1 概述

國際上的大型跨國公司在各種新技術、新產(chǎn)品的推廣中，常常標明是應用虛擬空間設計技術，數(shù)字化工作平臺開發(fā)出來的。這些描述常常讓人感覺其產(chǎn)品開發(fā)平臺昂貴，技術難以學習，并且難以應用。

而在實際中，虛擬空間設計技術，數(shù)字化工作平臺都是對三維技術的一種具體應用，是通過應用三維軟件對設計的產(chǎn)品制作出各部分零件的立體的軟件圖形。通過零件的立體軟件圖形，觀察到將要制造出設備的具體形狀與內(nèi)部構造及各零件的布置與配合間隙，能夠?qū)崿F(xiàn)二維繪圖所實現(xiàn)不了的功能。

資料顯示，跨國公司的研發(fā)設計已經(jīng)全部采用虛擬空間技術進行，研發(fā)產(chǎn)品從設計初期即用三維技術進行，其設計效果與二維技術進行的設計有著本質(zhì)上的不同。而我國對虛擬空間設計技術的應用并不廣泛，這主要是因為對三維技術的認識不足，本文以應用三維技術對復雜電力電子產(chǎn)品的研發(fā)，說明虛擬空間設計技術的應用與產(chǎn)生的效果。

2 虛擬空間設計技術在電力電子行業(yè)中的應用

2.1 虛擬空間設計技術在電氣行業(yè)中的發(fā)展

在電氣行業(yè)中，由于電氣組件的特性，其結構復雜性低，傳統(tǒng)采用二維制圖技術即可滿足應用。

三維技術在電氣行業(yè)中的應用沒有在機械行業(yè)中的應用早，也由于早期能運行完成三維制作性能的計算機價格極為昂貴，只有在大型機械系統(tǒng)設計中，因?qū)α悴考g的配合與間隙要求非常嚴格，如軍工、航天等超大型項目的研制中，方能有足夠的資金應用虛擬空間設計技術。但隨著計算機性能的提高，價格的下降，原來只能在大型機應用的三維軟件在通用計算機上也能運行，這為虛擬空間設計技術在電力電子行業(yè)的應用提供了條件。

2.2 電力電子行業(yè)對虛擬空間設計技術的需求電力電子技術是新興的電氣技術，主要的特征是電力器件與電子器件的相互結合與相互滲透，利用弱電控制強電。采用新型高壓大功率半導體器件代替笨重的開關器件，使原來體積龐大的電氣設備體積縮小，這就對器件本身的散熱性、電磁兼容性及在小空間內(nèi)的安裝固定等的要求越來越嚴。

現(xiàn)代電力電子設備的結構與復雜性已經(jīng)與大型復雜機械結構接近，由于在將不同等級，不同要求的元器件集中在一個設備時，就對每個組件的空間位置，相互作用，布置排放有很高的要求。由于二維設計技術對于組件相互干涉，特別是空間的電氣干涉表達的不夠明確，常常出現(xiàn)將實物樣機制作完成后，才發(fā)現(xiàn)各種與要求不符的情況，這樣不但浪費了大量的人力物力，而且極大地加長了研發(fā)完成的時間。

對于電力電子設備的研發(fā)而言，虛擬空間設計技術平臺是電力電子設備研發(fā)的中期應用，是在完成電力電子設備原理之后，進行結構與樣機設計時進行的應用。在電力電子設備研發(fā)中，制作出符合要求的結構與樣機是研發(fā)過程中占用時間最長的階段，也是出現(xiàn)錯誤最多、最嚴重的階段。

將虛擬空間設計技術應用于電力電子設備的研發(fā)，通過建立一個的虛擬工作平臺，利用三維設計的圖形組件定位功能，可以在未制作樣機前，即對各組件在不同位置，采用不同的連接方式，對散熱與相鄰的絕緣等狀況作精確的判定，并在樣機制作前即可確定最終設備的大小，空間的相互排布，敏感器件的空間環(huán)境等情況。這樣可極大地減小出錯率，節(jié)約大量的人力、物力與時間。

