应用三维技术对电力电子设备的研发

何 堃

（比亚迪汽车有限公司，陕西 西安 710119）

一、概述

现代市场的激烈竞争，使得产品设计和生产周期越来越短。为了缩短产品上市时间并在竞争中领先对手，电子产品设计师需要应对电子行业中瞬息万变的需求。电子和半导体技术不断发展，导致电子学、机电一体化（电子机械、电子学和软件的协同）和设计零部件系统的工具快速变化。需要让产品具有更多功能，但产品尺寸不能大于以往产品和竞争对手的产品，甚至需要更小。竞争推动着电子行业研制尺寸更小但功能更完善的设备。这就要求产品设计工具能够"更经济地利用"物理空间。更多的功能通常意味着更高的电子产品复杂性，以及需要散发热量的零部件。由于市场需求的缘故，即使在新型号中增加新的功能，产品外壳的尺寸也不能变大，而是需要保持原尺寸不变，甚至要变得更小。采用何种设计工具，既能尽快开发出适销对路的新产品，又能方便工程技术人员之间交流，是摆在广大设计人员面前的问题。

二、三维设计技术在电力电子行业中的应用。随着产品开发周期正变得更短，这样我们需要在更短的时间内完成更多工作。应用三维技术对电力电子设备的研发，其目的是利用三维技术作出的实体模型与实际中应用的元件设备非常接近的特点，采用其三维旋转、图形组建定位等功能完成一些原来只能在样机中才能进行的工作，达到缩短开发周期、提高研发质量的目的。

目前在三维建模行业中，著名的三维建模软件有 AutoCAD、Pro/ENGINEER、SolidWorks等，本文选择SolidWorks作为三维技术电力电子虚拟平台的载体。其主要因素是AutoCAD软件在国内应用三维技术较早，在电气行业中应用也比较广泛，但三维绘制过程比较烦杂，并且三维实体不是很直观，现在也很少使用它来进行三维绘图。使用Pro/ENGINEER和Solid－Works使用较普遍，并且三维功能都比较强大，其中SolidWorks的操作比较容易上手，完全可以满足使用需求。

SolidWorks是一套智能型的高级CAD/CAE/CAM组合软件，它采用基于特征的实体建模，具有完整的零件造型、装配、二维图纸生成、智能装配、干涉检查和有限元分析等一系列功能，实现了全相关参数化设计。它能方便地进行样机设计，加工制造模具及各种力学分析，智能化程度高，参数化功能强，操作简单，是较容易使用的三维设计软件。应用SolidWorks作为三维电力电子虚拟平台，简单易学，不仅可以与AutoCAD相兼容，最重要的是可以将主要精力用于电力电子设备的研发，而不是用于进行软件操作的学习。当对三维技术应用熟练后，转用Pro/ENGINEER或其它三维软件就只是一个适应操作界面的问题。

三、三维设计平台的建立

三维设计平台和三维设计软件是不同的概念，计算机和三维软件结合起来，只能称为三维设计室，并不能称为三维设计平台，只有对基本模型建立完成后方能称之为三维设计平台。任何一个产品都由一个或多个相同或不同的零部件组成，而三维设计平台的建立主要就是对于我们三维设计中所需各模型图元的建立。

1.电力电子三维设计平台建立的要素

在电力电子研发中，对于只能购买、不能制作的电力电子器件称为刚性器件，只有将刚性器件模型建立完成的工作环境才能称之为电力电子三维设计平台。

2.根据电气原理图，确定刚性器件的种类

根据所设计的整机或单元的电气原理图，将其刚性器件采集出来。

在电子产品的结构设计中，运用三维设计技术制作的是结构，用于安装元器件。首先我们要对电器原理图进行详细分析，罗列出整机或单元中需要的电气元件，这些都是外部购买的标准器件，以此来建立我们设计所需的三维设计平台。这个工作平台是独立的图元，在三维虚拟平台中，一旦建立确认后，只允许进行移动，而不允许更改。利用三维软件建立电力电子三维工作平台。

首先建立一个电气元件图库的文件夹。

在电气原理图中，分解出需要对外进行购买的电气元件和已经是标件的最小零件，就是虚拟工作平台所定义的刚性元件。一般情况下根据电气元件结构样册上提供的结构尺寸对其进行全比例输入，并且对于样册不明确的元件进行实物测绘进行输入。

通过SolidWorks零件设计界面，对于上面步骤中分解出的刚性元件分别根据各自已明确的结构尺寸绘制三维零件模型，并以实际器件名称保存在电气元件图库的文件夹中。这些零件的造型是以草图为基础，辅之点、线和面，运用旋转、拉伸切除、抽壳、阵列、扫描和放样等相应命令来完成。在此绘制过程中一定要保证1:1的设计输入，其输入结构的准确性将影响整个虚拟平台的精确性。这样便形成了基本的一个电力电子三维设计平台。

在电力电子设备研发中，产品的组成单元是很多的。在三维设计界面中，为了更加直观的观测各图元间的位置关系，我们要对各刚性零件的三维模型进行上色处理，以完善三维设计平台。而对于颜色的选择可以根据实物表面颜色，也可以根据个人偏好，主要目的只是在于三维模型之间的区分。

