节能变频器的产品结构设计方法

沈 瑾， 李巧莲

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海200063)

0 引言

随着科学技术的飞速发展，变频器不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。变频器节能效果显著的优点，在实际生产中运用越来越广泛。由于各个厂家对变频器的容量要求、功能要求各不相同，在有限的时间内设计、加工、制造出满足客户要求的静止变频电源及其控制系统对生产厂家来说也是一项耗时、耗力的工程。特别是结构设计，要基于功率规格选择不同的器件，怎样合理、高效地进行变频器的结构设计，研制出结构紧凑、通风、散热性能良好的变频器是需要面对的课题。

1 现代工业产品结构设计方法

1.1 系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

1.2 结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出:定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。结构模块化设计方法将描述设计任务的功能化产品结构分为四层:(1)产品;(2)功能组成;(3)主要功能组件;(4)功能元件。采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。

1.3 基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是:用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机制，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

1.4 智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是:根据设计方法学理论，借助三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

2 变频器的结构设计

2.1 变频器的分类及特点

从变频器功能可分为通用变频器和专用变频器两类。变频器厂家根据市场上的常用电机规格设计一系列通用变频器供厂家直接选用，通用变频器的特点是规格多，常用功率最小，从0.75 kW开始到315 kW，这类产品的功能要求相差不大，客户选择产品的生产厂家范围比较广，所以客户比较挑剔，客户选择产品不仅需满足性能上的要求，更在乎外观、体积、价格。生产出性价比高的产品是生产厂家追求的目标。专用变频器是根据用户要求设计的变频器，由于功率大小、输出要求、功能等无法在市场直接选择满足要求的变频器，必须由厂家为此定制、加工、生产。静止变频电源就是一种专用变频器，这类变频器的特点是对变频器输出品质要求较高，功率、输出变化很大，每次设计要求都不相同，加上这类项目设计、加工、调试时间有限，所以专用变频器的结构设计是一项耗时、耗力的工程，如何利用计算机辅助设计提高结构设计的效率显得尤为重要。

2.2 系统化设计方法在通用变频器结构设计中的运用

在设计某档规格的通用变频器时，可以把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。(1)产品规划——构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出来，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。(2)开发——设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义:可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等;也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统;还可以是要求、特性、形状等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。(3)生产规划——加工和装配产品。在这一阶段中，可利用Pro Enginer的虚拟装配过程用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断的细化和完善。设计通用变频器的过程就是一个系统化的设计方法。根据市场上的通用变频器规格分档，规划出每档规格大致的外形尺寸，设计自己公司特有风格的外观，并用三维软件如ProEnginer模拟虚拟产品;然后结合产品的内在技术要求进行细化结构设计，在设计过程中进行三维动作模拟、安全距离检查、装配检查等，同时进行修改、确定产品的结构方案，在设计变频器阶段及早发现有可能存在的问题，这是系统化设计方法的典型实例。系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

2.3 结构模块化设计方法在用变频器结构设计的运用

结构模块化设计方法可以把具有某种功能的实现看作为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。

在设计静止变频电源时，根据其内部功能将其分成逆变单元、整流单元、制动单元、控制单元、钣金箱体等，每个单元做成独立的模块，便于结构设计的快速定位、组合，以便从宏观上规划结构布局、机箱尺寸。逆变单元主要由逆变模块和散热器组成，在设计时根据功率大小选择逆变模块的规格和数量，由于三维造型的直观性，借鉴个人的设计经验直接调整散热器的尺寸，以满足每款静止变频电源的要求。钣金箱体满足逆变、整流、制动、控制等所有单元的安装要求，安装不仅要满足电器绝缘、抗干扰等要求，而且要方便安装、拆卸。在设计过程中应用三维软件干涉和间距检查功能进行校核，模拟安装。静止变频电源中的每个单元又由多种元器件组成，而每个模块又由多个子模块组成，所以模块由一层层子模块组成，在设计时必须分清层的关系才能提高设计效率，同时必须要理清通用件和非标件。由于每次设计时细节要求还是有所不同，所以针对每个项目要求进行细化设计，避免不必要的浪费。作为一名结构设计人员要不断总结和积累经验，灵活运用三维计算软件工具才能做到最经济、有效的设计产品。

2.4 设计方法的综合运用

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

值得一提的是:上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

静止变频电源的结构设计是一项综合性的工业设计。静止变频电源是一种工业产品，除了满足工业产品特有的功能以外，静止变频电源的结构设计还要人性化，符合人机工程要求。例如在设计静止变频电源机柜的柜门时需考虑指示灯和把手的安装高度。研发初始时，产品设计的箱体前柜门是分上下两扇的，为防止操作人员安装起身时被撞，从安全角度考虑，改成整体一扇，并且采用带长连杆的锁具。此外由于部分静止变频电源的现场空间有限，为了减少过道的空间，不做后侧开门，将箱体后侧做成数块活动封板，安装弹出锁具可快速开起。此外，一套合理的静止变频电源的结构设计同时也满足好的结构工艺性，结构工艺性包括零件机械加工结构工艺性和产品装配结构工艺性。因此，在做静止变频电源的结构设计时，应充分考虑到结构工艺性的要求，使产品尽可能加工简单易行、拆装方便。例如静止电源的直流母线在箱体上部，为了便于现场铜排安装方便，箱体顶盖做成可拆卸，并将顶盖分割成若干块，减轻每块顶盖的重量，并安装弹出锁具，便于快速开起。

3 结语

产品结构设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，我国由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计自行开发的工具软件，结构设计软件基本被国外大公司垄断。综合运用文中四种类型设计方法是达到理想设计目标的有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。近年来我国的计算机辅助设计发展迅速，在企业内的普及程度相当广泛，国内的变频器结构设计更趋向合理、紧凑也是一个很好的例证，但智能化设计和满足异地协同设计制造等方面与国外比较还有明显的差距。国家“十二五”计划提出增强科技创新能力，提高产业核心竞争力，相信通过若干年的努力，我国产品制造业会有很好的发展。

［1］GAGAN J，VOGEL C M.创造实破性产品:从产品策略到项目定案的创新［M］.辛向阳，潘龙 译.北京:机械工业出版社，2006.

［2］林清龙.Pro/ENGINEER动态机构设计与仿真［M］.北京:电子工业出版社，2007.