科學瞎想系列之七十二 電機設計寶典
過完年了，恭喜寶寶們升入了中學，老師接著給寶寶們講一講中學階段電機設計的那點事。在幼兒園和小學階段，老師給寶寶們講了比著葫蘆畫瓢的設計方法，那基本不用腦子，會摁計算器就OK，中學了，就得長點心了，得知其然也得知其所以然，今天老師不具體講那些個理論和公式，只給寶寶們理思路、理過程，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怎麼辦等等這些問題。只有知道了這些你才知道了所以然。考慮到寶寶們的基礎，老師今天講的還主要是針對傳統的電機，至於那些特殊電機,僅供參考。
1電機設計的內容。電機設計主要包括，電磁設計、結構設計、絕緣設計、熱設計等,其中電磁設計是核心。電磁設計就是根據用戶的要求及相關標準、法律法規確定電路和磁路的結構，具體講就是鐵心和槽型尺寸、繞組的匝數和截面，核算電機的參數和性能直至滿足用戶要求。
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2電磁設計的流程。電磁設計就是根據用戶要求確定電磁結構，這個過程就是電磁設計的流程。先給寶寶們理理思路：從設計任務看，用戶的要求是出發點，目標終點是確定出電機的電磁結構參數，主要包括鐵心的尺寸、槽形尺寸和繞組的參數。但從因果邏輯關係看，用戶所提的要求大多是一些功能要求和規格參數、性能參數等，這些要求取決於電磁結構參數，也就是說電機的各部分結構尺寸、材料、繞組的匝數、線規等結構參數一旦確定，就決定了唯一的功能、規格、性能等參數；而對應同一種用戶要求，電磁結構參數卻並不是唯一的，不同的設計師可以有無數種設計方案。由此可見，用戶的要求與其說是電磁設計的出發點，不如說是目標終點。因此從電磁設計的順序來看講，需要從電磁結構參數出發，來推導電機的功能及規格參數和性能參數。問題來了，結構參數是電磁設計要得到的結果，如果知道了電磁結構參數，那還搞什麼電磁設計？正因為電磁結構參數是未知的，才需要我們搞電磁設計。這就用到了中學的思維方法，設未知數列方程求解，但這種方法不適用於電磁設計，一是電磁結構參數太多，未知數太多；二是電機磁路存在著飽和引起的非線性關係無法列方程；三是如前所述，對應同一種用戶要求有無數個解。因此列方程求解的方法也是走不通的。怎麼辦呢？還有一種中學常用的方法，那就是試演算法，也就是先根據用戶的要求，通過估算初步設定一系列電磁結構參數，然後由此出髮根據電機有關專業知識推演出電機的性能參數，再與用戶的要求進行對比，看是否滿足用戶要求以及是否優化，如果是則電磁設計結束；如果否，則需重新修正電磁結構參數，重新推演性能參數，如此循環直至滿足用戶要求且方案最優為止。
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說！要把大象裝冰箱一共需要三步，而電機電磁設計則需要十步，流程如下圖所示。由此可見電機設計要比演小品難七步！
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3 各步驟要點。理清了設計思路和流程，接下來就說一說各步驟的要點，考慮到寶寶們只有中學基礎，今天只說前五步，後面的步驟到大學再說。
