基于Inventor的干式变压器参数化自动出图研究与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 27 日 作者简介：徐英杰（1997），男，汉族，江苏盐城人，硕士，干变工程师，研究方向为干式变压器。-53-基于Inventor的干式变压器参数化自动出图研究与应用 徐英杰 韦须鹏 杨晓洁 刘 扬 江苏中天伯乐达变压器有限公司，江苏 盐城 224000 摘要：摘要：简要介绍基于 Inventor 软件的参数化设计技术在干式变压器结构设计中的应用，通过参数化技术开发出常规干式变压器自动出图软件，只需将计算单上的关键尺寸参数输入到软件中，即可自动进行零件参数化建模、虚拟装配、自动生成工程图纸。经过实践证明，基于 Inventor 开发出的自动出图软件出图效率高、图纸标准化，可极大的缩短干式变压器的设计周期、降低设计成本，同时具有较强的灵活性，可以按不同用户的要求进行结构调整，能够充分满足用户的“个性化”需求。关键词：关键词：干式变压器；Inventor；参数化建模；自动出图 中图分类号中图分类号：TM412 0 引言 配电变压器作为电力系统中重要的设备之一，目前已广泛应用于各个配电领域。配电变压器一般分为油浸式变压器和干式变压器，干式变压器由于其低损耗、低噪音、无污染、体积小、防火性能好、不污染环境等优点1，被广泛应用于高层建筑、住宅、医院等小空间和消防要求较高的场所，随着电力需求的增长，城市变电站也在不断增长，干式变压器也因其优越性市场占有率也在逐年增加，与此同时，干式变压器用户的“个性化”需求也在不断增加，目前干式变压器正向小批量、多型号、多品种方向发展。然而目前许多干式变压器制造厂家依然采用传统的人工设计、手工绘图的方式来设计制造干式变压器，这就导致其产品设计周期长、更新迭代慢，已经无法满足目前市场需求2。与此同时，近年来随着国外变压器厂商进军中国、本土变压器出口海外，未来变压器市场竞争将会异常惨烈，所以只有不断缩短设计周期、提高出图效率、降低成本、提供多样化系列产品、满足用户个性化需求才能提高企业竞争力，在残酷的竞争环境中存活下来。随着科学技术的飞速发展，近年来数字化设计技术日趋成熟，将数字化设计技术与变压器行业充分融合，利用参数化建模、虚拟装配、自动出工程图等技术辅助进行干式变压器的结构设计。因为不同设计人员有各自的设计习惯、出图风格，容易给生产带来不便、效率得不到提高。新手设计人员培养周期长，且对产品不够熟悉容易出错。基于 Inventor 的参数化自动出图软件可以完美解决传统变压器企业的上述痛点，因为自动出图软件只需要将变压器关键设计参数填入软件中，就会根据填入的数据自动生成变压器三维模型和工程图纸，即使是新手经过培训后也能快速上手。同时参数化自动出图都是标准化出图，解决了传统人工出图的不规范、不统一、不标准化的问题。而且自动出图效率比人工出图要高很多，错误率比人工要低很多，可以极大缩短干式变压器产品设计周期，又可以将研发人员从繁琐的重复设计中解放出来，投入到新产品的研发设计当中3。根据不同用户要求，还可以灵活调整干式变压器结构，充分满足用户的“个性化”需求。利用数字化技术还可以轻松对设计的变压器产品进行后续的结构优化设计和仿真，本文将通过实例对参数化自动出图软件工作原理进行简单介绍。1 干式变压器基本设计原理及结构 要想对干式变压器进行参数化设计，首先需要了解干式变压器基本结构组成和设计方式。干式变压器主要由以下几大部分组成：铁心、绕组、夹件、风机、外壳、底座、引线、其他附件。目前主流的干式变压器采用三相三柱式的铁心结构，用优质硅钢片叠装而成。绕组一般可分为低压绕组和高压绕组，绕组材料一般为铜线或铜箔。干式变压器运行时铁心和绕组会产生损耗，称为空载损耗和负载损耗，铁心和绕组内部产生的热量会在干式变压器内部积累，所以需要在高低压绕组之间设置散热气道，绕组和铁心之间也设中国科技期刊数据库 工业 A-54-置散热气道，在绕组底部还会设置风机通过强迫对流的方式提高干式变压器的散热效果。夹件和底座主要作用是固定夹紧铁心和线圈，便于起吊运输。对于有防护等级要求的还需要加装外壳，外壳材质一般为不锈钢、铝合金等。其余附件包括绝缘子、温控器、带电显示器、电磁锁、蜂鸣器、行程开关等，根据不同用户的要求可定制化加装不同的附件。干式变压器设计流程一般可分为 2 个阶段，电磁计算和结构设计。通过电磁计算算出最优解，电磁计算根据产品的技术参数包括容量、连接组别、频率、阻抗电压、冷却方式等，计算确定出干式变压器的空载损耗、负载损耗、阻抗、温升、主要部件（铁心和线圈）的几何尺寸和重量等，将这些数据在计算单上体现出来。