基于虛擬樣機技術的鐵路貨車軸端電機結構設計

王恒亮， 陸正剛， 孫效杰， 張寶安

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

基于虛擬樣機技術的鐵路貨車軸端電機結構設計

王恒亮， 陸正剛， 孫效杰， 張寶安

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

介紹了虛擬樣機技術和Pro/E軟件，描述了鐵路貨車軸端電機的結構和功能特點及其虛擬樣機模型的三維設計流程。講述了模塊化理念和并行設計方法在軸端電機總體設計中的應用，并詳細描述了參數化設計方法在軸端電機詳細設計中的應用，主要包括零部件尺寸參數化、裝配約束參數化及Pro/E提供的“外部復制幾何”和“使用參照”兩種參數化工具。以永磁體厚度作參數化變量為例，介紹了多學科分析在軸端電機結構設計中的作用。通過鐵路貨車軸端電機結構設計的實踐表明：先進的三維設計技術和卓越的多學科分析方法是基于虛擬樣機技術的產品結構設計的重要工具和組成部分,能有效縮短設計周期、減少設計成本，并能保證產品滿足使用者的需求。

虛擬樣機；軸端電機；三維設計；多學科分析；Pro/E

研發一種鐵路貨車車輛軸端發電裝置，改變貨車走行部無電狀態，為轉向架智能監控系統提供所需電力。根據預算出的各結構參數，運用Pro/E軟件在三維(Three Dimensional，3D)環境下實現該軸端電機的虛擬樣機(Virtual Prototype，VP)建模與裝配。欲根據相關電磁場效果、生電效率及經濟性等多學科分析結果，對已完成的軸端電機結構方案進行更改，在其 3D設計階段可引入模塊化理念、并行設計和參數化設計方法，保證外界約束能驅動VP模型產生適應性改變，以滿足軸端電機的實際性能需求及其實際安裝或懸掛要求。這種基于VP技術的產品結構設計方法能推廣至汽車、船舶和航空等領域的裝備設計過程中，能有效縮短產品設計耗時，同時能延長產品全壽命周期。

1 VP技術與Pro/E軟件

VP技術是以先進的CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）技術為基礎，建立與物理樣機相一致的數字化VP模型，然后利用VP模型進行動力學、熱力學、磁場等多學科分析的一種卓越技術[1-2]。VP技術能方便實現人機交互的3D設計，能全面表達設計理念、設計思路與設計效果。同時，依據VP模型的多學科分析結果，在虛擬空間內可以自由修改原VP模型的各類參數，滿足所設計產品的實際使用需要。VP技術、VP模型（3D設計）、多學科分析3者之間的關系，如圖1所示。VP技術能大量減少產品開發時間和成本，最關鍵的是設計者能夠針對使用者提出的性能和質量要求進行產品設計，為新產品迅速占領市場創造有利條件[3]。

Pro/E(Pro/Engineer)軟件是美國 PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的工程設計軟件，是當今世界機械設計行業內最為流行的3D軟件之一。利用Pro/E進行產品的3D設計是基于裝配關系進行的，而裝配的基礎是零件；零件是由若干帶參數的特征堆累形成，特征是能夠表達設計意圖的簡單幾何形體，構成這些幾何形體的要素是參數化的[4-5]。Pro/E已廣泛應用于汽車、航空航天、家電等領域，其版本也不斷升級，在簡化并精煉軟件操作的基礎上引入很多實用的新功能，如行為建模功能。采用 Pro/E軟件可以實現該軸端電機的VP建模與裝配，在3D空間中可以觀測其內部各個方位的結構，更能依據多學科分析的結果自由修改其設計參數以滿足要求。

2 軸端電機的3D設計流程

該軸端電機為鐵路貨車車輛轉向架智能監控系統的供電裝置，擬采用單定子單轉子盤式永磁電機結構方案，其軸向尺寸小，使用永磁體勵磁，被密封在軸箱端蓋內，防塵、防水性能好，且易于拆裝。根據永磁電機工作原理，該軸端電機由定子和轉子兩大部分組成。定子通過軸箱端蓋和緊固件安裝在車軸軸承座上；轉子通過軸端壓板和緊固件安裝在車軸末端，并伴隨車軸的轉動進行旋轉。在3D環境下，結合多學科分析結果，可運用Pro/E軟件進行該軸端電機的VP模型設計，其設計流程，如圖2所示。

圖2 軸端電機VP模型的3D設計流程

3 軸端電機3D設計技術

3.1 模塊化理念和并行設計（總體設計）

模塊化理念是基于系統論設計思想與方法，按一定規則將產品劃分為一系列模塊，在產品設計過程中通過制作、選擇和組合各模塊可以快速獲得新的產品[6]。產品模塊化理念的提出促使并行設計方法的產生，即在以系統為核心的范圍內，對產品各模塊的研發工作同步開展，且并行設計過程中能全面考慮各模塊對產品綜合性能的影響，有助于提高產品質量并大大縮減產品設計周期。

