應(yīng)用三維技術(shù)對(duì)電力電子設(shè)備的研發(fā)

何 堃

（比亞迪汽車有限公司，陜西 西安 710119）

一、概述

現(xiàn)代市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期越來越短。為了縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先對(duì)手，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要應(yīng)對(duì)電子行業(yè)中瞬息萬(wàn)變的需求。電子和半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，導(dǎo)致電子學(xué)、機(jī)電一體化（電子機(jī)械、電子學(xué)和軟件的協(xié)同）和設(shè)計(jì)零部件系統(tǒng)的工具快速變化。需要讓產(chǎn)品具有更多功能，但產(chǎn)品尺寸不能大于以往產(chǎn)品和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，甚至需要更小。競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)著電子行業(yè)研制尺寸更小但功能更完善的設(shè)備。這就要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具能夠"更經(jīng)濟(jì)地利用"物理空間。更多的功能通常意味著更高的電子產(chǎn)品復(fù)雜性，以及需要散發(fā)熱量的零部件。由于市場(chǎng)需求的緣故，即使在新型號(hào)中增加新的功能，產(chǎn)品外殼的尺寸也不能變大，而是需要保持原尺寸不變，甚至要變得更小。采用何種設(shè)計(jì)工具，既能盡快開發(fā)出適銷對(duì)路的新產(chǎn)品，又能方便工程技術(shù)人員之間交流，是擺在廣大設(shè)計(jì)人員面前的問題。

二、三維設(shè)計(jì)技術(shù)在電力電子行業(yè)中的應(yīng)用。隨著產(chǎn)品開發(fā)周期正變得更短，這樣我們需要在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多工作。應(yīng)用三維技術(shù)對(duì)電力電子設(shè)備的研發(fā)，其目的是利用三維技術(shù)作出的實(shí)體模型與實(shí)際中應(yīng)用的元件設(shè)備非常接近的特點(diǎn)，采用其三維旋轉(zhuǎn)、圖形組建定位等功能完成一些原來只能在樣機(jī)中才能進(jìn)行的工作，達(dá)到縮短開發(fā)周期、提高研發(fā)質(zhì)量的目的。

目前在三維建模行業(yè)中，著名的三維建模軟件有 AutoCAD、Pro/ENGINEER、SolidWorks等，本文選擇SolidWorks作為三維技術(shù)電力電子虛擬平臺(tái)的載體。其主要因素是AutoCAD軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用三維技術(shù)較早，在電氣行業(yè)中應(yīng)用也比較廣泛，但三維繪制過程比較煩雜，并且三維實(shí)體不是很直觀，現(xiàn)在也很少使用它來進(jìn)行三維繪圖。使用Pro/ENGINEER和Solid－Works使用較普遍，并且三維功能都比較強(qiáng)大，其中SolidWorks的操作比較容易上手，完全可以滿足使用需求。

SolidWorks是一套智能型的高級(jí)CAD/CAE/CAM組合軟件，它采用基于特征的實(shí)體建模，具有完整的零件造型、裝配、二維圖紙生成、智能裝配、干涉檢查和有限元分析等一系列功能，實(shí)現(xiàn)了全相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)。它能方便地進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)，加工制造模具及各種力學(xué)分析，智能化程度高，參數(shù)化功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，是較容易使用的三維設(shè)計(jì)軟件。應(yīng)用SolidWorks作為三維電力電子虛擬平臺(tái)，簡(jiǎn)單易學(xué)，不僅可以與AutoCAD相兼容，最重要的是可以將主要精力用于電力電子設(shè)備的研發(fā)，而不是用于進(jìn)行軟件操作的學(xué)習(xí)。當(dāng)對(duì)三維技術(shù)應(yīng)用熟練后，轉(zhuǎn)用Pro/ENGINEER或其它三維軟件就只是一個(gè)適應(yīng)操作界面的問題。

三、三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立

三維設(shè)計(jì)平臺(tái)和三維設(shè)計(jì)軟件是不同的概念，計(jì)算機(jī)和三維軟件結(jié)合起來，只能稱為三維設(shè)計(jì)室，并不能稱為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，只有對(duì)基本模型建立完成后方能稱之為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。任何一個(gè)產(chǎn)品都由一個(gè)或多個(gè)相同或不同的零部件組成，而三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立主要就是對(duì)于我們?nèi)S設(shè)計(jì)中所需各模型圖元的建立。

1.電力電子三維設(shè)計(jì)平臺(tái)建立的要素

在電力電子研發(fā)中，對(duì)于只能購(gòu)買、不能制作的電力電子器件稱為剛性器件，只有將剛性器件模型建立完成的工作環(huán)境才能稱之為電力電子三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2.根據(jù)電氣原理圖，確定剛性器件的種類