然后根据计算单上的数据绘制出干式变压器的外形尺寸、出工程图纸，最后指导干式变压器的生产。虽然干式变压器型号、容量繁多，但是其基本设计原理、基本结构特征相似，而且有许多零部件结构相同或相似可以通用，这为参数化设计提供良好的基础4。2 基于 Inventor 的参数化设计技术 Inventor 软件是 Autodesk 公司研发的一款三维建模软件，其具有强大的建模功能和系统参数自动提取功能，应用于参数化建模可以说是游刃有余3。目前参数化设计已经成为最主流的技术，参数化设计的核心就是约束造型，参数化设计是通过修改已经绘制好零件草图的尺寸参数进而改变零件的外形，或者将零件的关键尺寸定义为参数，设计者在设计之初无需画出零件的具体尺寸，只需要画出零件的大概轮廓，然后通过修改定义好的参数来形成最终的零件模型。参数化设计的优点是，同一系列的产品结构，可以直接通过修改参数的方法来完成零件的设计，参数化设计思想更加符合工程设计的习惯，因为在设计之初设计师更加关注零件的大致轮廓形状，在一开始并不关心精确尺寸，只有在产品整体设计好后才开始对零件进行精确设计。而且参数化设计可以将常用的零件和通用件建立参数化零件库，可以随时灵活调用，极大地方便设计人员，提高设计的柔性和出图效率。参数化建模通常有两种建模方法，一种是基于尺寸约束的参数化建模，一种是基于特征的参数化建模3。尺寸约束的特点是通过尺寸约束来控制几何形状，在绘制草图时将尺寸约束提取为特征参数保存起来，在后续设计中可通过可视化修改实现参数驱动建模的目的，因此在设计过程中尺寸必须全约束，不能漏标注或者过标注，最终由尺寸约束完成尺寸驱动，由尺寸驱动完成参数驱动5。基于特征的参数化建模技术在零件模块中有各种标准设计特征，突出关键特征尺寸和定位尺寸，能够方便调用和编辑，在 Inventor 中特征是零件组成的独立元素包括：草图特征、放置特征、阵列特征、定位特征5。两种参数化建模各有优缺点，基于尺寸约束的参数化建模没有明确的几何约束关系，只能通过参数来改变模型尺寸，不能改变模型之间的约束关系，但是其建模简单。基于特征的参数化建模有明确的几何约束关系能清楚表达设计意图和直观表达工程含义，但是其建模复杂3。设计人员可根据自身实际需求进行选取使用。干式变压器参数存放在 EXCEL 表中一般称为计算单，其中包括铁心、线圈等关键部件的全部参数信息，比如铁心的窗高、中心距、级数、片宽、直径等。高低压线圈的内径、外径、线规、气道数、高度等。干式变压器中有许多标准件和通用件如绝缘子、风机支架、撑条等，可以直接建立专门的标准库，在自动装配时可重复调用，提高运行效率。通过 ADO 数据库访问技术可以让 Inventor 嵌入并调用 EXCEL 表中的数据，使得干式变压器各个部分相互关联。通过 VB 编程软件对Inventor进行二次开发形成干式变压器结构自动出图系统客户端界面3。铁心和线圈是干式变压器的主要结构之一，以干式变压器铁心、线圈参数化建模为例，简要介绍参数化建模过程。铁心部分由优质硅钢片采用 45 度角全斜接缝层叠而成三相五柱式结构，铁心主要参数有窗高、中心距、磁密、片宽、级数、叠厚、铁心截面。线圈一般可分为高压线圈和低压线圈，有圆筒结构和长圆筒式结构，一般高压线圈套在低压线圈外侧，线圈主要参数有内径、外径、气道、幅向、高度、层数、匝数、线规、段间距。这些可称之为基本结构参数，这些参数在电磁计算环节就已经确定。铁心零件的创建：首先在草图界面绘制出铁心的基本轮廓，三相五柱式结构铁心，由上下铁轭、芯柱、边柱几部分组成，通过窗高、中心距和最大片宽可以中国科技期刊数据库 工业 A-55-确定铁心最外层轮廓，通过每级片宽尺寸将每一层铁心轮廓绘制出来，完成草图后进行三维拉伸，拉伸长度即为各级叠厚，参数之间的关系可以通过公式进行关联，这样以后调整时只需要更改铁心的中心距、窗高、各级片宽这些关键参数即可对整个铁心零件进行更改，参数化铁心如图 1 所示。图 1 铁心 线圈零件的创建：以长圆筒式结构的线圈为例，首先在草图界面绘制出线圈的内径，然后根据内径向外偏移，对于有多层气道结构的可将每层气道幅向添加进去。通过内径、幅向和气道宽度可以确定线圈轮廓。调整时只需要更改线圈的内径、高度、气道宽度这些关键参数即可对整个线圈零件进行更改，参数化线圈如图 2 所示。图 2 线圈 Inventor 以草图特征为基础建立实体特征的建模方式，所以草图特征的建立和控制是整个参数化建模的基础。