CN1670874A - 变压器三维设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用计算机软件三维造型。所要解决的问题是：改正传统变压器设计中抽象、易错、不灵活、效率低的缺点。本发明的要点是：系统利用计算机的三维实体功能，在屏幕上模拟变压器产品的完整装配过程。生成与实物形状相同的三维产品模型，反映零部件相互间的配合信息，实现在产品设计原则指导下的零部件间尺寸参数相互关联的技术，使设计人员可以在产品投产前预先修正各种设计失误。在MDT三维软件的平台上运行，可以提高产品的设计质量，缩短研发周期，降低变压器的制造成本。本系统专供变压器设计人员使用的、先进的三维产品设计工具。适用于110kV及以下电压等级的电力变压器。

Description

变压器三维设计系统

技术领域

本发明涉及一种利用计算机软件三维造型，实现变压器结构设计的自动化技术。

背景技术

长期以来，在我国变压器行业中，由于在结构设计方面缺乏先进的手段，各生产厂家只能沿用经过多年实践检验过的结构类型，对产品结构改进态度特别慎重。特别是特大型变压器，由于制造成本较高，如果结构改进不合理，损失相当巨大。由此带来的负面效应是变压器结构型式多年不变，科技人员的创造思维被抑制，变压器零部件标准化、通用化工作在行业难以开展。在科学技术飞速发展的今天，在产品竞争激烈的市场经济条件下，如果不能吸取最新科研成果，不断推出更新换代的产品，企业将无生命力而言。

要不断的改进产品结构，尽可能降低损耗，在保证高效率的前题下，生产出高质量的产品，就必须在新产品开发研制上下工夫。我们认为最佳的切入点就是依靠科技进步，开发更先进的计算机设计开发软件，为产品设计开发人员提供更加有效的工具。

发明内容

本发明的目的是开发一种利用微型计算机，在机械平台(Mechanical Desktop)或发明者(Inventor)三维软件平台上运行的变压器产品的设计工具，以便提高产品的设计质量和设计水平，缩短产品研发周期，降低变压器的制造成本。

变压器三维设计系统，是结合变压器产品结构特点开发的、专供变压器设计人员使用的、先进的三维产品设计工具。系统结合了IEC标准和国家标准，考虑了本行业现行的工艺条件，包括了目前国内电力变压器110kV及以下电压等级的大部分结构形式，适用于大多数企业使用。

变压器三维设计系统，就是利用计算机的三维实体功能，在屏幕上模拟变压器产品的完整装配过程。生成与实物形状相同的三维产品模型，反映产品零部件相互间的配合信息，运用产品设计原则和零部件间尺寸参数相互关联的技术，实现产品设计全过程的数据运算、校核和传递，使设计人员可以在产品投产前预先修正各种设计失误。将产品设计的输入数据与产品的实体装配数据、零件的三维造型设计数据及二维工程图数据统一起来，建立参数关联，是本系统的技术关键。

本系统能够产生变压器零部件的三维实体图和二维工程图。

本发明提供的变压器三维设计系统主要由下面几个部分组成：

1、数据库与数据流：

包括建立新项目数据库；输入或导入初始数据；专家系统对数据的检验和提示；数据关联运算；数据编辑；数据传递；保存数据。

在开始新产品设计时，首先建立一个标识和与标识对应的数据库，以标识为目标指针确定数据流向，激活初始化对象，控制系统指向数据输入界面。原始数据(包括布置图、计算单和经验数据)从界面输入(如果原来有类似方案也可以调入)，将输入或修改后的数据传入专家系统。专家系统根据设计原则对数据进行校核，如发现问题，提示错误，返回上一级界面，修改数据。如没有问题，将数据传入公式计算模块。数据经过处理后，分类传入指针指向的铁心、线圈、绝缘、引线、油箱和总装数据库(见图5、图6)。

其中专家系统是一系列设计原则和包括经验、标准、容错、分析在内数据的集合体，具有对输入数据的分析、判断能力，专家系统的内容可以扩充、删除、和修改，以满足不同的电压等级、不同的结构形式的变压器对象。

2、三维模型的建立与参数关联

建立三维实体模型是系统构成的重要环节，作为专业版的变压器设计系统，在建模的过程和方法上，同广义的通用机械表现形式相比，具有着相似性和特殊性。特殊性包括在线圈部分和绝缘部分为实现非投影视图而创建的参数化二维工程图；包括对应不同草图特征和放置特征而创建的零件体和装配体；包括在非装配环境为实现包含明细表在内的装配工程图而创建的部件和零件模型；包括在实体驱动变量中含有适合于变压器结构的特殊参数以及与变量表中的名称关联对应。

3、系统的功能模块：

3.1项目管理模块：

项目管理模块是变压器三维实体设计的开始，在项目管理程序中可以使用户以项目的方式来进行的不同产品的设计工作，不同的产品属于不同的项目，图形文件和数据库文件存储于不同的磁盘目录，有利于用户同时进行不同产品的设计工作。

项目管理程序另一个重要的作用是输入变压器结构设计时必须的初始数据，其中包括计算单已经计算出的数据，各种结构设计的参数及经验数据。计算单中计算出的数据在结构设计中是不能轻易改动的，因此这些参数只能由主管设计人员在项目管理程序中进行输入，在以后的结构设计过程中，这些参数在其它程序中是不能改变的(见图6)。