根據(jù)所設(shè)計(jì)的整機(jī)或單元的電氣原理圖，將其剛性器件采集出來。

在電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)制作的是結(jié)構(gòu)，用于安裝元器件。首先我們要對(duì)電器原理圖進(jìn)行詳細(xì)分析，羅列出整機(jī)或單元中需要的電氣元件，這些都是外部購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)器件，以此來建立我們?cè)O(shè)計(jì)所需的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。這個(gè)工作平臺(tái)是獨(dú)立的圖元，在三維虛擬平臺(tái)中，一旦建立確認(rèn)后，只允許進(jìn)行移動(dòng)，而不允許更改。利用三維軟件建立電力電子三維工作平臺(tái)。

首先建立一個(gè)電氣元件圖庫(kù)的文件夾。

在電氣原理圖中，分解出需要對(duì)外進(jìn)行購(gòu)買的電氣元件和已經(jīng)是標(biāo)件的最小零件，就是虛擬工作平臺(tái)所定義的剛性元件。一般情況下根據(jù)電氣元件結(jié)構(gòu)樣冊(cè)上提供的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其進(jìn)行全比例輸入，并且對(duì)于樣冊(cè)不明確的元件進(jìn)行實(shí)物測(cè)繪進(jìn)行輸入。

通過SolidWorks零件設(shè)計(jì)界面，對(duì)于上面步驟中分解出的剛性元件分別根據(jù)各自已明確的結(jié)構(gòu)尺寸繪制三維零件模型，并以實(shí)際器件名稱保存在電氣元件圖庫(kù)的文件夾中。這些零件的造型是以草圖為基礎(chǔ)，輔之點(diǎn)、線和面，運(yùn)用旋轉(zhuǎn)、拉伸切除、抽殼、陣列、掃描和放樣等相應(yīng)命令來完成。在此繪制過程中一定要保證1:1的設(shè)計(jì)輸入，其輸入結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性將影響整個(gè)虛擬平臺(tái)的精確性。這樣便形成了基本的一個(gè)電力電子三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

在電力電子設(shè)備研發(fā)中，產(chǎn)品的組成單元是很多的。在三維設(shè)計(jì)界面中，為了更加直觀的觀測(cè)各圖元間的位置關(guān)系，我們要對(duì)各剛性零件的三維模型進(jìn)行上色處理，以完善三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。而對(duì)于顏色的選擇可以根據(jù)實(shí)物表面顏色，也可以根據(jù)個(gè)人偏好，主要目的只是在于三維模型之間的區(qū)分。

四、整機(jī)或單元虛擬工作平臺(tái)的研發(fā)進(jìn)程

1.制定研發(fā)原則

在整機(jī)或單元虛擬工作平臺(tái)上進(jìn)行整機(jī)或單元研發(fā)，就要充分利用虛擬工作平臺(tái)上的圖形與實(shí)際一致，即所見即所得的效果。根據(jù)其強(qiáng)大的立體空間感，制定符合虛擬工作平臺(tái)特點(diǎn)的研發(fā)原則，提高其效率。

（1）在元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以結(jié)構(gòu)本體實(shí)現(xiàn)配合為主，在設(shè)計(jì)中就要對(duì)于安裝、配合進(jìn)行定位，減少需要人工保證安裝、配合精度的部件。（2）充分考慮設(shè)備的加工精度，保證元件的合理性。（3）強(qiáng)電弱電系統(tǒng)分別布放，不出現(xiàn)強(qiáng)弱電并排布線的問題。（4）元件空間布置符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。（5）保證技術(shù)參數(shù)的條件下，盡量縮小體積。

2.設(shè)定器件空間布置

在SolidWorks中建立裝配圖類型的文件，將各個(gè)已建好的元器件圖塊輸入裝配圖中，通過對(duì)元器件移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作進(jìn)行空間布局。SolidWorks的裝配智能化較高，它與車間產(chǎn)品的總裝有一定的區(qū)別。它對(duì)不同的零件裝配順序沒有特殊要求，視方便而定，不存在因工序差別造成裝配失敗的情況。對(duì)不同的元器件圖塊?？赏ㄟ^裝配命令里的同軸心、相切、共線和共面等命令完成裝配定位。裝配完成后，還可以啟用SolidWorks的裝配及干涉檢查插件，檢驗(yàn)各零件的干涉情況。

（1）整體布局。對(duì)于各結(jié)構(gòu)單元、傳動(dòng)和執(zhí)行裝置、環(huán)境保護(hù)等各項(xiàng)規(guī)劃進(jìn)行合理地結(jié)構(gòu)布局，以確定相互之間的連接形式。通過這些總體的考慮來制定一個(gè)穩(wěn)定的布局，這樣既可保證整機(jī)或單元結(jié)構(gòu)的合理性，又可以縮小整機(jī)或單元的體積。