2.3 選擇建立虛擬空間設計技術平臺的軟件

建立虛擬電子平臺首先要選擇一種載體，在三維制圖中，最著名的三維制圖軟件分別是AutoCAD、Pro/E、Solidworks。要選擇一種軟件作為研發(fā)產(chǎn)品的虛擬工作平臺，應從多方面進行考慮，三維軟件只是一種工具，而作為工具，最重要的是要求適用。

在以上三款軟件中，本文選擇AutoCAD作為三維技術中的虛擬空間設計技術平臺的載體。主要原因是AutoCAD 軟件在國內(nèi)應用在三維技術上最早，是在國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權的三維軟件平臺，在電氣行業(yè)中，其應用最為廣泛。雖然Pro/E 和Solidworks的三維功能都比較強大，但主要是面對于機械行業(yè)，同時其軟件投資較大，且操作復雜。

利用虛擬空間設計技術進行電力電子設備的研發(fā)，是利用三維技術做出的實體模型與實際中應用的設備非常接近的特點，采用三維旋轉(zhuǎn)使圖形組件定位的功能進行一些原來只能在樣機中才能進行的工作，達到了縮短開發(fā)周期，提高研發(fā)質(zhì)量的目的。應用AutoCAD作為三維電力電子虛擬平臺，簡單易學，不但與以前的設計相兼容，不必專門安裝兩種軟件，最重要的是可以將主要的精力用于電力電子設備的研發(fā)，而不是用于對軟件操作的學習。當對AutoCAD的三維技術應用熟練后，就會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)用Pro/E和Solidworks 就只是一個適應操作界面的問題了。

3 虛擬空間設計技術平臺的建立

3.1 虛擬空間設計技術平臺建立的要素

虛擬空間設計技術平臺和三維軟件是不同的概念，計算機和三維軟件結合起來，只能稱為三維設計室，并不能稱為虛擬空間設計技術平臺，只有在對基本模型建立完成后方能稱之為虛擬空間設計技術平臺。在電力電子研發(fā)中，對于只能購買，不能制作的電力電子器件稱為剛性器件，而只有將剛性器件模型建立完成的工作環(huán)境才能稱之為電力電子虛擬空間設計技術平臺。

3.2 根據(jù)變頻單元原理圖確定剛性器件的種類在變頻器單元中，既有強電輸入輸出，同時有控制電源輸入，僅控制信號輸入，電流就從幾mA到幾百A不等，所以對空問距離要求極嚴。

要建立功率單元的虛擬空間設計技術平臺，首先根據(jù)功率單元的原理圖1，將剛性器件采集出來。利用三維技術制作的是結構，是用于安裝元器件的，對外部購買的標準器件，在虛擬空間設計技術工作平臺中是獨立的圖元，只允許進行移動，而不允許更改。對功率單元進行解析后，分解出基本剛性元器件圖元有：隔離電源變壓器，控制保險，主控制，旁路晶閘管，旁路整流橋，扼流環(huán)，輸入保險，輸入整流橋，吸收電容，電容均壓板，電解電容，IGBT。

3.3 利用三維軟件建立電力電子三維設計平臺

首先在AutoCAD 軟件中建立起一個名為“功率單元三維立體模型”的文件，如圖2 所示。

在建立文件完成后，將其存作名為“功率單元”的CAD文件，并將其放入專用的文件夾，這表明功率單元分系統(tǒng)的工作空間建立完成。

對從原理圖中分解出的標件的剛性組件，必須按實物進行全比例輸入，其輸入結構的準確性影響整個虛擬空間設計技術平臺的精確性。

對于基本圖組件，參考說明書，并用卡尺等工具對器件外形進行測量與校對，在數(shù)據(jù)準確的前提下，繪制出三維圖，繪制完的每個圖元就是一個剛性組件模型，并建立不同的層，將其放入相應的層中，這樣就形成了一個基本的電力電子三維設計平臺，如圖猿所示。

3.4 完整的虛擬空間設計技術平臺的建立

在電力電子設備研發(fā)中，利用三維技術將剛性元器件設計到最佳的空間，之后再與機械加工工藝相結合，才能稱為一個完整的虛擬空間設計技術工作平臺。在初步完成的電力電子設計平臺基礎上，將機械加工設備所備有加工能力的模具圖形加入其中，嵌入功率單元結構設計的全過程，使研發(fā)出的設備可以直接加工制作。如圖4 所示。

