基于虚拟样机技术的铁路货车轴端电机结构设计

王恒亮， 陆正刚， 孙效杰， 张宝安

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）

基于虚拟样机技术的铁路货车轴端电机结构设计

王恒亮， 陆正刚， 孙效杰， 张宝安

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）

介绍了虚拟样机技术和Pro/E软件，描述了铁路货车轴端电机的结构和功能特点及其虚拟样机模型的三维设计流程。讲述了模块化理念和并行设计方法在轴端电机总体设计中的应用，并详细描述了参数化设计方法在轴端电机详细设计中的应用，主要包括零部件尺寸参数化、装配约束参数化及Pro/E提供的“外部复制几何”和“使用参照”两种参数化工具。以永磁体厚度作参数化变量为例，介绍了多学科分析在轴端电机结构设计中的作用。通过铁路货车轴端电机结构设计的实践表明：先进的三维设计技术和卓越的多学科分析方法是基于虚拟样机技术的产品结构设计的重要工具和组成部分,能有效缩短设计周期、减少设计成本，并能保证产品满足使用者的需求。

虚拟样机；轴端电机；三维设计；多学科分析；Pro/E

研发一种铁路货车车辆轴端发电装置，改变货车走行部无电状态，为转向架智能监控系统提供所需电力。根据预算出的各结构参数，运用Pro/E软件在三维(Three Dimensional，3D)环境下实现该轴端电机的虚拟样机(Virtual Prototype，VP)建模与装配。欲根据相关电磁场效果、生电效率及经济性等多学科分析结果，对已完成的轴端电机结构方案进行更改，在其 3D设计阶段可引入模块化理念、并行设计和参数化设计方法，保证外界约束能驱动VP模型产生适应性改变，以满足轴端电机的实际性能需求及其实际安装或悬挂要求。这种基于VP技术的产品结构设计方法能推广至汽车、船舶和航空等领域的装备设计过程中，能有效缩短产品设计耗时，同时能延长产品全寿命周期。

1 VP技术与Pro/E软件

VP技术是以先进的CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）技术为基础，建立与物理样机相一致的数字化VP模型，然后利用VP模型进行动力学、热力学、磁场等多学科分析的一种卓越技术[1-2]。VP技术能方便实现人机交互的3D设计，能全面表达设计理念、设计思路与设计效果。同时，依据VP模型的多学科分析结果，在虚拟空间内可以自由修改原VP模型的各类参数，满足所设计产品的实际使用需要。VP技术、VP模型（3D设计）、多学科分析3者之间的关系，如图1所示。VP技术能大量减少产品开发时间和成本，最关键的是设计者能够针对使用者提出的性能和质量要求进行产品设计，为新产品迅速占领市场创造有利条件[3]。

Pro/E(Pro/Engineer)软件是美国 PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的工程设计软件，是当今世界机械设计行业内最为流行的3D软件之一。利用Pro/E进行产品的3D设计是基于装配关系进行的，而装配的基础是零件；零件是由若干带参数的特征堆累形成，特征是能够表达设计意图的简单几何形体，构成这些几何形体的要素是参数化的[4-5]。Pro/E已广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域，其版本也不断升级，在简化并精炼软件操作的基础上引入很多实用的新功能，如行为建模功能。采用 Pro/E软件可以实现该轴端电机的VP建模与装配，在3D空间中可以观测其内部各个方位的结构，更能依据多学科分析的结果自由修改其设计参数以满足要求。

2 轴端电机的3D设计流程

该轴端电机为铁路货车车辆转向架智能监控系统的供电装置，拟采用单定子单转子盘式永磁电机结构方案，其轴向尺寸小，使用永磁体励磁，被密封在轴箱端盖内，防尘、防水性能好，且易于拆装。根据永磁电机工作原理，该轴端电机由定子和转子两大部分组成。定子通过轴箱端盖和紧固件安装在车轴轴承座上；转子通过轴端压板和紧固件安装在车轴末端，并伴随车轴的转动进行旋转。在3D环境下，结合多学科分析结果，可运用Pro/E软件进行该轴端电机的VP模型设计，其设计流程，如图2所示。

图2 轴端电机VP模型的3D设计流程

3 轴端电机3D设计技术

3.1 模块化理念和并行设计（总体设计）

模块化理念是基于系统论设计思想与方法，按一定规则将产品划分为一系列模块，在产品设计过程中通过制作、选择和组合各模块可以快速获得新的产品[6]。产品模块化理念的提出促使并行设计方法的产生，即在以系统为核心的范围内，对产品各模块的研发工作同步开展，且并行设计过程中能全面考虑各模块对产品综合性能的影响，有助于提高产品质量并大大缩减产品设计周期。

