基于IDEF0的单相异步电机并行设计过程建模

一、IDEF0建模简介

       IDEF0（Integrated for Function Modeling）是一种用于描述复杂系统功能和流程的结构化建模方法，其核心特点在于层次化分解和标准化表达。

       1.1 IDEF0的核心概念

       IDEF0起源于20世纪70年代美国国防部的ICAM（集成计算机辅助制造）计划，旨在改进复杂系统的工程实践。它作为IDEF系列方法的基础，广泛应用于工程、制造、信息系统等领域。其基本构成是功能框图，它用方框表示系统活动，每个方框代表一个功能模块。

       1）箭头（Arrows）：表示数据流或控制流，分为四类；

       2）输入（Input）：功能所需的数据或资源；

       3）输出（Output）：功能产生的结果；

       4）控制（Control）：约束或规则（如政策、标准）；

       5）机制（Mechanism）：执行功能的手段（如人员、设备）；

       6）呼叫（Call）：特殊接口，用于调用其他模型以细化当前功能。

       1.2 IDEF0的建模流程

       其步骤划分如下：

       1）选择范围与目的：明确建模目标和系统边界；

       2）创建内外关系图（A_0图）：定义系统与外部环境的交互；

       3）绘制顶层视图（A0图）：分解系统为若干子功能；

       4）逐层细化：通过父图与子图的层次结构逐步细化功能模块，形成树状结构。

       IDEF0建模具有层次化的特性，即每个父功能可分解为3至6个子功能，确保分解有意义且符合认知结构。

       1.3 IDEF0的应用优势

       1）标准化与可视化

       ①提供统一的图形符号和文本标签，促进跨团队沟通；

       ②支持复杂系统的多视图分析（如功能、数据流、控制逻辑）。

       2）动态模型构建

       在制造企业数字化转型中，IDEF0可将静态因素（如驱动因素、绩效衡量）动态映射到模型的输入、输出、控制等组件中，揭示因素间的相互作用。

       3）扩展性与兼容性

       衍生方法如IDEF0_C（集成成本分析）和EIDEF0（扩展功能模型）进一步增强了其在成本管理和软件设计中的应用。

       4）工具支持

       IDEF0建模常借助专业工具（如IDEF0辅助软件），支持图形编辑、父子图一致性检查、文档生成等功能，提升建模效率。

二、电机设计的任务和过程

       2.1 电机设计的任务及设计时给定的数据

       2.1.1 电机设计的任务与对设计人员的要求

       电机设计的任务是根据用户提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性要求等），结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单的电机。运行可靠、制造和使用方便的先进产品。

       在设计前后过程中，电机设计人员应认真进行调查研究，听取有关人员的意见和建议，注意理论与实际、设计与工艺相结合。

       电机设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾。因此设计人员必须全面地、综合地看问题并能因时因地制宜，针对具体情况采用不同的解决方法，例如电机的各项性能之间以及技术指标和经济指标之间，经常存在矛盾。当采取措施改善某个性能时，常会使其他一些性能变差，因此必须全面照顾。又如在设计电机时，不能片面追求体积小和材料省，因为这样容易导致电机性能降低，加工工时增加，而使运行费用或制造成本上升，并造成能量浪费。

       2.1.2 电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求

       电机设计时通常给定下列数据：

       ①额定功率：发电机为电枢线端的电功率，电动机为轴上输出的机械功率，同步调相机为线端超前电流下的无功功率；

       ②额定电压：对交流电机指线电压，对直流电机指电枢端电压；

       ③相数及相间连接方式；

       ④额定频率；

       ⑤额定转速或同步转速；

       ⑥额定功率因数：对感应电机通常给定①~⑤，同步电机给定①~⑥，直流电机给定①、②和⑤。

       除上述一般额定数据外，有时还给定某些其他数据。例如，对水轮发电机、内燃机驱动的同步发电机或负载具有脉动的同步电动机，常再给定惯性矩的数值；对水轮发电机，还需给定飞逸转速Ky的数值。

       对电机的技术要求通常在有关的国家标准或技术条件中规定。

       2.2 电机设计的过程和内容简述

       2.2.1 准备阶段

       通常包括两方面内容，首先是熟悉国家标准。收集相近电机产品（或样机）的技术资料（包括试验数据），并听取生产和使用单位的意见与要求。然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或技术建议书。

       2.2.2 电磁设计

       本阶段的任务是根据技术条件或技术任务书（技术建议书）的规定，参照生产实践经验。通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。

       2.2.3 结构设计

       结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。通常，首先根据技术条件或技术任务书（技术建议书）中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再考虑电磁计算中所选负荷的高低，来选取合适的通风冷却系统，然后安排产品的总体结构，绘制总装配草图。最后分别绘制部件的分装配图和零件图，并对总装配草图进行必要的修改。