（2）功率器件的布置。在功率器件中，發(fā)熱量較大的整流橋和IGBT都必須裝于散熱器上，同時(shí)有大功率母線與電容陣列連接，故其采用平面順序形式布置。

（3）主控板的布置。在全部器件中，主控板的位表面積最大。同時(shí)從電力電子器件的電磁兼容要求出發(fā)，主控板的驅(qū)動(dòng)到IGBT控制端子的引線應(yīng)為最短，一般將主控板的位置放在IGBT的附近。

（4）設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。電子設(shè)備散熱系統(tǒng)中溫升控制的方法包括：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷、蒸發(fā)冷卻、溫差電致冷、熱管傳熱等形式。通過對(duì)于客戶現(xiàn)場(chǎng)使用要求和三維設(shè)計(jì)空間中整體布局的要求，研發(fā)人員要選擇合理的散熱形式。對(duì)于散熱形式具體結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)則更多的需要研發(fā)人員的想象能力，而不是對(duì)實(shí)際物體的熟悉能力。另外還要結(jié)合散熱系統(tǒng)中發(fā)熱件的發(fā)熱量，后期要在SolidWorks所附帶的分析程序中進(jìn)行的熱分析驗(yàn)證。

（5）制作出虛擬外殼基本形狀。根據(jù)總體布局和客戶現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需求和合理結(jié)構(gòu)形式的外殼。對(duì)于這一點(diǎn)，我們可以在SolidWorks裝配圖界面里對(duì)于非主要元器件或結(jié)構(gòu)單元的位置進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)調(diào)整，力求保證整個(gè)外殼形狀的簡(jiǎn)單和精巧。然后充分利用虛擬空間中各元件的獨(dú)立空間功能，將各單元及各元器件內(nèi)外之間通過的線束、銅帶等過孔的位置確定，再進(jìn)行過孔設(shè)計(jì)。

（6）在虛擬平臺(tái)上完成元器件固定與內(nèi)部布線。在SolidWorks裝配圖界面里通過裝配命令參數(shù)設(shè)置，確定元器件固定位置。

（7）功率單元內(nèi)部布線原則。根據(jù)原理圖，按照以下的原則進(jìn)行。功率回路盡量采用銅排結(jié)構(gòu)，且同一回路布置作成層疊位置，使其圈起的面積盡量小。高壓與低壓的線束分別布置，控制線采用雙絞線的結(jié)構(gòu)。整流橋輸出線與IGBT線束分開。銅帶結(jié)構(gòu)用整體制作，不作中間連接。吸收電容直接壓于元件上。

（8）完成整機(jī)或單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在完成以上這些步驟后，對(duì)各單元的外形與安裝部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。此項(xiàng)需考慮到盡可能用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來滿足安裝和強(qiáng)度要求。同時(shí)還要充分考慮安裝工藝和調(diào)試流程的要求，能方便地實(shí)現(xiàn)快速裝配與調(diào)試加電的功能。這些部分結(jié)束以后，我們要對(duì)結(jié)構(gòu)件上元器件和線路安裝定位的結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行確定，以細(xì)化設(shè)計(jì)。

在虛擬平臺(tái)中的整機(jī)或單元完成后，利用SolidWorks中三維實(shí)體轉(zhuǎn)工程圖的功能，可根據(jù)需要生成局部視圖、剪裁視圖、剖面視圖、斷面視圖和輔助等各種視圖，并能自動(dòng)加注尺寸。另外，要改動(dòng)圖紙時(shí)，只要在原3D模型上修改，工程圖可以實(shí)現(xiàn)同步改變。最后可以把總裝圖轉(zhuǎn)化為eDrawings文件，這樣方面了設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)人員及客戶的溝通，也提高了協(xié)同工作能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

采用三維設(shè)計(jì)軟件，通過應(yīng)用虛擬工作平臺(tái)對(duì)整機(jī)或單元進(jìn)行研發(fā)，不僅加快了信息在產(chǎn)品開發(fā)機(jī)構(gòu)中的處理速度，提高了設(shè)計(jì)效率，加快了產(chǎn)品上市速度，降低工程設(shè)計(jì)成本和制造成本，而且也通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法提升了企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，裝配問題已不需要多個(gè)樣品才能定型，在虛擬平臺(tái)中即可以完成。這節(jié)約了大量的人力與物力資源，保證了在研發(fā)過程中，電磁兼容的原則完全貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中。

三維設(shè)計(jì)技術(shù)在現(xiàn)代各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中已越來越被廣泛的采用，而要真正掌握此項(xiàng)設(shè)計(jì)方法，還需要研發(fā)人員全面的了解設(shè)計(jì)對(duì)象及三維設(shè)計(jì)軟件的功能，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷的體會(huì)和總結(jié)。

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