草图绘制和参数的定义要合理设计，避免几何关系之间发生冲突，同时也要保证标注的合理性，不能过标注或欠标注，因为这些可能会导致参数化错误。按照先绘制草图自定义铁心轮廓，然后对草图几何元素约束关系进行定义，最后在其基础上添加尺寸约束完成草图特征的设计。创建完特征后还要对铁心和线圈的材质、属性进行添加，为以后生成工程图、BOM 表打下基础，至此铁心和线圈的参数化建模基本完成。以相同的方式可以将夹件、底座、引线、风机、配件等进行参数化建模，之后再进行自动装配、自动生成工程图工作，最后将干式变压器的所有零部件都保存到指定的文件夹中便于后续修改和优化。3 干式变压器参数化实例应用 为了更直观的展示参数化自动出图设计流程，以型号SCB12-630/10干式变压器进行参数化自动出图示例。表 1 为 SCB12-630/10 铁心关键参数，表 2 为SCB12-630/10线圈关键参数，把这些参数存入到EXCEL表中，然后将 EXCEL 表中数据导入到干式变压器自动出图软件界面，也可以手动输入参数进行微调，当全部参数输入完成并检查无误后点击数据计算按钮开始计算，具体如图 3 所示。表 1 铁心参数 铁心 系数 1.1 重量 1350kg 硅钢片 23SQGD085 窗高 445mm 中心距 420mm 截面积 519.92cm2 总叠厚 316mm 片宽 185mm 180mm 170mm 155mm 140mm 115mm 90mm 叠厚 160mm 23mm 15mm 14mm 10mm 12mm 8mm 表 2 线圈参数 高压线圈（浇筑式）线规 1.8*5.75 低压线圈(箔绕式)线规 1.1*355 内径 154mm 内径 100mm 外径 200mm 外径 126mm 气道/气道 6*8mm 端绝缘 20mm 端绝缘 10mm 高度 375mm 高度 375mm 图 3 自动出图软件界面 接下来自动出图软件将依照填入好的参数自动进行参数化建模，依次完成铁心、线圈、夹件、引线等零部件建模，并通过自动调用零部件和标准库中的标中国科技期刊数据库 工业 A-56-准件及通用件进行自动装配。当全部零部件参数化建模完成并进行自动装配后，即可自动进行工程图纸的生成，在工程图的生成过程中，可以通过结构参数及特征控制视图的位置和比例，通过属性参数来控制标题栏中的内容例如零件代号、材料、型号、数量、重量等，一般每个企业都会有自己的一套图纸模板，可以进行个性化定制来设计符合自身要求的工程图纸。整个过程仅仅只需十几分钟即可自动生成全套三维图和工程图纸，并自动将所有的零部件、装配图、工程图保存在指定的文件夹中，方便设计人员进行调用进一步修改优化，装配图如图 4 所示。图 4 干式变压器 自动出图软件还具备修改功能，在图纸生成完后，设计人员首先需要进行外观检查，查看模型是否干涉。比如底座的轨距、风机的支架位置、垫块和铁心的距离等，发现有问题时可以随时在三维模型上进行调整，调整完更新后工程图纸尺寸也会跟着同步更新。至此自动化出图设计过程就全部结束，从实际应用反馈来看，自动出图效率相比人工出图要高出 5 倍以上，而且自动出图都是标准化图纸，即使不同的设计人员设计出来的图纸基本一致，一来减少核对审核工作量，二来也能减少车间识图时间，提高生产效率、减少生产周期。最重要的是，参数化自动化出图可以将设计研发人员从繁杂的重复设计任务中解放出来，将更多的精力投入到新产品研发中去，极大的解放生产力。结语 目前干式变压器凭借各方面的优良性能，在配电领域占据半壁江山，具有广阔的发展前景，同时干式变压器正向小批量、多型号、多品种、定制化方向发展。本文主要介绍了干式变压器基本组成结构、基于Inventor 软件的参数化自动出图技术，并通过实例进行操作演示干式变压器自动化出图软件生成模型及其图纸，从参数输入到图纸完成整个过程用时不到半小时，足以体现参数化出图的优势，由此可见参数化设计技术的运用可极大的缩短干式变压器的设计周期、降低设计成本，提高企业竞争力。参考文献 1贺以燕,干式变压器的发展现状及趋势J.电工技术杂志,2001,33(2):6.2唐鹏,CAD 二次开发技术与变压器参数化设计技术的研究及应用J.广东:广东工业大学,2011(6):7.3吴卫卫,基于 Inventor 的变压器产品数字化结构设计J.郑州:郑州大学,2013,26(29):11.4张丹,Inventor 参数化变压器三维结构设计J.电气化铁道,2013,36(99):12.5张峰,参数化设计的研究现状与发展趋势J.机械工程师,2002(27):15.