過(guò)完年了，恭喜寶寶們升入了中學(xué),，老師接著給寶寶們講一講中學(xué)階段電機(jī)設(shè)計(jì)的那點(diǎn)事,。在幼兒園和小學(xué)階段，老師給寶寶們講了比著葫蘆畫(huà)瓢的設(shè)計(jì)方法,，那基本不用腦子,，會(huì)摁計(jì)算器就OK，中學(xué)了,，就得長(zhǎng)點(diǎn)心了,，得知其然也得知其所以然，今天老師不具體講那些個(gè)理論和公式,，只給寶寶們理思路,、理過(guò)程，使寶寶們知道那些公式都是在算嘛,、為嘛要算哪些東東,、從哪下手算、算成嘛樣就OK,、不OK怎么辦等等這些問(wèn)題,。只有知道了這些你才知道了所以然?？紤]到寶寶們的基礎(chǔ),，老師今天講的還主要是針對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)，至于那些特殊電機(jī),僅供參考,。
       1電機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)容,。電機(jī)設(shè)計(jì)主要包括，電磁設(shè)計(jì),、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、絕緣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等,其中電磁設(shè)計(jì)是核心,。電磁設(shè)計(jì)就是根據(jù)用戶的要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),、法律法規(guī)確定電路和磁路的結(jié)構(gòu)，具體講就是鐵心和槽型尺寸,、繞組的匝數(shù)和截面,，核算電機(jī)的參數(shù)和性能直至滿足用戶要求。

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        2 電磁設(shè)計(jì)的流程。電磁設(shè)計(jì)就是根據(jù)用戶要求確定電磁結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程就是電磁設(shè)計(jì)的流程,。先給寶寶們理理思路：從設(shè)計(jì)任務(wù)看,，用戶的要求是出發(fā)點(diǎn)，目標(biāo)終點(diǎn)是確定出電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù),，主要包括鐵心的尺寸,、槽形尺寸和繞組的參數(shù)。但從因果邏輯關(guān)系看,，用戶所提的要求大多是一些功能要求和規(guī)格參數(shù),、性能參數(shù)等，這些要求取決于電磁結(jié)構(gòu)參數(shù),，也就是說(shuō)電機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)尺寸,、材料、繞組的匝數(shù),、線規(guī)等結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦確定,，就決定了唯一的功能、規(guī)格,、性能等參數(shù),；而對(duì)應(yīng)同一種用戶要求，電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)卻并不是唯一的,，不同的設(shè)計(jì)師可以有無(wú)數(shù)種設(shè)計(jì)方案。由此可見(jiàn),，用戶的要求與其說(shuō)是電磁設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn),，不如說(shuō)是目標(biāo)終點(diǎn)。因此從電磁設(shè)計(jì)的順序來(lái)看講,，需要從電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā),，來(lái)推導(dǎo)電機(jī)的功能及規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)。問(wèn)題來(lái)了,，結(jié)構(gòu)參數(shù)是電磁設(shè)計(jì)要得到的結(jié)果,，如果知道了電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，那還搞什么電磁設(shè)計(jì),？正因?yàn)殡姶沤Y(jié)構(gòu)參數(shù)是未知的,，才需要我們搞電磁設(shè)計(jì)。這就用到了中學(xué)的思維方法,，設(shè)未知數(shù)列方程求解,，但這種方法不適用于電磁設(shè)計(jì)，一是電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)太多,，未知數(shù)太多,；二是電機(jī)磁路存在著飽和引起的非線性關(guān)系無(wú)法列方程；三是如前所述，對(duì)應(yīng)同一種用戶要求有無(wú)數(shù)個(gè)解,。