一．电机CAD技术的现状及发展
（一）．CAD技术的意义
电机CAD，即计算机辅助设计，是CAD技术在产品设计领域的具体应用之一；CAD技术能把计算机失误快速、准确、直观和设计者的逻辑思维、综合分析能力及设计经验结合起来，加速了产品的设计过程，缩短了设计周期，提高了产品和工程的设计质量和效率，降低了物质损耗和工程造价，CAD技术的最终目标是实现产品或工程涉及到自动化。国外较早地展开了对CAD技术的研究，目前已遍及机械、航空航天、汽车、造船轻纺等行业，且在产品更新换代、新品开发、企业改造、自动化生产线监控等方面发挥了巨大作用；较著名的美国GE公司，英国ＬＵＣＡＳ公司，日本三菱株式会社，其中大部分电机都在CAD、CAM、CAT工程中开发的，从而大大增强了其产品的国际竞争力。国内CAD技术起步较晚，各领域的应用研究和国外差距就更明显，而电机作为国民经济发展的基础元件，其CAD研究的重要性是明显的。正因如此，“七五”期间，机电部有针对地展开了中小型电机的研究，有效地提高了中小型电机的设计效率。
当前，“以市场为主导，唯质量求生存”已成为企业经营机制转换后每个企业必须面对的事实；而传统的手工生产方式（设计、加工、测试）将无法满足市场对企业的要求，如何提高产品的设计开发能力，使产品多品种、上水平、勤换代，从而提高产品在国内外市场的竞争力，增强企业的应变能力。唯一办法是依靠科技进步，靠建立在先进的电机CAD、CAM、CAT等现代手段基础上的自主开发能力。实践证明，CAD电机技术不但可以创造明显的经济效益，更是企业竞争力的根本保证。
（二）．电机设计及CAD的特点
电机设计是一门古老且成熟的技术，但传统的电机设计受计算手段的限制，将本应是电机磁场求解的问题，通过一定的简化等效规则而转化电路和磁路的分析计算，因此电机设计就简化成给定的技术指标，按照电机的电磁关系并经反复的假设、分析、核算而最终完成；而CAD正是利用计算机的快速计算和逻辑分析，并沿着一定的设计思路辅助设计员进行设计。
由于电机设计过程中的未知设计参数很多，且许多电磁参数、技术指标和设计参数之间无法用显式解析函数表示，而必须通过设计分析而最终完成。因此，电机设计过程实际上就是求解多未知数的不定隐式方程。
电机设计及CAD的特点为：
a.反复求解多未知数、非线性、隐式不定方程组式，必然要经过反复的假设、多方位、全过程地修改、分析、计算，因此CAD的特点应首先体现在如何能在辅助设计人员简单、快速、准确地找到最佳方案。
b.电机设计及CAD都要频繁地牵涉到大量的经验参数、曲线、图及各种标准，如何将这些成熟的数据集成，且有效、方便地为设计人员服务，也是一个理想的电机CAD必须具备的特点。
c.传统的电机设计能充分体现电机设计者的设计意识，即设计过程是否前进或折返，完全由设计者自定，而CAD其执行过程必须预先固定，这就存在如何构造CAD的操作环境，以便摆脱“CAD过程就是被动的应答过程”，从而达到CAD的本意。
（三）.电机CAD的现状
微型计算机的出现及性能价格比的不断提高，CAD技术的发展及在各行业中成功地应用，促进了电机CAD技术的发展和普及推广，尤其是近年来，改革开放的深入，市场意识的加强，产品更新周期的缩短，采用先进的电机CAD技术，必然会加速电机产品的研制，提高电机的设计质量和计算精度。与其他CAD技术一样，电机CAD也是借助计算机的高速、准确地数据处理能力来辅助设计人员进行电机设计的，但目前大部分电机CAD软件存在以下缺点：
a.电机CAD的层次太低，即目前的电机CAD软件大部分仅仅是电机设计公式的翻译，用及修改很不方便，设计者只能处于被动的应答状态，且CAD软件的通用性很差
b.电机CAD功能单一，电机CAD软件仅仅是分析计算、优化或绘图，设计过程中，参数释 意、图形辅助、操作提示、功能键设置等功能很差。
c.电机ＣＡＤ软件的资源共享性差，基本上没有数据库系统支持，所用的数据大部分都是简单的堆放。
