电磁设计CAD软件在功能上定位为“校核设计程序”，能够根据设计人员预先估计好的设计参数，快速准确地计算出电机的各项性能指标，起到一个“高速计算尺”的作用。其作为计算机与人之间的桥梁使得计算机所具有的高速、精确的计算能力与人所具有的创造性思维得到了很好的结合，是企业提高凸极同步电机产品设计质量，降低成本，缩短新产品开发周期，提高设计人员工作效率的重要手段。

参考文献

[1]邱忠潘，宋志军.Visual Basic 2010中文版从入门到精通[M].北京：电子工业出版社,2011.

[2]杨向宇.电机的计算机辅助设计[M]. 北京：机械工业出版社，1996.

[3]仲梁维，张国全.计算机辅助设计与制造[M].北京：中国林业出版社，2006.

[4]黄国治，傅丰礼.中小旋转电机设计手册[M].北京：中国电力出版社，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

作者简介：才庆龙男1979年生；毕业于齐齐哈尔大学机械设计制造及其自动化专业，现从事电机设计与研发工作.

中图分类号：TM301

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)01-0012-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.04