因此列方程求解的方法也是走不通的,。怎么辦呢？還有一種中學(xué)常用的方法,，那就是試算法,，也就是先根據(jù)用戶的要求，通過(guò)估算初步設(shè)定一系列電磁結(jié)構(gòu)參數(shù),，然后由此出發(fā)根據(jù)電機(jī)有關(guān)專業(yè)知識(shí)推演出電機(jī)的性能參數(shù),，再與用戶的要求進(jìn)行對(duì)比，看是否滿足用戶要求以及是否優(yōu)化,，如果是則電磁設(shè)計(jì)結(jié)束,；如果否，則需重新修正電磁結(jié)構(gòu)參數(shù),，重新推演性能參數(shù),，如此循環(huán)直至滿足用戶要求且方案最優(yōu)為止。

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       說(shuō)！要把大象裝冰箱一共需要三步,，而電機(jī)電磁設(shè)計(jì)則需要十步,，流程如下圖所示。由此可見(jiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)要比演小品難七步,！

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       3 各步驟要點(diǎn),。理清了設(shè)計(jì)思路和流程,，接下來(lái)就說(shuō)一說(shuō)各步驟的要點(diǎn)，考慮到寶寶們只有中學(xué)基礎(chǔ),，今天只說(shuō)前五步,，后面的步驟到大學(xué)再說(shuō)。
       ①設(shè)計(jì)輸入,。設(shè)計(jì)輸入主要來(lái)自用戶所提的要求,，通常用戶的要求包括功能要求、規(guī)格參數(shù)和性能要求,。這些要求大致可以分為三類：一類是反映電機(jī)能力的參數(shù),，如：額定功率、電流,、轉(zhuǎn)距等,，這類參數(shù)表明了電機(jī)在安全工作范圍內(nèi)所能達(dá)到的最大能力,，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，并不一定嚴(yán)格運(yùn)行在這個(gè)參數(shù)點(diǎn)上,，例如一臺(tái)額定功率100千瓦的發(fā)電機(jī)并不是一直永遠(yuǎn)運(yùn)行在100千瓦,，可能只帶一個(gè)60瓦的燈泡負(fù)載而輕載運(yùn)行，這也是可以正常運(yùn)行的,，但如果用戶一直要運(yùn)行這在100千瓦,，電機(jī)必須具備這個(gè)能力，必須保證運(yùn)行安全,；第二類是反映電機(jī)運(yùn)行條件的參數(shù),，如：額定電壓、頻率,、轉(zhuǎn)速等參數(shù),，這類參數(shù)要求電機(jī)在運(yùn)行時(shí)必須保證，否則電機(jī)將不能正常運(yùn)行,，這是由電磁設(shè)計(jì)決定的,；第三類是反映電機(jī)性能優(yōu)劣的參數(shù)，如效率,、溫升,、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流等,。有一個(gè)參數(shù)必須要專門(mén)講一下,，這個(gè)參數(shù)就是功率因數(shù)，對(duì)于同步電機(jī)而言,，功率因數(shù)屬于第一類的參數(shù),，反映了發(fā)電機(jī)帶無(wú)功負(fù)載的能力或同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)相能力；對(duì)于異步電機(jī)而言,，功率因數(shù)則是一個(gè)性能參數(shù)，屬于第三類,，即功率因數(shù)的高低反映了異步電機(jī)的性能優(yōu)劣,。上述前兩類參數(shù)屬于電磁設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，第三類參數(shù)則屬于電磁設(shè)計(jì)的輸出參數(shù),，用于電磁計(jì)算之后校核是否滿足用戶要求,。設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)中最主要的是額定功率（容量）、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速,，如果是同步發(fā)電機(jī)還要加上功率因數(shù),，有了這幾個(gè)參數(shù)，基本就可以進(jìn)行電磁計(jì)算了,，最起碼可以大概拍腦門(mén)也八九不離十了,。所以在與客戶交流時(shí)必須首先要得到這幾個(gè)參數(shù),，否則電磁計(jì)算將無(wú)從下手，這點(diǎn)寶寶們務(wù)必要切記,！特別是新手寶寶,。