ｄ电机ＣＡＤ的可靠性低，缺乏必要的容错能力。和软件自身的保护能力。 e.电机CAD的用户界面及人二机接口不理想。 f.电机CAD的可移植性及适应性差。
电机CAD技术大部分仍处于起步阶段,和其它行业CAD技术的研究相比,尚有一定的差距,针对这一现状,“六五”期间,仍应先选择批量大、系列化程度高、设计方法及经验相对成熟的各类中小型电机为突破口,利用其它行业已有且先进的CAD技术,尽快使电机的CAD技术上一个台阶;其次应针对各种新型且性能优异的稀土电机及其它特殊用途电机的CAD技术开展研究,以普及CAD在各种电机设计中的应用。
（四）.电机CAD的发展趋势
针对电机设计、CAD的特点及电机CAD的现状,结合其它行业CAD技术的研究与发展,认为电机CAD技术近年来应主要围绕以下几方面开展研究。 4.1电机CAD的接口与功能
电机设计需要设计人员充分发挥其设计意识,因而一个优异的电机CAD应从给设计者提供一个充分发挥其设计意识的环境出发,并同时具备良好的人一机接口及用户界面、丰富且实用的辅助功能和各种快速定位、查询、修改、扩充功能等。 4.2电机CAD系统
应避免进行单一功能的电机CAD软件的开发,如单纯的设计、计算、优化、绘图等,而是致力于进行设计分析、优化、绘图的集成化CAD系统的开发,尤其对批量大并已系列电机CAD技术的现状及发展化的电机如三相异步机、单相异步机、直流电机、同步电机等,更应注重CAD系统的开发。另外,各种CAD系统的开发,还应建立在数据库能共享的基础上,以最大限度地提高设计速度、质量及效率。 4.3电机专家CAD系统
电机设计过程中伴随大量的经验参数、曲线、图、表等,而这些经验数据经多年的实践考核,都基本上有了取值规律或范围,因此可建立一个具有“专家”能力的工程知识库及相应的电机CAD专家系统,从而为最终的设计自动化奠定基础。
二．电机CAD系统应用-------工程数据库管理系统的研究
利用CAD技术进行电机设计，目前在国内电机设计、制造行业逐渐普及，CAD技术的应用大大缩短了电机设计周期，提高了产品的设计质量。
近年来，随着电机CAD技术水平的提高，电机CAD系统在功能与结构上有了很大发展。在功能上，计算机已不仅仅用于设计方案的校核(分析)运算，还用于设计方案综合优化、结构设计、辅助制图、电磁场温度场的数值分析、数控加工程序的生成，乃至利用I-CAD (Intelligent CAD)技术〔，’进行系列电机的概念设计等。另外，由于电机产品技术含量的增加(尤其是机电一体化产品)，电机产品的设计更依赖于群体协同设计，计算机硬件客户/服务器(Client/Server)结构的普及为这类群体协同设计完全在计算机上实现带来了可能性，与此相对应，为了使电机CAD系统满足这类要求，采用“对数据的加工与处理系统”的结构模式。
这种型式的集成化模块化CAD软件系统为设计者创造了更为先进、方便的设计环境，从而有可能完全取代传统的计算器、图板等辅助设计工具。
研究认为，在高性能的电机CAD系统中，工程数据库系统是核心与桥梁，在协同设计中各部分的设计均要与其发生联系，如果电机某一部分设计发生变更，则只要在数据库中加以体现，就可马上被其它协同设计者所领悟，同而它是系统数据的总交换站;电机数据在数据库中表示的一致性、可靠性、灵活性及安全性，是CAD系统真正能发挥效用的根本保证;数据库管理系统的数据处理效率决定了CAD系统的运行性能。
(一).基本思想与要求
数据库管理系统(DBMS)一般分为二类:商用数据库管理系统及工程数据库管理系统。商用数据管理系统发展已较为成熟,应用也较为普遍,可在个人微机系统上运行的就有Dbase、FOxbase、Oraele、Informix等,而工程数据库管理系统则是数据库管理系统的新兴分支,很少能见到商品化的系统,两者存在着本质区别：
a.商用数据库是静态的,而工程数据库有许多动态数据需要管理与维护。
