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摘要：针对直线同步电机的计算机辅助设计与绘图，利用内嵌于AutoCAD的VisualLISP进行二次开发，编制了一个专用的优化设计绘图软件，该软件可直接在AutoCAD环境下运行，实际应用效果良好。
关键词：VisualLISP；直线同步电机；CAD
1 引言
近年来，随着经济的发展直线同步电机在各种领域得到了广泛的应用。尤其是以长定子直线同步电动机作为驱动的磁悬浮列车，以其高速、舒适、环保等优势正得到日益增多的关注。典型直线同步电机，定子部分保持静止不动，转子磁极则以同步速度运动，励磁绕组可由磁极上的直线发电机来供电。
为了避免繁琐的、重复性的绘图劳动，需要对AutoCAD进行二次开发，尽量将常用图形结构标准化、模块化、参数化。根据这一参数化设计思路，作者应用AutoCAD二次开发工具VisualLISP开发了一套适用于直线同步电机的参数化设计绘图软件包，这使得设计工程极大减少了重复劳动，避免了资源浪费，提高了设计效率，总体成效还是相当显著的。
2 直线同步电机CAD系统的结构与功能
直线同步电机参数化设计绘图系统是以AutoCAD2000为开发平台，充分利用其所提供的AutoLISP语言、VisualLISP集成开发环境、DCL语言等开发工具，在微机上进行二次开发而成的。该软件系统总体上包含以下3个功能模块：
(1)交互式电机参数输入模块。它作为系统的人机接口，提供了一组配有示例图形的对话框，使得用户能以人机交互的方式输入对直线同步电机在结构参数等方面的要求。
(2)电机优化设计模块。此模块是在用户输入数据的基础上，应用特定的电机优化设计方法对用户所设计直线同步电机的部分参数进行优化计算，得出一个较原方案更为满意的电机设计方案，并完成电机参数的组织和存储。该模块用户可选择使用或者略过不执行。
(3)自动绘图程序模块。当最终确定了直线同步电机的结构尺寸参数之后，自动绘图程序便可根据这些数据生成正式的设计图纸，并保存于计算机内以便日后调用。
2.1 交互式电机参数输入模块的设计
2.1.1 对话框的设计
为便于一般工程人员使用，整个设计系统必须具有直观、形象、便于操作的特点。因此，在软件中采用对话框是一个可以令人满意的选择。
AutoCAD的对话框是利用DCL语言定义的。设计时，可以利用普通的文本编辑器完成对话框源代码的编写。对话框所用到的按钮、编辑栏等基本控件已由AutoCAD预先定义，编辑时直接引用即可。最后，源代码还须存为后缀名为DCL的文件以便AutoCAD识别。
直线同步电机结构形式，如图1所示。我们可以将电机的参数输入大体分为定子参数、转子参数和发电槽参数三部分，既保证整体性又不失条例性。驱动对话框的LISP程序加载后的定子参数输入对话框实例，如图2所示。每一个控件都对应于不同的动作。 （图片） （图片） 2.1.2 示例图形的实现
为了使直线同步电机的参数输入达到通俗易懂、图文并茂，就有必要为对话框配以显示图形；而且用户还特别要求：示例图形中的标注能够跟随输入参数的变动而变动。
为此，采用Image图象控件实现示例图形的显示功能，但Image图象控件只能够显示AutoCAD的幻灯片文件，因此还需利用AutoCAD专门的mslide命令来制作幻灯片。对于如何满足示例图形动态更新的要求，这里采用重新生成幻灯片的方法得以解决，即：首先生成一个AutoCAD图形及其幻灯片，以用于示例图形的显示；但当对话框中的文本编辑控件发生值改变时，就可以依据此特定控件的意义修改AutoCAD图形中的标注，然后再生成一次幻灯片，从而就可以满足对话框示例图形动态更新的任务。过程的流程图，如图3所示。（图片） 此外，输入的电机参数还须考虑约束性问题，例如，电机定转子极距保持基本一致、槽宽须小于齿距、槽宽槽高不可过大等等。针对这些问题，就要考虑对用户输入的参数进行必要的校验，当发现输入参数之间不满足约束条件时，软件要给出警告提示，引起用户们注意，以便进行参数纠正。
2.2 电机优化设计模块
电机优化设计实际上就是最优化数学方法以及计算机技术在电机工程领域中的应用。最优化方法众多，目前在电机优化设计方面比较常用的优化方法有：模拟退火算法、遗传算法、混合遗传算法等。
电机优化的数学模型可以归纳为：在满足约束条件ｇｊ(Ｘ)≤0的情况下，求各优化设计变量ｘｉ(ｉ=1，2，…，ｎ)的值，使目标函数Ｆ(Ｘ)的值最大(小)，其中Ｘ=[ｘ1，ｘ2，…，ｘｎ]Ｔ。由此可见，数学模型包括设计变量、约束条件和目标函数3个要素。
对于该套软件，用户可以点击图2的电机参数输入对话框中的“优化”按钮起动优化设计模块。直线同步电机的优化设计界面，如图4所示。优化设置比较灵活，用户可以根据具体需要设置优化设计变量、目标函数、约束条件以及所使用的优化算法。
对于这里的优化对象而言，可以选择单位定子电流产生推力的大小作为优化的目标函数。很明显，该目标函数的值越大越好，但在一般的优化设计中求解的是目标函数的最小值，这时可采用它的倒数作为新的目标函数，即构造直线同步电机优化设计的目标函数为：（图片） 式中 Is———定子电流
Fx1———直线同步电机产生的水平基波推力
设计变量是电机优化问题中待定的一组变量，它们的变化决定了目标函数和系统性能的变化。考虑诸多的影响因素，此处选择优化设计变量为：定子铁心宽度、定子槽宽、定子槽高、定子极距。而约束条件包括：(1)气隙磁密Ｂ≤Ｂmax；(2)定子电流Ｉｓ≤Ｉｓmax；(3)定子槽满率Ｓf≤Ｓmax；(4)电机推力Fx1≥Fmin。
使用遗传算法对直线同步电机进行优化计算后，得到的优化结果，如图4所示。最终的直线同步电机设计数据一般都采用数据库方式存储，利用Access建立电机数据库，并将设计结果保存于这一数据库之中。（图片） 2.3 自动绘图程序的设计
此计算机辅助设计软件的另一个重要部分就是自动绘图模块。当用户在电机参数输入对话框中输入了完整的参数或者优化设计模块根据要求重新计算出了电机参数之后，绘图程序就得到了绘图的所有关键参数。接着可利用command函数编制AutoLISP程序，以直线、圆弧等方式绘制出直线同步电机的各类冲片图纸，并能附上标注尺寸、形位公差、文字标注等。
自动绘图程序的简要操作方法如下：用户可以直接点击参数输入对话框和优化设计对话框中的绘图按钮，当然也可以在AutoCAD环境下直接键入绘图命令draw，就能调用自动绘图程序。绘图程序会自动加载直线同步电机的设计数据，然后根据其中的相关参数产生电机的各部分图纸，这主要包括定子、转子、励磁部分以及总体结构图纸。自动绘图程序生成的直线同步电机总体结构样图，如图5所示。（图片） 3 结束语
利用AutoCAD内嵌的二次开发工具VisualLISP开发了一个专用于直线同步电机的参数化设计系统，并且将其应用于实际直线同步电机的设计。
实践证明，该系统具有简便、易用的优点，应用后的总体效果良好。今后若将其进一步完善，可望用于更广泛的直线电机设计领域。
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11/9/2004
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