源應用虛擬空間設計技術平臺的研發(fā)進程

4.1 制定研發(fā)原則

在虛擬空間設計技術平臺上進行變頻器單元的研發(fā)，就要充分利用虛擬空間設計技術平臺上的圖形與實際一致，即所見即為所有的效果。根據(jù)三維設計強大的立體空間感，制定符合虛擬空間設計技術平臺的研發(fā)原則，以提高研發(fā)的效率。

1)在組件結構設計上，以結構本體實現(xiàn)配合為主，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，不要設計出設備加工不出來的組件。

3)強電弱電系統(tǒng)分別布放，不出現(xiàn)強弱電并排布線的問題。

4)組件空間布置符合EMC 標準。

5)在保證技術參數(shù)的條件下，盡量縮小體積。

4.2 設定器件空間布置

1)整體布局電力電子設備的第一要素就是穩(wěn)定，從這一要素出發(fā)，功率單元器件的基本拓撲結構采用經(jīng)典的立式結構，即將電解電容按陣列形式排布，放置于功率單元底部。功率器件放置于電容陣列頂部，這樣即可保證功率單元結構的合理性，又可以縮小功率單元的體積。

2)電容陣列電容陣列是在所用的子系統(tǒng)中體積最大的，同時也是最重的。按照布放原則將6只電解電容進行垂直放置，同時從散熱結構出發(fā)，狹長形結構更為合理，故將電解電容進行三橫二縱方式排列，可以用簡單的銅帶連接即可實現(xiàn)三串兩并的電氣要求。

3)功率器件布置功率器件中，整流橋和IGBT都必須裝于散熱器上，同時因有大功率母線與電容陣列連接，故采用平面順序形式布置。從電磁兼容角度出發(fā)，并結合功率單元輸入輸出為從前部下側(cè)保險輸入，前部上側(cè)端子輸出，故采用將整流橋在前，IGBT在后的結構形式。

4)主控板的布置在全部器件中，主控板的表面積最大，同時從電力電子器件的電磁兼容要求出發(fā)，從主控板的驅(qū)動到IGBT的控制端子的引線應為最短，故將主控板放在IGBT的前側(cè)。

在虛擬空間設計技術平臺上，充分發(fā)揮實際組件都不能進行懸浮放置的特點，結合研發(fā)原則，將所有應用的組件模型在空間中進行調(diào)整擺放，并對其進行性能評估，選出最佳的布置方案，如圖5所示。

4.3 設計散熱系統(tǒng)

在這種虛擬平臺下的結構研發(fā)，需要的就是研發(fā)人員的想象能力，而不是對實際物體的熟悉能力。只要是能夠創(chuàng)新出一種新的外殼結構形式，那么就能在虛擬平臺上進行驗證，以檢測出其合理性，電氣間隙，電磁干擾，結構強度等一系列原來只能在實物中觀察出的數(shù)據(jù)。

在虛擬工作空間中，對于電力電子器件的散熱，利用空間精確定量設計的功能，將其設計為雙風道散熱系統(tǒng)，是利用強電與弱電間的屏蔽板層與散熱表面形成的，如圖6所示。

4.4 制作出虛擬外殼基本形狀

根據(jù)結構強度的計算，利用1.5 mm 的鍍鋅板制作外殼。用一個盒形板的形狀將體積最大的組件包含在內(nèi)，這樣，功率單元最初殼體的形狀即出現(xiàn)了，如圖7所示。充分利用虛擬空間中各組件的獨立空間功能，將需要功率單元內(nèi)外之間通過的線束、銅帶等過孔的位置作以確定，可以采用先將通過的元件畫出，再進行過孔設計的方法。

4.5 完成功率器件的固定與內(nèi)部布線

在設計中，按照以下的原則對功率單元進行布線。

1)功率回路盡量采用銅排結構，且同一回路布置做成層疊位置，使其圈起的面積盡量的小;