b.商用数据量大,但结构简单,固定(如:Dbase、FoxbaseOraele等),而工程数据类型多,结构复杂,常需同时支持多种不同的用户数据模型。
c.商用数据的管理一般仅需使用DBMS环境下的交互命令实现,而工程数据常常强调数据交互的动态性与实时性,对响应速度要求较高。
可见,沿用商用DBMS的CAD系统常常因数据管理能力不够而使系统的功能与运行效率受到很大限制,制约了系统的进一步发展与升级。
电机CAD系统中数据库管理系统的开发方法有两种,¹扩充与改进已有的商用数据库管理系统,使其能满足管理电机CAD系统中工程数据的要求。从电机CAD系统的要求来看,自行开发的工程数据库管理系统,需要具备以下几方面的特性：
a.实时数据交互,CAD系统各模块可在运行过程中直接与数据库交换设计数据。 b.动态数据交互,数据库常用数据浮动至动态数据交换区,以提高数据访问速度。
c.数据结构的动态管理与维护,描述电机设计方案的数据结构可在设计过程中不断地修改与调整。
d.具有工程DBMS所具有的特性。 e.数据的一致性。 f.数据的可靠性。 9.数据的灵活性。
h.数据处理的高效性。 1.数据的安全性。
工程DBMS自行开发包含两个方面的内容,¹数据分析,即寻求一种或几种用户数据组织模型,使其能自然、清晰、无冗余地反映电机CAD系统中各类工程设计数据,既易于被用户理解、操纵,又易于转化为物理实现,使数据的一致性与灵活性得以体现。技术设计,即研究可用于管理上述管理模型的EDBMS的结构及其功能的实现。
（二）.数据分析
电机CAD系统涉及的工程数据的特点电机CAD系统涉及的工程设计数据一般有二类: a.有关设计对象的数据,包括: 电机的电磁设计数据
电机的零部件结构设计数据。
电机零部件图形(二维视图或三维实体模型)。
这类数据的共性是其动态特性,数据的值甚至数据的结构均是在设计过程中经多次修改而确定的。
b.设计环境所需的数据,包括: 已有产品设计数据(包括a类中的各项数据)。 系列电机标准。
材料规格、性能数据。 工程制图标准。
测试数据(型式试验数据)。
这类数据的共性是结构变化较少,数据相对稳定,用户与这类数据一般只是存取关系。其中每一项数据均有其自身的特点,如电机的电磁设计数据反映了单个规格电机特有电磁设计方案,绕组型式、线规、磁路尺寸等。理论上不同规格电机之间的这类数据没有必然联系,通常可以通过列表表示;同样,系列电机标准、工程制图标准、测试数据等也可用表格表示;而电机零部件结构设计数据则不仅要反映电机各零部件的几何尺寸,还要反映零部件的组成与装配关系,对于系列电机,由于零部件要有通用性与互换性,因而无法用简单的一张表格表示。但是无论电机CAD系统中工程数据如何复杂,通过抽象,总可把数据间的联系表示成三种形式: a一对一关系—两个事物集中,某个事物集中的每一个事物至多和另一个事物集中的一个事物有关系。如电机系列标准、设计数据、制图标准数据、测试数据与各规格电机的关系,其自然表示形式通常为表格形式。
b一对多关系—两个事物集中每个事物与另一个事物集中多个事物有关,而另一个事物集中的每一个事物至多和它的一个事物有关,如电机零部件的组成关系,即一部件可由多个零部组成。
c.多对多关系—两个事物集中,其中每个事物都和另一个事物集中多个事物有关。如某一规格电机通常是由多种零件组成,而同一种零件又常被设计成可用于多种规格的电机。三种关系可用P.PChen的E一R模型表示。
（三）.技术设计
3.1工程数据库管理系统的结构
EDBMS的结构仍然采用由ANSI/SPARC提出的标准三层次结构(Three - level Architecture )，这三个层次分别为:
a.外部层次。它支持“关系型”及“层次+关系型”两种用户数据模型，用于在该层上实现对CAD系统中工程数据的描述。
b.概念层次。它支持一种关系模型，使其能反映数据库的全局逻辑视图，用户的各 种数据模型都要通过它与物理介质上的数据实现对流。