四、整机或单元虚拟工作平台的研发进程

1.制定研发原则

在整机或单元虚拟工作平台上进行整机或单元研发，就要充分利用虚拟工作平台上的图形与实际一致，即所见即所得的效果。根据其强大的立体空间感，制定符合虚拟工作平台特点的研发原则，提高其效率。

（1）在元件结构设计中，以结构本体实现配合为主，在设计中就要对于安装、配合进行定位，减少需要人工保证安装、配合精度的部件。（2）充分考虑设备的加工精度，保证元件的合理性。（3）强电弱电系统分别布放，不出现强弱电并排布线的问题。（4）元件空间布置符合EMC标准。（5）保证技术参数的条件下，尽量缩小体积。

2.设定器件空间布置

在SolidWorks中建立装配图类型的文件，将各个已建好的元器件图块输入装配图中，通过对元器件移动、旋转等操作进行空间布局。SolidWorks的装配智能化较高，它与车间产品的总装有一定的区别。它对不同的零件装配顺序没有特殊要求，视方便而定，不存在因工序差别造成装配失败的情况。对不同的元器件图块。可通过装配命令里的同轴心、相切、共线和共面等命令完成装配定位。装配完成后，还可以启用SolidWorks的装配及干涉检查插件，检验各零件的干涉情况。

（1）整体布局。对于各结构单元、传动和执行装置、环境保护等各项规划进行合理地结构布局，以确定相互之间的连接形式。通过这些总体的考虑来制定一个稳定的布局，这样既可保证整机或单元结构的合理性，又可以缩小整机或单元的体积。

（2）功率器件的布置。在功率器件中，发热量较大的整流桥和IGBT都必须装于散热器上，同时有大功率母线与电容阵列连接，故其采用平面顺序形式布置。

（3）主控板的布置。在全部器件中，主控板的位表面积最大。同时从电力电子器件的电磁兼容要求出发，主控板的驱动到IGBT控制端子的引线应为最短，一般将主控板的位置放在IGBT的附近。

（4）设计散热系统。电子设备散热系统中温升控制的方法包括：自然冷却、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、温差电致冷、热管传热等形式。通过对于客户现场使用要求和三维设计空间中整体布局的要求，研发人员要选择合理的散热形式。对于散热形式具体结构的体现则更多的需要研发人员的想象能力，而不是对实际物体的熟悉能力。另外还要结合散热系统中发热件的发热量，后期要在SolidWorks所附带的分析程序中进行的热分析验证。

（5）制作出虚拟外壳基本形状。根据总体布局和客户现场安装要求，设计满足结构的强度需求和合理结构形式的外壳。对于这一点，我们可以在SolidWorks装配图界面里对于非主要元器件或结构单元的位置进行移动、旋转调整，力求保证整个外壳形状的简单和精巧。然后充分利用虚拟空间中各元件的独立空间功能，将各单元及各元器件内外之间通过的线束、铜带等过孔的位置确定，再进行过孔设计。

（6）在虚拟平台上完成元器件固定与内部布线。在SolidWorks装配图界面里通过装配命令参数设置，确定元器件固定位置。

（7）功率单元内部布线原则。根据原理图，按照以下的原则进行。功率回路尽量采用铜排结构，且同一回路布置作成层叠位置，使其圈起的面积尽量小。高压与低压的线束分别布置，控制线采用双绞线的结构。整流桥输出线与IGBT线束分开。铜带结构用整体制作，不作中间连接。吸收电容直接压于元件上。

（8）完成整机或单元的结构设计。在完成以上这些步骤后，对各单元的外形与安装部分进行设计，也就是结构件的设计。此项需考虑到尽可能用简单结构来满足安装和强度要求。同时还要充分考虑安装工艺和调试流程的要求，能方便地实现快速装配与调试加电的功能。这些部分结束以后，我们要对结构件上元器件和线路安装定位的结构要素进行确定，以细化设计。

在虚拟平台中的整机或单元完成后，利用SolidWorks中三维实体转工程图的功能，可根据需要生成局部视图、剪裁视图、剖面视图、断面视图和辅助等各种视图，并能自动加注尺寸。另外，要改动图纸时，只要在原3D模型上修改，工程图可以实现同步改变。最后可以把总装图转化为eDrawings文件，这样方面了设计人员与生产人员及客户的沟通，也提高了协同工作能力。

五、结束语

采用三维设计软件，通过应用虚拟工作平台对整机或单元进行研发，不仅加快了信息在产品开发机构中的处理速度，提高了设计效率，加快了产品上市速度，降低工程设计成本和制造成本，而且也通过先进的设计理念和设计方法提升了企业对设计创新的认识。同时，装配问题已不需要多个样品才能定型，在虚拟平台中即可以完成。这节约了大量的人力与物力资源，保证了在研发过程中，电磁兼容的原则完全贯穿于整个系统中。

三维设计技术在现代各领域的设计中已越来越被广泛的采用，而要真正掌握此项设计方法，还需要研发人员全面的了解设计对象及三维设计软件的功能，在实际设计中不断的体会和总结。

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