干式变压器三维布置图结构设计

张 丹

0 引言

干式变压器进入我国已经有几十年历史，随着对人类环境保护的要求越来越高，干式变压器在整个变压器产品数量中的份额也越来越大。

现今变压器行业竞争激烈，成本控制至关重要，众多的变压器厂商都会因为线材及硅钢片的价格适当调整设计，以求达到最经济的设计。干式变压器因为其特殊的制造工艺，使其同系列变压器外观基本相同，只是大小比例有所偏差，因此，给干式变压器的结构设计带来大量的重复性工作，占用设计人员大量时间。

笔者利用Inventor 软件，将传统的二维CAD设计与三维立体设计相结合，对干式变压器结构进行了三维布置图建模，自上而下的完成设计，构建一套完整的干式变压器设计体系，提高了10 倍以上的工作效率，而且使得图纸无错化，节约了人力成本，极大地缩短了变压器的制造周期。

1 设计思路与流程

传统的变压器CAD 设计，采用二维CAD 设计，二维CAD 入手简单，可以直观的自上而下进行设计，然后再套用各厂已经建立好的通用件，以及标准件库完成整套设计。

笔者利用Inventor 软件实现的设计方案，可以最大化的简化设计流程，在得到一种新产品后确定产品主体思路及结构，然后衍生出设计参数，再建立以三维原点为基点的传统二维三视图，并且与设计参数链接；再用二维布置图生成三维零件并装配，最后生成传统的二维工程图。

如果是成熟产品设计，已经确定了产品的结构以及有了成熟的三维布置图，那么在二次设计时只需要输入设计参数并且进行图形更新即可得到最终的二维工程图，从而省去了重复的设计工作，节约了重复性工作时间，并且使得图纸无错化，标准化。具体设计流程见图1。

图1 设计流程图

1.1 初步确定变压器结构

笔者以1 台铁道专用DC10-30/27.5 kV 单相变压器为例进行初始设计，结构确定为普通双柱串联单向变压器。

1.2 编写基本参数表格

笔者从变压器初始计算单入手将基本参数编写Excel 表格。为了简化三维数据在以后各个零件中的传递效率，选取少量的核心数据编入基本数据表格，这类数据从初始计算单得到，只包括变压器的铁心直径，窗高等核心数据，该类数据完整的反映出变压器各个零件在空间的相对位置，以及各个零件的配合关系。但是诸如零件自身的细部数据，在基本表格中根本不需出现，只在最后完善零件步骤中进行编辑。

基本参数表格中的参数在Inventor软件中利用等式与三维布置图中的数据关联，如：d0= 铁心直径。这样就可以做到利用参数对三维布置图进行完全控制（图2）。

图2 基本参数表格图

1.3 参数化建立三维布置图

一切结构设计都始于布置图，传统二维设计都是先建立主视图，然后利用投影的方法建立俯视图以及左视图，但是一个视图只能反映物体的一个方位的形状，不能完整反映物体的结构形状。所以在后期工作中需要投入很多的工作进行校核，审核确保设计正确。在后来的设计中，有些设计人员采用了三维设计，但是受制于软件等其他因素设计只能自下而上的反推进行，这样不仅背离了设计原则，而且被事先设计好的通用零件所束缚，不能完全的展开设计思路。

笔者利用Inventor 软件中进行自上而下的设计，将传统的二维设计的灵活和三维设计的严谨相结合，创新了一种三维布置图的方法。三维布置图不使用三维设计中X，Y，Z 三维坐标，而是由三维坐标原点（0，0，0）为基点建立XY 平面的主视图，YZ 平面的俯视图，XZ 平面的侧视图，3 个视图中的数据来源于1.2 节中的基本参数表格，每一个视图都是单独建立，并不是其他视图的投影，因为该布置图会作为以后所有零件的创建基础，所以要简化其数据构成，只要不是基本参数表格中出现的参数，一律不在布置图中画出，提高以后步骤的运行速率。参见图3。

图3 三维布置示意图

1.4 生成三维零件模型

在该步骤中，笔者使用了Inventor 软件中的一项极为重要的“生成零部件”功能，该功能是保证基本数据和布置图传递到各个零件的核心。在布置图中利用拉伸，扫掠，旋转等基本功能就可以建立相关零件，然后根据不同零件的不同细部数据对零件进行再完善。

在完成该步骤之后，包括在布置图中的所有零件就都被构建出来，如果需要对零件进行微调，或者更新零件的基本数据，只需要更新原始的1.2 节中的基本数据表格，或者更改1.3 节中的布置图就可以完成对零件的数据更新，改变其三维特征。

1.5 对所有的零件进行总装配及检查

在1.4 节中，笔者完成了对干式变压器零件的建立，这些零件因为由三维布置图而来，所以它们都继承了三维布置图中的相对位置关系，所以在进行总装配过程中可以利用基准点和基准面进行快速有效的装配，完成装配之后，利用软件的干涉检查功能进行最终校核，然后完成整体的三维设计。图4是干式变压器的总装配图。

图4 干式变压器总装配图

1.6 完成设计并生成二维工程图

装配完成之后，通过干涉检查后就转入最终步骤生成最后的二维工程图，该步骤也是整个干式变压器三维布置图设计工作中最繁琐的一步，但是合理利用Inventor 中的标注功能也能简化步骤（图5）。

1.7 快速的基本数据更新

完成以上6 个步骤之后就建立了一套完整的从计算单到最后二维工程图的系统，本次的DC10-30/27.5 kV 单相变压器设计完成，就可以涵盖小容量27.5 kV 变压器（30～315 kV·A）。对于在这个容量段的新设计变压器就可以打开基本参数表格进行基本数据更新，然后直接进行二维工程图图纸更新，完成设计。

图5 变压器总装工程图

2 设计总结及经验

笔者认为利用Inventor软件的三维布置图结构设计法则是当下干式变压器设计中最便捷，最精确，最先进的设计办法，它结合了二维设计的灵活多样以及三维设计的空间位置严谨的双重特点，成倍的提高了设计人员的设计效率，将一个设计人员最快1 d 完成的工作量，缩短到10 min 内完成，节约了大量的结构重复设计时间，使得设计人员无需进行繁杂的重复性工作，将更宝贵的时间和精力投入到新产品的研发。

笔者认为可以将干式变压器的三维布置图结构设计做相应改进，在油浸变压器器身设计中使用，配合另外的一些参数化设计理念可以胜任油浸变压器的器身设计。