电机设计及其CAD 第11章课件.pptx
School of Electrical Engineering,1,2023年1月16日星期一,11-1 概述,第十一章 电子计算机在电机设计中的应用,利用计算机完成电机设计的部分或全部工作，50年代开始,一、分类,按类型分类：(1)设计分析：按设计人员给定的若干设计变量，按一定步骤计算性能，相当于性能核算，是设计综合和设计优化的基础。,School of Electrical Engineering,2,2023年1月16日星期一,(2)设计综合：根据性能要求，确定设计变量，自动调整设计，得到可行设计方案，缩短设计时间，但这样的程序开发困难(专家系统),电磁设计计算电机稳、暂态热计算电机瞬态过程计算 电机电磁场计算大型零部件机械计算,(3)设计优化：对设计问题提出明确的数学模型（优化目标、优化变量），然后利用数学寻优方法，自动得到较优或最优方案。(局部优化，全局优化),按计算内容分类：,School of Electrical Engineering,3,2023年1月16日星期一,二、计算机辅助设计的步骤,选定目标数学描述 数值处理 编制程序 整理输入数据 程序计算 输出结果。,优化设计：明确优化目标选定优化方法,综合设计：明确以哪些参数为主要变量，其变化范围，性能约束,共同问题：曲线、表格的数学处理 迭代运算：如感应电机的满载电压系数，饱和系数，效率，起动电流等,School of Electrical Engineering,4,2023年1月16日星期一,112 曲线图表的数学处理之一：插值法,处理方法：y=f(x)，离散点，相邻两点间按选定的函数关系处理,一、线性插值：曲线用多个直线段代替，段数越多，精度越高,手工计算中图表：查计算机:必须进行必要处理，使其被计算机接受。,按函数关系：线性插值、抛物线插值 按变量数目：一元插值、多元插值,School of Electrical Engineering,5,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,6,2023年1月16日星期一,二、抛物线插值法,School of Electrical Engineering,7,2023年1月16日星期一,三、一元插值,电机设计中，许多曲线和图表为一元函数，如磁化曲线，感应电机饱和系数曲线等。,对曲线进行离散时：曲线变化较小时，磁化曲线接近直线，点取得稀疏曲线变化较大时，取点较密,School of Electrical Engineering,8,2023年1月16日星期一,查B=1.35、1.45、1.55T对应的H线性插值程序：10.75、16.35、28.95A/cm；抛物插值程序：10.28、15.08、26.89A/cm；实际值：10.50、15.50、26.70A/cm。同样的离散点时，抛物插值精度高。要求同样精度时，抛物线插值用较少点，少用计算机存储量 为提高精度，实际中，数组应为上例的10倍以上,也可以将B值小的部分用线性插值，因为这段曲线近似是直线；B值大的部分用抛物线插值，因为这段曲线已与直线差得很多。,School of Electrical Engineering,9,2023年1月16日星期一,四、二元插值,电机设计中也遇到需要读取由二元函数表示的曲线族。二元函数的插值方法也可以理解为两次应用一元插值，这两个一元插值可以是线性的或抛物线的。这与手算时查曲线的规律一样。,School of Electrical Engineering,10,2023年1月16日星期一,11-3 曲线和图表的数学处理方法之二公式法,电机设计中要用到很多类型的曲线，如果这些曲线都采用插值法处理，将使计算机程序变得非常庞杂。,如果有可能找出函数关系来代替原曲线，则既可节省大量存贮单元，使程序变得简洁，又能节省计算时间。这就是曲线的公式化。,School of Electrical Engineering,11,2023年1月16日星期一,一、恢复使用原始曲线,有一些公式，手算复杂，制用图表，查找方便，但对计算机则麻烦，如图4-10、公式4-76确定谐波漏磁导,二、用相应公式模拟曲线,有些曲线不是推导来的，如磁化曲线；有些虽有来源，但过于复杂，有必要对其进行公式化。