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| Autodesk Inventor在变压器结构设计中的应用 | |
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从二维到三维的转变
沈阳变压器研究所（STI）成立于1960年，是具有很强科研开发能力的现代化高新技术企业。STI承担、组织并完成了几十项国家重大科技攻关和科研项目，取得了丰硕的科研成果，共荣获国家级及省、部级科技进步奖34项，软件技术在变压器行业500余家企业得到广泛应用。STI还建立了世界第一流的国内规模最大的强电流检验室和国内第一流的变压器试验基地，与荷兰KEMA试验室和意大利CESI试验室等国际知名的电工试验室均有密切的工作联系，可以满足500kV及以下变压器类产品的试验要求，为提高中国变压器产品抗短路能力提供了足够的试验条件。
我所在部门的主要工作是：面向变压器行业，致力于变压器产品相关软件的开发。主要包括各类新产品结构优化设计、电磁计算优化设计和变压器工程分析计算；推进行业计算机三维可视化设计技术的应用，提高行业数字化技术在生产、制造、试验、管理以及经营等方面的应用水平。
虽然STI得到了很多荣誉，也拥有了很多客户。但是随着技术的发展和需求的提升，在实际的生产工作中，还存在一些急需解决的技术问题，包括：
(1)如何与客户进行更好、更有效的沟通；
(2)变压器设计中最核心的铁芯和线圈的计算问题；
(3)现有的布线方式需要进行长时间的手工计算；
(4)无法保证零部件设计数据的一致性；
(5)设计中，修改关联文件带来的问题。
上述是存在于实际工作过程中的突出问题，由于它们的存在，轻则会影响变压器的设计周期、设计质量，重则影响产品的市场前景和客户满意度。
基于产品的独特性，变压器产品的线圈在制作时绝大多数是靠手工操作来完成，因此目前还离不开二维工程图，对于二维参数化图，应用AutoCAD编程比较方便。但大型变压器的引线布置比较复杂，由于这些原因，STI开始酝酿设计平台从二维软件向三维软件的升级，并着手进行软件的选型工作。
在选型初期，我们了解并试用了很多的三维软件，包括目前应用范围很广的AIP、Pro/ENGINEER、SolidWorks以及SolidEdge等。通过对软件的操作性、设计性、应力分析功能以及与其他软件的兼容性等方面的考察，公司最终选择了Inventor软件。与其他待选软件相比，Inventor软件最适合我所的现有情况，由于与AUTOCAD接口方便、原有的DWG文件利用率高、价格合理及便于行业推广等因素，相信可以帮我们解决目前在实际中遇到的棘手问题。
在试用阶段，Inventor软件表现出了良好的性能，明显提高了设计效率。以设计一台电压等级为110千伏、容量为63000千伏安的三绕组有载变压器产品为例，以往靠人工设计，需要5人10天左右才能完成；而采用该系统设计，仅需2人6天即可完成，设计效率提高了4~5倍。试用后，我们共采购了30套Inventor软件，主要用于产品开发部和软件开发部，用来完成产品设计和变压器三维设计系统平台的开发工作。
Inventor三维设计
在变压器结构设计中，涉及到电、磁、热、力、场等诸多问题，仅以变压器引线设计为例，说明Inventor软件在产品设计中的作用。
变压器引线设计具有相关因素多、结构变化大及图面表达复杂等特点。型号为SFZ11-31500/110的变压器中低压引线二维工程图，如图1所示。如果单就该种结构而应用二维软件设计，不考虑结构计算所用时间，仅绘图工作量就很大。而一旦结构发生了变化，导致引线走线发生变化，相应的木件夹持结构也将随之改变，所以整张图纸就要重新设计，会耗费大量的时间。图1 变压器引线工程图近年来，随着变压器专业设计平台系统的成功研制，设计变压器引线部分的工作量明显减少。由于受平台的限制，结构设计还是不够灵活，软件开发者往往以量取胜（即增加各类结构的模板数量），但布线需要计算，工作量很大。引线布线也成为开发变压器三维设计软件的瓶颈。笔者多年从事变压器三维设计系统的引线部分开发工作，接触过多种三维设计平台，通过对比，认为Inventor软件的“管道布线”功能是解决这一瓶颈的有效方法。