①設計輸入。設計輸入主要來自用戶所提的要求，通常用戶的要求包括功能要求、規格參數和性能要求。這些要求大致可以分為三類：一類是反映電機能力的參數，如：額定功率、電流、轉距等，這類參數表明了電機在安全工作範圍內所能達到的最大能力，電機實際運行時，並不一定嚴格運行在這個參數點上，例如一台額定功率100千瓦的發電機並不是一直永遠運行在100千瓦，可能只帶一個60瓦的燈泡負載而輕載運行，這也是可以正常運行的，但如果用戶一直要運行這在100千瓦，電機必須具備這個能力，必須保證運行安全；第二類是反映電機運行條件的參數，如：額定電壓、頻率、轉速等參數，這類參數要求電機在運行時必須保證，否則電機將不能正常運行，這是由電磁設計決定的；第三類是反映電機性能優劣的參數，如效率、溫升、起動轉矩、起動電流等。有一個參數必須要專門講一下，這個參數就是功率因數，對於同步電機而言，功率因數屬於第一類的參數，反映了發電機帶無功負載的能力或同步電動機的調相能力；對於非同步電機而言，功率因數則是一個性能參數，屬於第三類，即功率因數的高低反映了非同步電機的性能優劣。上述前兩類參數屬於電磁設計輸入參數，第三類參數則屬於電磁設計的輸出參數，用於電磁計算之後校核是否滿足用戶要求。設計輸入參數中最主要的是額定功率（容量）、額定電壓和額定轉速，如果是同步發電機還要加上功率因數，有了這幾個參數，基本就可以進行電磁計算了，最起碼可以大概拍腦門也八九不離十了。所以在與客戶交流時必須首先要得到這幾個參數，否則電磁計算將無從下手，這點寶寶們務必要切記！特別是新手寶寶。
② 初步估算鐵心結構。包括：鐵心長度、 三圓直徑以及槽數和槽型尺寸。前面講了，要首先假設一系列結構參數才能推算電機最終性能參數，這一步是電磁計算的關鍵，也是檢驗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，這樣就減輕了後續的循環調整工作量，水平差的寶寶則需要多次循環反覆才能夠得到滿意的結果。關於這一步的估算可以參照老師在幼兒園和小學教寶寶們的方法，比著葫蘆畫瓢來估算，也可以參考電機設計教科書上的公式來估算，任何一本電機設計教科書都會講到電機的有效體積與電機的轉矩成正比，即：
(P/n)/（D2L）=α′?Kwm?Kdp?A?Bδ=C
式中：P為電機的計算功率；n為轉速；D為電樞直徑；L為鐵心有效長度；α′為計算極弧係數；Kwm為磁密波形係數；Kdp為繞組係數；A為線負荷（電負荷）；Bδ為磁負荷；C為電機常數。
根據設計輸入參數就可以估算出電機的有效體積。關於這個公式的推導老師認為教科書上講的過於複雜，以至於中學寶寶們不大容易理解，在此老師不想重複教科書上的東東，老師自己總結了一套非常簡便易懂的推導方法，篇幅所限今天也不打算詳細講解，以後老師會專門瞎想一期來說說這個問題。
為了防止不良媒體盜版，這裡插播一段廣告，喜歡老師瞎想系列的寶寶敬請關注俺的公眾號：龍行天下CSIEM③ 初估繞組匝數及截面。根據電壓、頻率和初步假定的鐵心尺寸，利用那個著名的4.44公式就可以初步估算出繞組的匝數，根據電流可以初步估算出繞組的總截面積，這個都太蟻賊，老師就不細啰嗦了。需要提醒寶寶們注意的是這一步需要和電機的極數、槽數以及槽型尺寸統籌考慮。
④ 磁路計算。磁路計算是電磁設計的核心步驟之一，所謂磁路計算就是計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）。與電路類似，磁路也有一個歐姆定律，磁路計算也是基於磁路歐姆定律進行的。理論上磁路計算時可以有兩種方式，一種是根據磁勢求磁通，即施加磁勢（勵磁電流）激勵，來求解磁通和各處磁密；二是根據磁通求磁勢（磁壓降）。對於線性磁路來講，這兩種方式都是可行的，但遺憾的是，電機內的磁路會因鐵心的磁飽和而呈現非線性特性，而且電機內的磁路是由多段不同材料的介質組成，結構複雜，如果只給出總磁勢，難以準確分配各段磁路的磁壓降，也就難以求解各段磁通，因此第一種方式實際上是行不通的，特別是手算。