應用三維技術對電力電子設備的研發

何 堃

（比亞迪汽車有限公司，陜西 西安 710119）

一、概述

現代市場的激烈競爭，使得產品設計和生產周期越來越短。為了縮短產品上市時間并在競爭中領先對手，電子產品設計師需要應對電子行業中瞬息萬變的需求。電子和半導體技術不斷發展，導致電子學、機電一體化（電子機械、電子學和軟件的協同）和設計零部件系統的工具快速變化。需要讓產品具有更多功能，但產品尺寸不能大于以往產品和競爭對手的產品，甚至需要更小。競爭推動著電子行業研制尺寸更小但功能更完善的設備。這就要求產品設計工具能夠"更經濟地利用"物理空間。更多的功能通常意味著更高的電子產品復雜性，以及需要散發熱量的零部件。由于市場需求的緣故，即使在新型號中增加新的功能，產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。采用何種設計工具，既能盡快開發出適銷對路的新產品，又能方便工程技術人員之間交流，是擺在廣大設計人員面前的問題。

二、三維設計技術在電力電子行業中的應用。隨著產品開發周期正變得更短，這樣我們需要在更短的時間內完成更多工作。應用三維技術對電力電子設備的研發，其目的是利用三維技術作出的實體模型與實際中應用的元件設備非常接近的特點，采用其三維旋轉、圖形組建定位等功能完成一些原來只能在樣機中才能進行的工作，達到縮短開發周期、提高研發質量的目的。

目前在三維建模行業中，著名的三維建模軟件有 AutoCAD、Pro/ENGINEER、SolidWorks等，本文選擇SolidWorks作為三維技術電力電子虛擬平臺的載體。其主要因素是AutoCAD軟件在國內應用三維技術較早，在電氣行業中應用也比較廣泛，但三維繪制過程比較煩雜，并且三維實體不是很直觀，現在也很少使用它來進行三維繪圖。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CAD/CAE/CAM組合軟件，它采用基于特征的實體建模，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，實現了全相關參數化設計。它能方便地進行樣機設計，加工制造模具及各種力學分析，智能化程度高，參數化功能強，操作簡單，是較容易使用的三維設計軟件。應用SolidWorks作為三維電力電子虛擬平臺，簡單易學，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備的研發，而不是用于進行軟件操作的學習。當對三維技術應用熟練后，轉用Pro/ENGINEER或其它三維軟件就只是一個適應操作界面的問題。

三、三維設計平臺的建立

三維設計平臺和三維設計軟件是不同的概念，計算機和三維軟件結合起來，只能稱為三維設計室，并不能稱為三維設計平臺，只有對基本模型建立完成后方能稱之為三維設計平臺。任何一個產品都由一個或多個相同或不同的零部件組成，而三維設計平臺的建立主要就是對于我們三維設計中所需各模型圖元的建立。

1.電力電子三維設計平臺建立的要素

在電力電子研發中，對于只能購買、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境才能稱之為電力電子三維設計平臺。

2.根據電氣原理圖，確定剛性器件的種類

根據所設計的整機或單元的電氣原理圖，將其剛性器件采集出來。

在電子產品的結構設計中，運用三維設計技術制作的是結構，用于安裝元器件。首先我們要對電器原理圖進行詳細分析，羅列出整機或單元中需要的電氣元件，這些都是外部購買的標準器件，以此來建立我們設計所需的三維設計平臺。這個工作平臺是獨立的圖元，在三維虛擬平臺中，一旦建立確認后，只允許進行移動，而不允許更改。利用三維軟件建立電力電子三維工作平臺。

首先建立一個電氣元件圖庫的文件夾。

在電氣原理圖中，分解出需要對外進行購買的電氣元件和已經是標件的最小零件，就是虛擬工作平臺所定義的剛性元件。一般情況下根據電氣元件結構樣冊上提供的結構尺寸對其進行全比例輸入，并且對于樣冊不明確的元件進行實物測繪進行輸入。

通過SolidWorks零件設計界面，對于上面步驟中分解出的剛性元件分別根據各自已明確的結構尺寸繪制三維零件模型，并以實際器件名稱保存在電氣元件圖庫的文件夾中。這些零件的造型是以草圖為基礎，輔之點、線和面，運用旋轉、拉伸切除、抽殼、陣列、掃描和放樣等相應命令來完成。在此繪制過程中一定要保證1:1的設計輸入，其輸入結構的準確性將影響整個虛擬平臺的精確性。這樣便形成了基本的一個電力電子三維設計平臺。

在電力電子設備研發中，產品的組成單元是很多的。在三維設計界面中，為了更加直觀的觀測各圖元間的位置關系，我們要對各剛性零件的三維模型進行上色處理，以完善三維設計平臺。而對于顏色的選擇可以根據實物表面顏色，也可以根據個人偏好，主要目的只是在于三維模型之間的區分。