c.内部层次。它表征数据库的物理存贮结构，这种结构反映了数据在硬设备上存贮 空间的利用率及数据存取效率。
EDBMS支持下的数据库操作是通过上述各层次的逐级转化而实现的，所以EDBMS的功能就反映在这些接口的功能。这些接口分别为: a.用户命令接口。 b.逻辑记录接口。 c.物量记录接口。 3.2用户命令接口设计
用户命令接口的设计主要要解决用户描述与操纵数据的方式。数据的描还与操纵方式一般有两种，①宿主语言方式，即采用数据描述语言DDL及数据操纵语言DML，如System R中的SQL。②交互命令方式，即在DBMS环境下用特定的命令进行数据描述。 3.3逻辑记录接口设计
逻辑记录接口的功能是实现两种外部模式与概念模式的相互转化，这种转化体现在用户在外部层次上的数据描述与操纵命令转化为概念层次上对逻辑记录文件的操纵命令。
用户在外部层次上对数据的描述与操纵是通过两种数据结构的运算实现。 3.3.1第一种数据棋型—关系模型的数据结构及基本运算
关系模型一般均采用线性表(LinearList)结构表示，可认为:
Linear一List=(D,R)
(1) 式中D= {a; } a; E data object=record, l
簇n,n>0}
R={N}
N={(a:一，，a; )]a‘一-a; E D, 2令簇N} data objest(数据对象)通常为记录，每个记录还含有不同的数据元素,N表示了一个序偶的集合，a。为线性表中的结点。其中a;的组成结构对数据库的性能影响最大。这里采用了一种存贮代价较大，而运算速度较快的双向链表结构，如图5所示。它根据CAD系统的要求，牺牲存贮空间而追求高的存取速度，以提高系统的响应速度。
基于上述结构，开发了该数据结构的基本运算功能，如Append(追加记录).COPY(拷贝一串记录),Delete(删去一串记录),In-sert(插入一个记录)、List(记录列表)、Move(移动一串记录)、Search(查找一个记录)、Update(更新一个记录)等数据操纵命令。
同样，对于每个记录的结构，同样可以用线性表表示，其结点的组成除了双向链表指 针外，还包括数据项(或字段)的属性，该扩展的双向链表的基本运算构成了对数据的描述。 3.3.2第二种数据模型—“层次+关系”模型的教据结构与运算
“层次+关系”模型的特点是其每个结点都是一张关系型数据表，可认为:
Tree=(D,R)
(2) 式中，若D=}，则称Tree为空树，否则D= {root}UD.,root E data object=Linear List 称为树的根。
D._叩,m}0，且D: nD,一}, lvi , j r;为树T;的根，T;称 为root的子树
T:=
1
结点的构成同样以牺牲存贮空间而换取高速响应特点，其构成如图6所示。
对“层次+关系”模型数据的描述与操纵也分成两层，一层对结点关系模型的描述与操纵，另一层对层次模型的描述与操纵。层次模型的一些运算主要依赖于树的遍历算法，在这里遍历算法是通过将其转换为二叉树实现。 3.3.3外部层次与概念层次之间的转化
由于缺少在概念层次和外部层次上的任意抽象数据模型之间命令转化的一般解决方法，外部层次与概念层次之间的转化是有条件的，一般外部层次支持的数据模型应是概念层次支持的数据模型的子模型，但对于本文的工程DBMS，其概念层次上支持关系型数据模型，而外部层次上支持的“层次十关系”模型算不上其子模型，其解决方法为: a.在概念层次上关系模型的数据逻辑结构采用式(1)，而其存贮结构采用顺序逻辑记 录存贮结构。
b.在外部层次上对两种数据模型的数据结构的定义进行修改。在式(1)中将数据对象data object改成概念层次上顺序逻辑记录对应的序号；式(2)中将数据对象data , object改成概念层次上对应顺序逻辑记录文件名。