2)高電壓與低電壓的線束分別布置，控制線采用雙絞線的結構;

3)整流橋輸出線與IGBT線束分開; 圖8 內(nèi)部電氣連接結構完成圖

4)銅帶結構用整體制作，不作中間連接;

5)吸收電容直接壓于組件上。

功率單元內(nèi)部的電氣連接是屬于多電壓、多信號的復合連接，其布線的結構直接形響著功率單元的最終穩(wěn)定性，所以在虛擬空間設計技術平臺中，可充分發(fā)揮平臺的虛擬與外形仿真的特點，使用電磁兼容原則，對回路進行多種連接的測試與比較。

在未用三維技術時，電氣連接的相互干涉只能用實物驗證，當發(fā)現(xiàn)問題再進行更改，需要很長的周期與資源，常常由于時間與資金的限制，會降低電磁兼容標準。在應用虛擬平臺進行三維技術研發(fā)時，其優(yōu)點完全體現(xiàn)出來。在進行連接構建中，應用電磁兼容的原則，經(jīng)常出現(xiàn)布不通和相互干涉的情況，發(fā)現(xiàn)之后即可改正。其中最嚴重的時候常常需重新調(diào)整組件位置、結構組架形狀，在未用三維技術時相當于重新研發(fā)一次，而在本次研發(fā)中，只是構建過程中的一個調(diào)整。

在虛擬平臺上，可以在研發(fā)的過程中發(fā)揮創(chuàng)造與想象能力，嘗試各種形式的布線方法，完全貫徹電磁兼容的要求原則，最終的內(nèi)部連接結構如圖8 所示。

4.6 完成變頻器單元布線結構

在變頻器單元中，布線結構是要求較高的部分，即要求強弱電分開，同時不同回路之間不能形成位置環(huán)線，核心驅(qū)動連接部分要求有長度限制。

在虛擬平臺設計中，這是為應用不同的線束符合相關的要求，對結構的連接部件進行調(diào)整的次數(shù)最多的環(huán)節(jié)。設計完成如圖9 所示。

4.7 變頻器單元設計完成

在完成技術參數(shù)要求后，對功率單元的外形與安裝部分進行設計。充分考慮安裝工藝和調(diào)試流程的要求，要做到能方便地實現(xiàn)快速裝配與調(diào)試加電的功能，設計完成后如圖10所示。

對變頻器單元的外部加上標識，達到大方美觀，安裝方便的要求，完成后如圖11 所示。

在虛擬空間設計技術平臺中的功率單元完成后，利用三維實體轉(zhuǎn)工程圖的功能，將各部件的三維實體圖轉(zhuǎn)化為機械加工圖，在按圖加工完成后，其各結構與虛擬平臺中的組件結構完全一致，達到了預定的目的。

5 結語

采用虛擬空間設計技術進行設備的研發(fā)，在國內(nèi)最早見于報道的是成飛集團，是應用于飛機的整體設計中。所以在國內(nèi)虛擬空間設計技術被蒙上了一層高難度的面紗，認為其只能應用于非常復雜，非常高難的機械系統(tǒng)中。而實際上，虛擬空間設計技術的難點不在于軟件的操作，而是在于一種思維的轉(zhuǎn)變，實際上，用三維制圖要比二維制圖容易得多。

應用虛擬空間設計技術平臺完成變頻器的單元的研發(fā)，通常需要一年時間，而本次設計在半年內(nèi)就完成了。同時，在研發(fā)中的裝配問題已不需要多個樣品來定型，在虛擬平臺中即可以完成，節(jié)約了大量的人力與物力資源。在研發(fā)過程中，要使電磁兼容的原則完全貫穿通過于整個系統(tǒng)中，如沒有應用虛擬空間設計技術平臺中的即時更改的優(yōu)點，那將是很困難的。

在信息技術飛速發(fā)展的年代，虛擬空間設計技術已經(jīng)是一種通用的技術，并不是機械行業(yè)專用的技術。在電力電子行業(yè)中，應用虛擬空間設計技術進行設計研發(fā)是使我國電力電子行業(yè)成為世界一流水準的加速器。