圖3 軸端電機的模塊等級樹

模塊化理念和并行設計方法能運用于產品總體設計過程中。根據該軸端電機的結構和性能特點，將其主要零部件劃分為定子組成、轉子組成和標準件3個模塊，并定義模塊的等級，如圖3所示。運用Pro/E進行3D設計的過程中，把整個電機定義為總組件（GENERATOR.ASM），2級模塊中定子組成、轉子組成分別定義為子組件(STATOR.ASM和ROTOR.ASM)，3級模塊中各元件定義為零件（如SILICON_STEEL_SHEETS.PRT, ISOLATION_RING. PRT, COILS. PRT等），2級模塊之標準件中的螺釘、螺栓和墊圈等用于完成該軸端電機零部件的連接。如圖4所示，該軸端電機 3D設計的模型樹中主要包括基準平面、基準坐標及各已建立的特征或零部件，它能清晰地表達產品內部零部件的結構關系，較好地映射設計者的設計思路與方法，同時，依據模型樹能方便與快速地修改結構設計中各特征或約束的參數值。

圖4 軸端電機的3D設計模型樹

根據圖3和圖4，該軸端電機的設計工作可以按照局部到整體、零件到部件的關系進行。首先，使用Pro/E提供的各種造型工具，并靈活運用多種造型技巧完成3級模塊中各零件的3D建模；然后，在同一工作目錄下分別建立2級模塊中的定子組成（STATOR.ASM）和轉子組成（ROTOR.ASM）這兩個子組件，導入各組件所包含的零件，并調用標準件模塊中的連接件或緊固件進行子組件的虛擬裝配；最后把兩個子組件導入總組件中，同樣調用標準件中的零件完成該軸端電機的虛擬裝配，形成的外觀效果圖，如圖5所示。圖5中①為軸承座，內部包含該軸端電機的轉子部分，②為軸箱端蓋，內部包含其定子部分。

圖5 軸端電機的3D外觀圖

3.2 參數化設計（詳細設計）

參數化設計的動力來源于外部因素的影響，根據產品本身需滿足的學科要求和市場對產品所期望的性能指標，對預設計的產品提出修改建議和意見，這些因素直接驅動產品各項數據的更新[7-9]。參數化設計主要用于產品的詳細設計階段，能具體到某個特征的信息。Pro/E軟件本身是采用單一數據庫、參數化、基于特征、全相關及工程數據再利用的實體模型化系統，基于帶參數的簡單幾何要素（點、線、面）可以實現3D零件的變量參數化和VP裝配的約束參數化[10-11]。

根據該軸端電機的多學科分析結果，要滿足使用者提出的需求，在3D環境中可對其零部件的尺寸參數和裝配參數這兩個結構參數進行修改。為方便進行設計更改，在其VP建模與裝配的過程中，充分發揮Pro/E自身的參數化功能，并采用一定的造型方法和裝配策略。

圖6 永磁體拉伸特征的參數化尺寸

在該軸端電機的各零部件中，永磁體的形狀、大小和材質等是影響磁場強度、電機特性及用材經濟性等的重要因素。在3D設計的過程中，永磁體的模型主要包括拉伸和倒角兩個特征。其中，拉伸作為第一特征，截面中3個尺寸（內徑R65、外徑 R94和扇形角 21°）和拉伸深度（厚度4）在Pro/E中均是參數化變量，如圖6所示。在該軸端電機各裝配參數中，對電機生電效率、磁場強度和電機特性等影響較大的是轉子和定子之間的氣隙大小，如圖7所示。根據該軸端電機的結構特點，按照一定順序（①軸承座-②定子-③轉子-④車軸-⑤軸承）完成其虛擬裝配，氣隙值的大小可以依據使用者對電機性能的要求自由調整。

圖7 軸端電機虛擬裝配局部剖面圖

在該軸端電機的結構設計中最重要的裝配為線圈-硅鋼片組、永磁體-承載圈，線圈要按指定的匝數繞在硅鋼片組的開槽內，永磁體大小需要和承載圈上的開槽完全匹配。因此，可基于部件級的裝配關系，在定子組成或轉子組成的組件環境中，分別進行線圈和永磁體的形狀設計，如圖8和圖9所示。如圖10和圖11所示，利用Pro/E提供的“外部復制幾何”和“使用參照”工具，進行永磁體、承載圈、線圈、硅鋼片組等4個零件的3D建模與虛擬裝配，這樣將提高零件模型尺寸的準確性并避免裝配時超出規定的限界，同時大大縮短了設計用時[11]。利用上述兩個工具完成設計工作后，根據多學科分析結果和使用者需求，若改變硅鋼片組的開槽或永磁體的大小、形狀，線圈和承載圈上的開槽將隨之發生自適應修改，達到基于部件級參數化設計的目標。

圖8 在定子組成組件環境中進行線圈的設計

圖9 在轉子組成組件環境中進行永磁體的設計

圖10 利用“外部復制幾何”工具通過復制硅鋼片組開槽的形貌繪制線

圖11 利用“使用參照”工具參照永磁體的輪廓線繪制承載圈上的開槽

上述的造型方法與裝配策略僅為示例，在該軸端電機詳細設計過程中，針對不同零部件的結構特點，設計者可以充分運用Pro/E提供的參數化工具，建立尺寸關系和約束關系參數化模型，為該軸端電機的多學科分析工作提供重要基礎。