图3 轴端电机的模块等级树

模块化理念和并行设计方法能运用于产品总体设计过程中。根据该轴端电机的结构和性能特点，将其主要零部件划分为定子组成、转子组成和标准件3个模块，并定义模块的等级，如图3所示。运用Pro/E进行3D设计的过程中，把整个电机定义为总组件（GENERATOR.ASM），2级模块中定子组成、转子组成分别定义为子组件(STATOR.ASM和ROTOR.ASM)，3级模块中各元件定义为零件（如SILICON_STEEL_SHEETS.PRT, ISOLATION_RING. PRT, COILS. PRT等），2级模块之标准件中的螺钉、螺栓和垫圈等用于完成该轴端电机零部件的连接。如图4所示，该轴端电机 3D设计的模型树中主要包括基准平面、基准坐标及各已建立的特征或零部件，它能清晰地表达产品内部零部件的结构关系，较好地映射设计者的设计思路与方法，同时，依据模型树能方便与快速地修改结构设计中各特征或约束的参数值。

图4 轴端电机的3D设计模型树

根据图3和图4，该轴端电机的设计工作可以按照局部到整体、零件到部件的关系进行。首先，使用Pro/E提供的各种造型工具，并灵活运用多种造型技巧完成3级模块中各零件的3D建模；然后，在同一工作目录下分别建立2级模块中的定子组成（STATOR.ASM）和转子组成（ROTOR.ASM）这两个子组件，导入各组件所包含的零件，并调用标准件模块中的连接件或紧固件进行子组件的虚拟装配；最后把两个子组件导入总组件中，同样调用标准件中的零件完成该轴端电机的虚拟装配，形成的外观效果图，如图5所示。图5中①为轴承座，内部包含该轴端电机的转子部分，②为轴箱端盖，内部包含其定子部分。

图5 轴端电机的3D外观图

3.2 参数化设计（详细设计）

参数化设计的动力来源于外部因素的影响，根据产品本身需满足的学科要求和市场对产品所期望的性能指标，对预设计的产品提出修改建议和意见，这些因素直接驱动产品各项数据的更新[7-9]。参数化设计主要用于产品的详细设计阶段，能具体到某个特征的信息。Pro/E软件本身是采用单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用的实体模型化系统，基于带参数的简单几何要素（点、线、面）可以实现3D零件的变量参数化和VP装配的约束参数化[10-11]。

根据该轴端电机的多学科分析结果，要满足使用者提出的需求，在3D环境中可对其零部件的尺寸参数和装配参数这两个结构参数进行修改。为方便进行设计更改，在其VP建模与装配的过程中，充分发挥Pro/E自身的参数化功能，并采用一定的造型方法和装配策略。

图6 永磁体拉伸特征的参数化尺寸

在该轴端电机的各零部件中，永磁体的形状、大小和材质等是影响磁场强度、电机特性及用材经济性等的重要因素。在3D设计的过程中，永磁体的模型主要包括拉伸和倒角两个特征。其中，拉伸作为第一特征，截面中3个尺寸（内径R65、外径 R94和扇形角 21°）和拉伸深度（厚度4）在Pro/E中均是参数化变量，如图6所示。在该轴端电机各装配参数中，对电机生电效率、磁场强度和电机特性等影响较大的是转子和定子之间的气隙大小，如图7所示。根据该轴端电机的结构特点，按照一定顺序（①轴承座-②定子-③转子-④车轴-⑤轴承）完成其虚拟装配，气隙值的大小可以依据使用者对电机性能的要求自由调整。

图7 轴端电机虚拟装配局部剖面图

在该轴端电机的结构设计中最重要的装配为线圈-硅钢片组、永磁体-承载圈，线圈要按指定的匝数绕在硅钢片组的开槽内，永磁体大小需要和承载圈上的开槽完全匹配。因此，可基于部件级的装配关系，在定子组成或转子组成的组件环境中，分别进行线圈和永磁体的形状设计，如图8和图9所示。如图10和图11所示，利用Pro/E提供的“外部复制几何”和“使用参照”工具，进行永磁体、承载圈、线圈、硅钢片组等4个零件的3D建模与虚拟装配，这样将提高零件模型尺寸的准确性并避免装配时超出规定的限界，同时大大缩短了设计用时[11]。利用上述两个工具完成设计工作后，根据多学科分析结果和使用者需求，若改变硅钢片组的开槽或永磁体的大小、形状，线圈和承载圈上的开槽将随之发生自适应修改，达到基于部件级参数化设计的目标。

图8 在定子组成组件环境中进行线圈的设计

图9 在转子组成组件环境中进行永磁体的设计

图10 利用“外部复制几何”工具通过复制硅钢片组开槽的形貌绘制线

图11 利用“使用参照”工具参照永磁体的轮廓线绘制承载圈上的开槽

上述的造型方法与装配策略仅为示例，在该轴端电机详细设计过程中，针对不同零部件的结构特点，设计者可以充分运用Pro/E提供的参数化工具，建立尺寸关系和约束关系参数化模型，为该轴端电机的多学科分析工作提供重要基础。