,方法：确定公式待定系数法确定系数,1、直线,School of Electrical Engineering,12,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,13,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,14,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,15,2023年1月16日星期一,三、对原曲线进行改造 个别曲线过于繁琐,School of Electrical Engineering,16,2023年1月16日星期一,114 辅助设计中常用的数值计算方法,为提高计算精度并充分发挥计算机的计算功能，可利用数值计算方法来改造原有公式。,定积分的定义：,一、数值积分 复杂的被积函数不能用解析法直接积分，可用计算机进行数值积分。,只要分割的子区间隔足够小，可认为：,School of Electrical Engineering,17,2023年1月16日星期一,将曲线下面的面积近似认为是若干个小梯形之和，小梯形以f(xi)和f(xi+1)为上下底，以xi+1-xi=(b-a)/n为高，其面积为,这就是数值积分中的梯形法。数值积分只应用于被积函数不能用解析式表达的情况，共精确度取决于分点的多少。当被积函数能用解桥式表达时，就没有采用数值积分的必要。,School of Electrical Engineering,18,2023年1月16日星期一,二、解非线性联立方程组,电机设计中，有时需要解非线性联立方程组以求所需工作点以齿饱和时的齿部磁压降计算为例：,1、迭代法,School of Electrical Engineering,19,2023年1月16日星期一,2、对分法3、近似解析解法4、曲线公式化解析解,School of Electrical Engineering,20,2023年1月16日星期一,11-5 设计分析程序,需解决的问题：曲线与图表的处理；迭代的处理。,一、手算程序改编成计算程序,现有的手算程序一般都是核算程序。在给定定转子铁心及绕组数据条件下，核算电机各项性能。,将手算程序的各公式依次变成计算机程序，就是分析设计程序,设计人员要按经验作适当估算，先给出铁心长度、定转子内外径、槽数、槽尺寸及绕组型式、匝数、导线尺寸、接法、并联路数等设计数据后，才能按程序逐项进行手算，看各项指标能否达到规定要求；达不到要求，则调整给定的数据。,二、框图的作用和编制,School of Electrical Engineering,21,2023年1月16日星期一,包含多处迭代，甚至嵌套、多层嵌套或交叉。程序从外形上看是逐条排列的，实际上并不是逐条执行的。框图可以表达其结构层次和逻辑。,1、框图的作用：,有利于在设计前集中精力处理全局性问题；框图能清晰地表示源程序的结构、层次及重要的细节；框图是编制源程序的基础，它比冗长的语言程序更便于交流，同时也有利于简化；通过框图能更好地阅读、调整和修改源程序。,2 电机设计框图的编制原则设计逻辑必须简明，力求结构紧凑、清晰、层次分明，,School of Electrical Engineering,22,2023年1月16日星期一,根据电机设计的特点，一般把整个设计分成若干独立单元，使得局部参量的调整不致影响全局。为减少计算时间和避免应知数据后置，在主要计算内容前可安排一个“常用数据计算框”，此框主要计算那些按已知数据便可确定的参量和系数。为了避免“交叉循环”，常选择既能改善性能，又对其它参量没有影响或影响很小的参量作为调整的参量。当无法避免若干变量综合组合时，应做到循环嵌套层次分明，把调整效果明显、牵涉面广的变量尽量放在内层。处理好设计中的迭代问题对保证一定的计算精度和缩短计算时间有很重要的意义。,框图或程序的编制可考虑将多次重复使用的运算编成子程序，做么简单、清晰。,School of Electrical Engineering,23,2023年1月16日星期一,二、迭代的处理,1、初设值、允许误差与再设值,初设值：根据经验统计资料而定。,感应电动机的四个迭代：波幅系数Fs：变化范围不大，取平均值 电势系数KE:按式（108）计算 效率：根据技术条件确定 起动电流：手算程序第100步,误差偏大时，增加迭代次数，对计算结果影响很小。但效率低的电机，效率初值不易准确，偏差太大容易引起不收敛,School of Electrical Engineering,24,2023年1月16日星期一,计算值与假设值的允许误差：根据程序本身计算精度要求及计算工作量而定。手算精度要求低，计算机计算要求精度高。,再设值：计算值和初始值之间误差超过允许范围，需要重新确定初值，再进行计算。,若增大假设值，计算值将减小，则再设值再计算值和初始值之间。否则再设值比计算值还要大。根据这段迭代过程计算的经验选取，例如,2、探讨用求解的方法代替迭代 297页：效率的迭代用直接求解代替,