4 軸端電機多學科分析

在進行該軸端電機結構設計之前，根據一般永磁電機的設計方案及該電機需滿足的性能要求，預算相關零部件的結構參數。依據初選的各參數，運用Pro/E軟件提供的各種造型方法與裝配策略，完成該軸端電機的3D建模與VP裝配。為校核所完成的設計方案是否滿足使用者提出的性能、經濟性和可行性等要求，需從磁場強度、發電效率及結構強度等角度，對已完成的結構方案進行多學科分析。由于目前關于該軸端電機的最優化設計沒有明確考查指標或標準，因此，有關該電機的多學科分析大都從使用者提出的不同需求出發，結合matlab軟件計算出不同結構參數下獲得的電機特性曲線，使用者可以據此來選擇其所需的軸端電機的各項參數。

影響該軸端電機工作性能的因素很多，主要集中于勵磁部位，包括永磁體和線圈。其中，永磁體厚度是其磁化方向的重要結構參數，故以此為例來研究永磁體厚度的改變對該電機效率、功率因素、輸入功率和輸出功率等4個性能指標的影響[12-13]，分析結果分別如圖12、圖13、圖14、圖15所示。

圖12 軸端電機效率曲線

圖13 軸端電機功率因素曲線

圖14 軸端電機輸入功率曲線

圖15 軸端電機輸出功率曲線

轉矩角是電機運行特性最主要的決定因素，一般取35°-45°。圖12表明該軸端電機的效率隨著轉矩角的增大呈類似線性減小，但永磁體厚度越大，電機效率越高；圖 13表明該軸端電機的功率因素隨著轉矩角的增大呈非線性減小，同樣，永磁體厚度越大，電機功率因素越大；圖14表明該軸端電機輸入功率隨著轉矩角的增大呈類似線性增大，但永磁體厚度越大，電機輸入功率越小；圖 15表明該軸端電機輸出功率隨著轉矩角的增大呈類似線性增大，且永磁體厚度在3-5mm范圍的變化，對電機輸出功率基本沒有影響。據此，使用者可以根據上述分析結果、實際需求和永磁體材料價格等因素綜合確定永磁體厚度。

根據使用者提出的需求，該軸端電機設計者可以分析計算獲得電機各結構參數后更改初始設計，或者可以使用不同的結構參數完成多套設計方案，分別對每套方案進行多學科分析，得到不同的電機特性供使用者挑選。

5 結 束 語

通過學習VP的原理與技術，按照預定的設計流程，根據電機的結構和功能特點，運用Pro/E軟件提供的各種造型工具和裝配策略，并能結合電機的多學科分析結果，實現了鐵路貨車車輛軸端電機的VP建模與裝配，特別是參數化設計為電機的多學科分析結果的反饋運用提供了重要基礎。基于VP技術的產品結構設計方法在軸端電機的設計過程中得到了實踐，這種先進的設計方法能推廣和應用于其他領域的設備制造業中。對于結構設計和多學科分析兩者之間接口技術、相互作用與軟件開發等更深入的研究與實踐還有待進一步加強。

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The Structural Design of Shaft-end Generator in Railway Wagons Based on Virtual Prototype Technology

Wang Hengliang, Lu Zhenggang, Sun Xiaojie, Zhang Baoan
( Institute of Railway & Urban Mass Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The technology of Virtual Prototype (VP) and the software of Pro/Engineer(Pro/E) are introduced. The characteristics of structure and function of shaft-end generator in railway wagons are described, as well as Three Dimensional (3D) design process of its VP Model.The applications of the idea of modularity and the method of concurrent design in the general design of shaft-end generator are presented, and the application of the method of parametric design in its detail design is described in detail, mainly including component dimension parameterization, assembling constrain parameterization and two parametric tools, namely external copied geometry and external preference. The function of multi-disciplinary analysis in the structural design is presented with the example of regarding the thickness of permanent magnet as parametric variable. Via the work of the structural design of shaft-end generator in railway wagons, practice shows that advanced 3D design technique and excellent multi-disciplinary analysis methods are very most important tools and parts in the product structural design based on virtual prototype technology, and also, the design cycle and cost can be reduced and the product can be guaranteed to meet the requirements of users.

virtual prototype; shaft-end generator; three dimensional design;multi-disciplinary analysis; Pro/Engineer

U 270.3

A

2095-302X (2013)04-0105-07

2013-01-17；定稿日期：2013-04-23

王恒亮（1989-），男，江蘇金壇人，碩士研究生，主要研究方向為車輛動力學。E-mail：whl1989@aliyun.com；

陸正剛（1966-），男，江蘇新沂人，工學博士，研究員，博士生導師，主要研究方向為車輛動力學。E-mail：luzhenggang@tongji.edu.cn