只能採用第二種方式，給定磁通求磁勢。問題來了，如果就是給定了磁勢，讓你求磁通那該怎麼辦？還得採用試演算法，先估算假設一個磁通值，解算磁壓降（磁勢），如果算出的磁勢與給定值相同（差別在一個極小範圍內），則磁通即等於假設值，否則就需要重新修正磁通假設值，如此循環直至滿足要求。無論是手算還是用軟體模擬，其計算過程都是如此。因此磁路計算時，首先用那個4.44公式初步估算磁通，根據磁通和各處磁路截面計算各段磁路的磁密，然後根據各段磁路的材料或查其磁化曲線或利用其磁導率計算磁阻，得到各段磁路的磁壓降和總的磁壓降，最後根據總的磁壓降計算出所需的勵磁電流，這個勵磁電流就是非同步電機的空載電流或同步電機的空載勵磁（轉子）電流。磁路計算除了計算空載，還要計算負載（滿載）狀態下的磁路，通常情況下空載和負載時各處的磁密差別不大，負載磁路計算更主要的目的是計算負載時的勵磁電流（對同步電機）或負載時定、轉子電流（對非同步電機），以便後續核算定、轉子繞組的電密和熱負荷。前面說了，這裡只講思路，有關磁路計算的詳細公式，電機設計教科書和手算程序里都有，在此不一一講解，對具體公式有不懂的單獨答疑。模擬設計軟體也是按照這個思路編寫的。
⑤ 核算各處磁密、電密及熱負荷。磁路計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荷。對於各處磁密可根據所用鐵磁材料的磁化曲線判斷是否合理，判斷準則一是磁密工作點處於磁化曲線的拐點附近為宜；二是各處磁密應基本一致，不能差別過大，齒部磁密允許適當高一些，轉子磁密可較定子磁密略高一些。如果定轉子軛磁密不合理則需要重新調整中圓尺寸；如果齒磁密不合理則需要調整槽型尺寸；如果各部分磁密分配合理但總體偏大或偏小則需要調整鐵心長度或整體三圓直徑。
關於電密和熱負荷是否合理則主要取決於電機的冷卻方式和冷卻條件。通常對於各種冷卻方式的電機，電密、電負荷及熱負荷都會有一個合理的取值範圍，寶寶們可以參照你自己公司類似的產品對比一下即可。長點心的寶寶，可以把你所在公司各類冷卻方式的電機產品的電磁負荷都統計一下，記到你的小本本上，這就是經驗的積累，如果你跳槽，把這些東東帶上，即不違法也遠比你採用下三爛的手段偷著複製你單位一大摞圖紙有用得多，因為這些東東才真正代表你的核心競爭力，你的這類東東積攢得越多說明你的價值越高。所以寶寶們長點心吧！別每天賊一樣，傻不拉幾的見什麼都胡抄亂記的，知道什麼是真正的技術這一點很重要！
今天老師主要給寶寶們捋了捋電機磁設計的思路和流程，相信你知道了這些就可以理解教科書和手算程序里那些公式都是幹嘛用的了；也知道了應該先算什麼，後算什麼；什麼叫算得合理；不合理該調哪。這才是電磁設計最關鍵的，至於那些公式，書上都有，自己去慢慢理解吧！最後提醒寶寶們注意的是，現在搞電機設計大多採用軟體模擬的手段來進行，的確設計軟體的應用對提高設計精度和設計效率有極大的幫助，但用軟體模擬也有缺點，那就是不利於寶寶們對電機設計理論的理解和提高，因此建議新手上路，最好是先用手算程序操練幾個項目，這樣有助於你對理論的理解和提高，能夠使你迅速得到成長，也有利於將來能夠更好地駕馭設計軟體。
好了，這期的瞎想就先說到這兒，到了大學老師再給寶寶們講電磁設計最重要，也是寶寶們問得最多的步驟——參數計算。敬請期待吧！
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