四、整機或單元虛擬工作平臺的研發進程

1.制定研發原則

在整機或單元虛擬工作平臺上進行整機或單元研發，就要充分利用虛擬工作平臺上的圖形與實際一致，即所見即所得的效果。根據其強大的立體空間感，制定符合虛擬工作平臺特點的研發原則，提高其效率。

（1）在元件結構設計中，以結構本體實現配合為主，在設計中就要對于安裝、配合進行定位，減少需要人工保證安裝、配合精度的部件。（2）充分考慮設備的加工精度，保證元件的合理性。（3）強電弱電系統分別布放，不出現強弱電并排布線的問題。（4）元件空間布置符合EMC標準。（5）保證技術參數的條件下，盡量縮小體積。

2.設定器件空間布置

在SolidWorks中建立裝配圖類型的文件，將各個已建好的元器件圖塊輸入裝配圖中，通過對元器件移動、旋轉等操作進行空間布局。SolidWorks的裝配智能化較高，它與車間產品的總裝有一定的區別。它對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。對不同的元器件圖塊。可通過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，檢驗各零件的干涉情況。

（1）整體布局。對于各結構單元、傳動和執行裝置、環境保護等各項規劃進行合理地結構布局，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穩定的布局，這樣既可保證整機或單元結構的合理性，又可以縮小整機或單元的體積。

（2）功率器件的布置。在功率器件中，發熱量較大的整流橋和IGBT都必須裝于散熱器上，同時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。同時從電力電子器件的電磁兼容要求出發，主控板的驅動到IGBT控制端子的引線應為最短，一般將主控板的位置放在IGBT的附近。

（4）設計散熱系統。電子設備散熱系統中溫升控制的方法包括：自然冷卻、強迫風冷、強迫液冷、蒸發冷卻、溫差電致冷、熱管傳熱等形式。通過對于客戶現場使用要求和三維設計空間中整體布局的要求，研發人員要選擇合理的散熱形式。對于散熱形式具體結構的體現則更多的需要研發人員的想象能力，而不是對實際物體的熟悉能力。另外還要結合散熱系統中發熱件的發熱量，后期要在SolidWorks所附帶的分析程序中進行的熱分析驗證。

（5）制作出虛擬外殼基本形狀。根據總體布局和客戶現場安裝要求，設計滿足結構的強度需求和合理結構形式的外殼。對于這一點，我們可以在SolidWorks裝配圖界面里對于非主要元器件或結構單元的位置進行移動、旋轉調整，力求保證整個外殼形狀的簡單和精巧。然后充分利用虛擬空間中各元件的獨立空間功能，將各單元及各元器件內外之間通過的線束、銅帶等過孔的位置確定，再進行過孔設計。

（6）在虛擬平臺上完成元器件固定與內部布線。在SolidWorks裝配圖界面里通過裝配命令參數設置，確定元器件固定位置。

（7）功率單元內部布線原則。根據原理圖，按照以下的原則進行。功率回路盡量采用銅排結構，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構。整流橋輸出線與IGBT線束分開。銅帶結構用整體制作，不作中間連接。吸收電容直接壓于元件上。

（8）完成整機或單元的結構設計。在完成以上這些步驟后，對各單元的外形與安裝部分進行設計，也就是結構件的設計。此項需考慮到盡可能用簡單結構來滿足安裝和強度要求。同時還要充分考慮安裝工藝和調試流程的要求，能方便地實現快速裝配與調試加電的功能。這些部分結束以后，我們要對結構件上元器件和線路安裝定位的結構要素進行確定，以細化設計。

在虛擬平臺中的整機或單元完成后，利用SolidWorks中三維實體轉工程圖的功能，可根據需要生成局部視圖、剪裁視圖、剖面視圖、斷面視圖和輔助等各種視圖，并能自動加注尺寸。另外，要改動圖紙時，只要在原3D模型上修改，工程圖可以實現同步改變。最后可以把總裝圖轉化為eDrawings文件，這樣方面了設計人員與生產人員及客戶的溝通，也提高了協同工作能力。

五、結束語

采用三維設計軟件，通過應用虛擬工作平臺對整機或單元進行研發，不僅加快了信息在產品開發機構中的處理速度，提高了設計效率，加快了產品上市速度，降低工程設計成本和制造成本，而且也通過先進的設計理念和設計方法提升了企業對設計創新的認識。同時，裝配問題已不需要多個樣品才能定型，在虛擬平臺中即可以完成。這節約了大量的人力與物力資源，保證了在研發過程中，電磁兼容的原則完全貫穿于整個系統中。

三維設計技術在現代各領域的設計中已越來越被廣泛的采用，而要真正掌握此項設計方法，還需要研發人員全面的了解設計對象及三維設計軟件的功能，在實際設計中不斷的體會和總結。

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