Inventor软件的“管道布线”模块，如图2所示。这种布线方式如果通过手工计算的方式完成几乎是不可能的，而应用“管道布线”模块只需添加十个线束，在几分钟内就可完成。且生成的线束具有自适应功能，不管结构如何变化，Inventor软件都会自动计算，使布好的线适应新的结构，大大减少了开发者的工作量，下面通过实例来说明这一特点。图2 “管道布线”模块首先，需要将其他零部件装配好（也可以不全部装配上，因为布好的线可以随时添加“工作点”以改变线的布置方式，这也是该软件灵活性的另一体现），因为应用“管道布线”需要选择一些点以确定线的走向。然后，在打开的装配图的部件面板上选取“创建线束”命令，即弹出对话框，如图3所示。为便于记忆，可取容易理解、记忆的名称。选择好存储的位置后“确定”，就进入到了“三维布线”模式，此时，部件面板已经变成三维布线面板。在浏览器中用右键单击刚刚创建的线束，弹出快捷菜单，选择“线束设置”来定义线的外观。设置完成后，在三维布线面板中选择“创建线束段”进行布线，接下来的任务就是在装配图中选取各种点（包括各种特征点，如圆心、顶点等），选完后单击右键，在弹出的快捷菜单中选择“完成”，一条线就布置完成了。图3 创建线束界面布线的关键是“工作点”的选取。在实际工作中，应尽可能多选一些“工作点”，否则会出现由于选取的“工作点”数量过少，而产生布线结果与要求不一致的情况。必要时，可额外创建一些辅助点作为“工作点”，并将这些点约束到要求的位置上。
用Inventor软件的“管道布线”模块生成的三维图，完全能满足引线的设计要求，如图4所示。由于引线布线对于操作者来说过于简单，因此我们在开发时已经将该部分做成交互式的，更增加了软件的灵活性，充分满足引线部分多变性的要求。图4 生成的二维图满足要求二维图是目前变压器行业指导生产的主要文档，因此二维图能否满足行业要求，也是至关重要的，用Inventor软件的“管道布线”生成三维实体后，投影生成的二维图，如图5所示。图5 Inventor投影生成二维图由于变压器引线设计有其特殊性，受传统因素影响也较多，因此对二维图格式的要求比较严格，比如要求绘出油箱及器身外形，但却要求用双点划线、要求标尺寸等。Inventor的二维图功能比较强，如对单个零部件进行线型设置、整根线的可见性设置等，极大地提高了二维图的生成效率，可以满足引线设计的要求。
综上所述，Autodesk公司的Inventor的“管道布线”模块，基本能够满足变压器引线复杂多变的生产设计要求，通过二次开发，该软件可以在本行业推广普及，并对本行业设计效率和质量的提高、生产周期的缩短起到了直接作用。
效果与展望
在引进Inventor软件后，使以往设计工作中很多令人头疼的问题迎刃而解，明显提高了设计水平和设计效率。不仅满足我们事先期望的要求，在某些方面优势还很突出，因此Inventor软件已经成为我所的主流设计平台，圆满解决了我们目前面临的主要问题，其中包括：
(1)DWF文件很好地解决了与下游企业、客户交流和沟通的问题；
(2)通过在Inventor和AutoCAD上开发二次开发软件，解决了变压器设计中核心的鉄芯和线圈的计算问题；
(3)应用Inventor软件的“管道布线”模块，操作步骤少、灵活性好，在几分钟内就可完成手工计算的方式需要一天的布线设计；
(4)通过Vault实现协同设计，保证了零部件设计数据的一致性，而图纸以及相关的技术文档也可在Vault中实现统一管理，Vault可内嵌于AutoCAD和Inventor的菜单中，而且免费；
(5)在使用Inventor软件后，设计中因修改关联文件而带来的问题减少了90%以上。
除此之外，也使我们对Inventor一些特色功能的理解逐步加深：
(1)软件的易操作性。我们现有的设计人员年龄大多在30-40岁间，短时间就能轻松掌握Inventor软件。另外，Inventor软件对新人熟悉设计工作和产品结构都很有帮助，但熟练掌握至少需要1个月的时间。
(2)全面开放的二次开发工具。我们一直在Inventor软件上进行二次开发，Inventor软件的数据接口和开发接口有很好的开放性。
(3)数据交流性好。在选用Inventor后，为了满足用户的需求，我们也使用一部分其他的软件系统，通过中间件模块实现数据共享，还建立了专用数据库，互相关联性和数据传递性良好。
几点意见
(1) 针对大型件的设计，Inventor软件的动画功能较实用。但如果能增加模型简化处理功能、零部件配合关系的衍生功能将会更方便。
(2)在实际设计工作中，会遇到变压器引线的空间走线、电气绝缘距离的控制等难以解决的问题，Inventor可解决部分问题。在三维设计时，如果能够实时显示空间距离的变化或设定一些约束条件、给出一些提示信息会更方便，这些功能在其他三维软件中曾有过应用。
(3)我们现在设计所用的硬件配置基本上是P-CPU2.8G/内存2G/256M独立显卡，运行流畅。对于较大产品的装配设计，建议内存至少应为2G，有条件应扩至4G。
(4) Inventor软件的自适应功能很好，有利于我们的设计工作，但稳定性还需提高。
(5) 我们对于Autodesk公司组织进行的培训非常满意，但如果能结合我们在工作中的实际情况进行培训将更有利于我们的设计工作。
1/10/2007 | |
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