       结构设计通常在电磁设计后进行，但有时也和电磁设计平行交叉进行，以便相互调整，对于新产品或重大产品，根据需要，设计过程还可再细分若干小阶段，例如在准备阶段之后，增加初步设计或扩大初步设计阶段。

三、并行设计过程管理概述

       工作流与过程管理（Workflow/Process management）是产品数据管理系统中重要的基本功能之一，它用来定义和控制数据操作的基本过程，主要管理当用户对数据进行操作时人与人之间或活动与活动之间的数据流向，以及在一个项目的生命周期内跟踪所有事务和数据的活动。在企业中，过程管理广泛用来跟踪和控制产品的设计和修改过程，以增强产品开发过程的自动化程度。同时，应用系统中的特定的过程建模工具，还能对产品开发过程进行重组，规范开发流程，降低开发成本，提高开发效率，获取最大的经济效益。

       长期以来，产品开发一直沿用传统的串行设计方法，遵循“需求分析-概念设计-详细设计-工艺设计-加工制造-售后服务”的基本流程。由于职能部门之间缺乏足够的信息交流，首先是设计部门对市场需求及客户要求了解不够，其次是在设计中不能全面考虑下游的可制造性、可装配性、质量保证、环境危害等多种因素，致使所制造的产品有可能存在许多不可预料的缺陷，这就必然要求对设计进行频繁修改，构成了从加工制造到概念设计的设计修改大循环，甚至可能在不同阶段或不同环节多次重复这一过程，造成设计改动量大、产品开发周期长、成本高，无法满足激烈的市场竞争的需要。

       而并行设计是把产品设计与制造过程和市场需求一起考虑的方法，以现代信息技术为基础，通过组成多学科产品开发队伍，改进产品开发流程，利用各种DFx（面向某一领域的设计）工具等手段，使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素，减少返工，达到缩短产品开发周期，提高产品质量，降低产品成本的目标，从而在全球市场竞争中获得成功。

四、对电机厂作调研的内容

       在深入电机厂调研前，为使调研有针对性，制定了调研大纲：

       1.电机结构设计主要指标有哪些？

       2.材料选择由谁完成及过程如何？

       3.电机外协件在设计中如何订货、有无反复及交货期是怎样的？

       4.试制及检验中，电机结构设计人员如何参与？

       5.定子装配与电机整体装配如何协调？

       6.电机毛坯检验和处理过程是怎样的？

       7.电机各部分设计过程（时间信息）及相互关系如何？

       8.设计和制造之间是否存在技术人员认为有可操作问题，制造与设计人员认识有何不同（提出合理化建议）？

       9.电机结构分析和设计如何协调？

       10.辅助工序详细过程和时间安排怎样？

       11.设计和生产之间信息交换方式及信息如何分类？

       12.电机结构设计任务如何分解？

       针对上述大纲，在实际调研中获得如下信息：

       首先，电机结构设计主要指标除满足电气性能，还需考虑机械强度、振动噪声水平和散热性能，这些关乎电机运行稳定性和寿命。

       材料选择上，材料工程师会根据设计要求和使用环境，综合考虑机械、电气性能、耐热性和成本等因素，经过多轮筛选和试验确定材料。

       电机外协件设计订货时，采购部门根据设计要求与多家供应商沟通比价，反复确认修改后确定方案，交货期依供应商情况灵活调整。

       试制及检验中，电机结构设计人员全程参与，根据问题调整方案，检验部门按标准测试确保质量。

       定子与整体装配协调方面，生产计划部门按进度和顺序合理安排时间，保障生产流程顺畅。

       有关电机毛坯检验，质量检验部门严格检查尺寸和表面质量，不合格产品及时返工或报废。

       设计部门提供电机各部分设计流程图和时间节点，强调各部分设计相互关联，需要沟通协调。

       设计和制造间存在可操作性问题，如设计人员重性能创新，制造人员重可制造性和成本，电机厂定期组织双方交流培训。

       电机厂用先进软件和工具对电机结构精确模拟分析，设计与结构分析人员定期沟通确保方案合理可行。

       生产管理部门根据计划和工序要求安排辅助工序时间和人员，保障生产流程。

       电机厂采用现代化信息管理系统（SmarTeam），设计和生产部门通过系统实时交换信息，确保及时准确。

       最后，设计部门根据项目复杂程度和人员配置分解设计任务，提高效率和质量。

五、基于IDEF0的单相异步电机并行设计过程建模

       在调研的基础之上，绘出了基于IDEF0的单相异步电机并行设计过程建模图，如图1-6所示。
           
六、结语

       电机设计过程中需要考虑的因素和确定的尺寸数据都很多，同时在电机设计过程中还会出现迭代现象。而且，当采取措施改善某个电机性能时，可能会导致其它一些性能变差。本文明确电机设计任务与要求，梳理准备、电磁、结构设计过程，结合调研揭示设计制造协同要点，构建基于IDEF0的单相异步电机并行设计模型，为设计标准化提供参考。