4 轴端电机多学科分析

在进行该轴端电机结构设计之前，根据一般永磁电机的设计方案及该电机需满足的性能要求，预算相关零部件的结构参数。依据初选的各参数，运用Pro/E软件提供的各种造型方法与装配策略，完成该轴端电机的3D建模与VP装配。为校核所完成的设计方案是否满足使用者提出的性能、经济性和可行性等要求，需从磁场强度、发电效率及结构强度等角度，对已完成的结构方案进行多学科分析。由于目前关于该轴端电机的最优化设计没有明确考查指标或标准，因此，有关该电机的多学科分析大都从使用者提出的不同需求出发，结合matlab软件计算出不同结构参数下获得的电机特性曲线，使用者可以据此来选择其所需的轴端电机的各项参数。

影响该轴端电机工作性能的因素很多，主要集中于励磁部位，包括永磁体和线圈。其中，永磁体厚度是其磁化方向的重要结构参数，故以此为例来研究永磁体厚度的改变对该电机效率、功率因素、输入功率和输出功率等4个性能指标的影响[12-13]，分析结果分别如图12、图13、图14、图15所示。

图12 轴端电机效率曲线

图13 轴端电机功率因素曲线

图14 轴端电机输入功率曲线

图15 轴端电机输出功率曲线

转矩角是电机运行特性最主要的决定因素，一般取35°-45°。图12表明该轴端电机的效率随着转矩角的增大呈类似线性减小，但永磁体厚度越大，电机效率越高；图 13表明该轴端电机的功率因素随着转矩角的增大呈非线性减小，同样，永磁体厚度越大，电机功率因素越大；图14表明该轴端电机输入功率随着转矩角的增大呈类似线性增大，但永磁体厚度越大，电机输入功率越小；图 15表明该轴端电机输出功率随着转矩角的增大呈类似线性增大，且永磁体厚度在3-5mm范围的变化，对电机输出功率基本没有影响。据此，使用者可以根据上述分析结果、实际需求和永磁体材料价格等因素综合确定永磁体厚度。

根据使用者提出的需求，该轴端电机设计者可以分析计算获得电机各结构参数后更改初始设计，或者可以使用不同的结构参数完成多套设计方案，分别对每套方案进行多学科分析，得到不同的电机特性供使用者挑选。

5 结 束 语

通过学习VP的原理与技术，按照预定的设计流程，根据电机的结构和功能特点，运用Pro/E软件提供的各种造型工具和装配策略，并能结合电机的多学科分析结果，实现了铁路货车车辆轴端电机的VP建模与装配，特别是参数化设计为电机的多学科分析结果的反馈运用提供了重要基础。基于VP技术的产品结构设计方法在轴端电机的设计过程中得到了实践，这种先进的设计方法能推广和应用于其他领域的设备制造业中。对于结构设计和多学科分析两者之间接口技术、相互作用与软件开发等更深入的研究与实践还有待进一步加强。

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The Structural Design of Shaft-end Generator in Railway Wagons Based on Virtual Prototype Technology

Wang Hengliang, Lu Zhenggang, Sun Xiaojie, Zhang Baoan
( Institute of Railway & Urban Mass Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The technology of Virtual Prototype (VP) and the software of Pro/Engineer(Pro/E) are introduced. The characteristics of structure and function of shaft-end generator in railway wagons are described, as well as Three Dimensional (3D) design process of its VP Model.The applications of the idea of modularity and the method of concurrent design in the general design of shaft-end generator are presented, and the application of the method of parametric design in its detail design is described in detail, mainly including component dimension parameterization, assembling constrain parameterization and two parametric tools, namely external copied geometry and external preference. The function of multi-disciplinary analysis in the structural design is presented with the example of regarding the thickness of permanent magnet as parametric variable. Via the work of the structural design of shaft-end generator in railway wagons, practice shows that advanced 3D design technique and excellent multi-disciplinary analysis methods are very most important tools and parts in the product structural design based on virtual prototype technology, and also, the design cycle and cost can be reduced and the product can be guaranteed to meet the requirements of users.

virtual prototype; shaft-end generator; three dimensional design;multi-disciplinary analysis; Pro/Engineer

U 270.3

A

2095-302X (2013)04-0105-07

2013-01-17；定稿日期：2013-04-23

王恒亮（1989-），男，江苏金坛人，硕士研究生，主要研究方向为车辆动力学。E-mail：whl1989@aliyun.com；

陆正刚（1966-），男，江苏新沂人，工学博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为车辆动力学。E-mail：luzhenggang@tongji.edu.cn