       ② 初步估算鐵心結(jié)構(gòu)。包括：鐵心長(zhǎng)度,、 三圓直徑以及槽數(shù)和槽型尺寸,。前面講了，要首先假設(shè)一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)才能推算電機(jī)最終性能參數(shù),，這一步是電磁計(jì)算的關(guān)鍵,，也是檢驗(yàn)寶寶們水平高低的試金石，牛逼的寶寶一把就能夠估算的八九不離十,，這樣就減輕了后續(xù)的循環(huán)調(diào)整工作量,，水平差的寶寶則需要多次循環(huán)反復(fù)才能夠得到滿意的結(jié)果。關(guān)于這一步的估算可以參照老師在幼兒園和小學(xué)教寶寶們的方法,，比著葫蘆畫(huà)瓢來(lái)估算,，也可以參考電機(jī)設(shè)計(jì)教科書(shū)上的公式來(lái)估算，任何一本電機(jī)設(shè)計(jì)教科書(shū)都會(huì)講到電機(jī)的有效體積與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比,，即：
      (P/n)/（D2L）=α′·Kwm·Kdp·A·Bδ=C
       式中：P為電機(jī)的計(jì)算功率,；n為轉(zhuǎn)速；D為電樞直徑,；L為鐵心有效長(zhǎng)度,；α′為計(jì)算極弧系數(shù)；Kwm為磁密波形系數(shù),；Kdp為繞組系數(shù),；A為線負(fù)荷（電負(fù)荷）；Bδ為磁負(fù)荷,；C為電機(jī)常數(shù),。
       根據(jù)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)就可以估算出電機(jī)的有效體積。關(guān)于這個(gè)公式的推導(dǎo)老師認(rèn)為教科書(shū)上講的過(guò)于復(fù)雜,，以至于中學(xué)寶寶們不大容易理解,，在此老師不想重復(fù)教科書(shū)上的東東，老師自己總結(jié)了一套非常簡(jiǎn)便易懂的推導(dǎo)方法,，篇幅所限今天也不打算詳細(xì)講解,，以后老師會(huì)專門(mén)瞎想一期來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題。

     為了防止不良媒體盜版,，這里插播一段廣告,，喜歡老師瞎想系列的寶寶敬請(qǐng)關(guān)注俺的公眾號(hào)：龍行天下CSIEM       ③ 初估繞組匝數(shù)及截面。根據(jù)電壓,、頻率和初步假定的鐵心尺寸,，利用那個(gè)著名的4.44公式就可以初步估算出繞組的匝數(shù),，根據(jù)電流可以初步估算出繞組的總截面積，這個(gè)都太蟻賊,，老師就不細(xì)啰嗦了,。需要提醒寶寶們注意的是這一步需要和電機(jī)的極數(shù)、槽數(shù)以及槽型尺寸統(tǒng)籌考慮,。
       ④ 磁路計(jì)算,。磁路計(jì)算是電磁設(shè)計(jì)的核心步驟之一，所謂磁路計(jì)算就是計(jì)算磁路中各處的磁密,、各段磁路的磁壓降和總的磁壓降（總磁勢(shì)）,。與電路類似，磁路也有一個(gè)歐姆定律,，磁路計(jì)算也是基于磁路歐姆定律進(jìn)行的,。理論上磁路計(jì)算時(shí)可以有兩種方式，一種是根據(jù)磁勢(shì)求磁通,，即施加磁勢(shì)（勵(lì)磁電流）激勵(lì),，來(lái)求解磁通和各處磁密；二是根據(jù)磁通求磁勢(shì)（磁壓降）,。對(duì)于線性磁路來(lái)講,，這兩種方式都是可行的，但遺憾的是,，電機(jī)內(nèi)的磁路會(huì)因鐵心的磁飽和而呈現(xiàn)非線性特性,，而且電機(jī)內(nèi)的磁路是由多段不同材料的介質(zhì)組成,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果只給出總磁勢(shì),，難以準(zhǔn)確分配各段磁路的磁壓降，也就難以求解各段磁通,，因此第一種方式實(shí)際上是行不通的,，特別是手算。只能采用第二種方式,，給定磁通求磁勢(shì)。問(wèn)題來(lái)了,，如果就是給定了磁勢(shì),，讓你求磁通那該怎么辦？還得采用試算法,，先估算假設(shè)一個(gè)磁通值，解算磁壓降（磁勢(shì)）,，如果算出的磁勢(shì)與給定值相同（差別在一個(gè)極小范圍內(nèi)），則磁通即等于假設(shè)值,，否則就需要重新修正磁通假設(shè)值，如此循環(huán)直至滿足要求,。無(wú)論是手算還是用軟件仿真，其計(jì)算過(guò)程都是如此,。因此磁路計(jì)算時(shí)，首先用那個(gè)4.44公式初步估算磁通,，根據(jù)磁通和各處磁路截面計(jì)算各段磁路的磁密，然后根據(jù)各段磁路的材料或查其磁化曲線或利用其磁導(dǎo)率計(jì)算磁阻,，得到各段磁路的磁壓降和總的磁壓降，最后根據(jù)總的磁壓降計(jì)算出所需的勵(lì)磁電流,，這個(gè)勵(lì)磁電流就是異步電機(jī)的空載電流或同步電機(jī)的空載勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）電流。磁路計(jì)算除了計(jì)算空載,，還要計(jì)算負(fù)載（滿載）狀態(tài)下的磁路，通常情況下空載和負(fù)載時(shí)各處的磁密差別不大,，負(fù)載磁路計(jì)算更主要的目的是計(jì)算負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流（對(duì)同步電機(jī)）或負(fù)載時(shí)定、轉(zhuǎn)子電流（對(duì)異步電機(jī)）,，以便后續(xù)核算定、轉(zhuǎn)子繞組的電密和熱負(fù)荷,。前面說(shuō)了,，這里只講思路，有關(guān)磁路計(jì)算的詳細(xì)公式,，電機(jī)設(shè)計(jì)教科書(shū)和手算程序里都有，在此不一一講解,，對(duì)具體公式有不懂的單獨(dú)答疑。仿真設(shè)計(jì)軟件也是按照這個(gè)思路編寫(xiě)的,。
       ⑤ 核算各處磁密、電密及熱負(fù)荷,。磁路計(jì)算的目的就是要核算磁路各處的磁密,、各繞組的電密和熱負(fù)荷,。對(duì)于各處磁密可根據(jù)所用鐵磁材料的磁化曲線判斷是否合理,，判斷準(zhǔn)則一是磁密工作點(diǎn)處于磁化曲線的拐點(diǎn)附近為宜；二是各處磁密應(yīng)基本一致,，不能差別過(guò)大,，齒部磁密允許適當(dāng)高一些，轉(zhuǎn)子磁密可較定子磁密略高一些,。如果定轉(zhuǎn)子軛磁密不合理則需要重新調(diào)整中圓尺寸,；如果齒磁密不合理則需要調(diào)整槽型尺寸；如果各部分磁密分配合理但總體偏大或偏小則需要調(diào)整鐵心長(zhǎng)度或整體三圓直徑,。
關(guān)于電密和熱負(fù)荷是否合理則主要取決于電機(jī)的冷卻方式和冷卻條件,。通常對(duì)于各種冷卻方式的電機(jī)，電密,、電負(fù)荷及熱負(fù)荷都會(huì)有一個(gè)合理的取值范圍,，寶寶們可以參照你自己公司類似的產(chǎn)品對(duì)比一下即可。長(zhǎng)點(diǎn)心的寶寶,，可以把你所在公司各類冷卻方式的電機(jī)產(chǎn)品的電磁負(fù)荷都統(tǒng)計(jì)一下，記到你的小本本上,，這就是經(jīng)驗(yàn)的積累,，如果你跳槽，把這些東東帶上,，即不違法也遠(yuǎn)比你采用下三爛的手段偷著復(fù)制你單位一大摞圖紙有用得多,，因?yàn)檫@些東東才真正代表你的核心競(jìng)爭(zhēng)力，你的這類東東積攢得越多說(shuō)明你的價(jià)值越高。所以寶寶們長(zhǎng)點(diǎn)心吧,！別每天賊一樣，傻不拉幾的見(jiàn)什么都胡抄亂記的,，知道什么是真正的技術(shù)這一點(diǎn)很重要,！
       今天老師主要給寶寶們捋了捋電機(jī)磁設(shè)計(jì)的思路和流程，相信你知道了這些就可以理解教科書(shū)和手算程序里那些公式都是干嘛用的了,；也知道了應(yīng)該先算什么,，后算什么；什么叫算得合理,；不合理該調(diào)哪,。這才是電磁設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的，至于那些公式,，書(shū)上都有,，自己去慢慢理解吧！最后提醒寶寶們注意的是,，現(xiàn)在搞電機(jī)設(shè)計(jì)大多采用軟件仿真的手段來(lái)進(jìn)行,，的確設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用對(duì)提高設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率有極大的幫助，但用軟件仿真也有缺點(diǎn),，那就是不利于寶寶們對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)理論的理解和提高,，因此建議新手上路，最好是先用手算程序操練幾個(gè)項(xiàng)目,，這樣有助于你對(duì)理論的理解和提高,，能夠使你迅速得到成長(zhǎng)，也有利于將來(lái)能夠更好地駕馭設(shè)計(jì)軟件,。
       好了,，這期的瞎想就先說(shuō)到這兒，到了大學(xué)老師再給寶寶們講電磁設(shè)計(jì)最重要,，也是寶寶們問(wèn)得最多的步驟——參數(shù)計(jì)算。敬請(qǐng)期待吧,！