3.2铁心设计模块：

铁心设计中铁心框架结构分为两种：拉板结构铁心和拉螺杆结构铁心。

铁轭形状有圆形铁轭和“D”形铁轭两种。

其中拉板式铁心直径范围为940～400，间隔为10，拉螺杆结构铁心直径范围为750～400，间隔不等。

本版本提供的铁心最大为20级，各级的片宽和叠厚由程序自动取自铁心数据库。叠厚为0时表示前一级即为该直径铁心的最大级数，此时它的片宽为最大片宽。

本程序完成后生成的铁心的三维框架图，其每级的片宽与叠厚都与实际铁心一致，主要作用是用来进行三维实体装配的；用铁心设计生成的三维铁心图并不能直接生成铁心叠片图，它的作用主要是进行三维装配。

3.3线圈设计模块：

低压线圈模块适用于单螺旋、双螺旋和四螺旋三种结构形式，及首端是否为拉平结构，若接近于这几种形式的线圈，如：单半螺旋、双半螺旋也可以用单螺旋、双螺旋结构型式生成后，在工程图中修改即可。

中压线圈程序适用于连续式线圈，分中部出线和端部出线两种出线方式，其中端部出线采用一个线圈，而中部出线采用双线圈结构，即两个线圈上下并联。程序运行时，需要设计者判断线圈绕向，其中，当线圈为中部出线时，线圈为两线圈并联，此时，线圈绕向是指上部线圈的绕向。还要判断线圈是否有挡油板，是否有静电环。

高压线圈程序适用于纠结连续式、内屏连续式线圈，分中部出线和端部出线两种出线方式，其中端部出线包括左绕向和右绕向两种绕线方式，而中部出线采用双线圈结构，即两个线圈上下并联，上部右绕向，下部左绕向一种绕线方式。线圈导线分普通导线和组合导线，但不包含屏线。

程序运行时，需要设计者判断线圈是否有挡油板，是否有静电环。

调压线圈程序适用于螺旋式线圈和单层园筒式线圈两种，分高压是中部出线和端部出线两种出线方式。程序运行时，需要设计者判断线圈绕向，高压出线方式(是中部出线还是端部出线)，调压线圈出头是跨一根撑条还是跨两根撑条，线圈是否有角环以及线圈的结构形式(包括螺旋式和单层园筒式两种)。

3.4绝缘设计模块：

在产品结构形式中，提供了“三圈有载拉板结构”、“两圈有载拉板结构”、“三圈无载拉板结构”和“两圈无载拉板结构”四种形式。

在以后的部分界面中，会出现部分数据窗口灰显，这部分数据为参数传递变量，来自初始化菜单，经过相关程序计算后，传递到各下级界面上，不需要人工再次输入。如果您确信灰显数据不符合设计要求，请在程序运行结束后，通过下述方法修改数据。在desktop浏览器中选取“建模模式”，在“零件菜单”中选取“设计变量”，在打开的窗体中选取“全局变量”，对应各名称的注释，修改表达式中的数值，确定。

3.5引线设计模块：

本模块适用于高压电压等级为110kV，有载调压、无励磁调压，接线方式为YN接，三绕组或双绕组变压器高压引线设计；适用于低压接线方式为d接双绕组变压器及高压电压等级为35kV，低压接线方式为d接，产品容量较大的双绕组变压器的低压引线设计；适用于中低压都在低压侧出线，低压用铜排连接，中压用电缆连接，中压开关为立式无励磁分接开关，接线方式为：中压Y接，低压Δ接；适用于中低压都在低压侧出线，中、低压均用电缆连接，中压开关为立式无励磁分接开关，接线方式为：中压Y接，低压Δ接。

3.6油箱设计模块：

本模块适用于：钟罩式和桶式，其中钟罩式又分为：矩形平顶式油箱，矩形梯顶式油箱，八角平顶式油箱，八角梯顶式油箱。

按照不同的电压等级和结构形式，选取上述种油箱和相关零部件。

3.7总装设计模块：

本模块适用于：110kV及以下电压等级总装时所用联管，及与散热器、升高座、储油柜、有载开关和套管等相关联的有关零部件的设计。

4、通用件与组件图形库：包括法兰库、盖板库、密封垫库等通用件库和套管、散热器等组件库。该功能模块能够完成对录入零件的查询、配套、调入装配环境和安装尺寸检索。该数据库为完全开放式，便于修改和扩充。

5.标准结构图形：

5.1铁心结构型式：

框架为：拉板—板式夹件结构和拉螺杆—槽式夹件结构

铁心叠积图型式组合有：

●圆形铁轭/D形铁轭

●断轭/不断轭

●带工艺孔/不带工艺孔

●带尖角/不带尖角

●接缝级数：2～6级

5.2绕组型式：

●层式(单层、多层及分段层式等)

●螺旋式(单螺旋、双螺旋、四螺旋及八螺旋等)

●连续式

●内屏连续式

●纠结连续式

5.3器身绝缘型式：(组装式和分装式)

●三绕组有载调压

●三绕组无励磁调压

●双绕组有载调压

●双绕组无励磁调压

5.4引线型式(高压为Y接线，中低压为yd接线，低压为d接线)

●有载调压时，高压三相分接线在高压侧

●有载调压时，高压A相在低压侧，B、C相在低压侧

●无励磁调压时，高压三相分接线在高压侧，高压0相在低压侧或在高压侧

●中压为带分接和不带分接型式

●中压开关为三相开关或单相开关

●低压为铜排或电缆结构；

5.5油箱型式(钟罩式和桶式)

油箱形状：

●波纹式和平板式

●矩形和八角形

●平顶和梯形顶

6.系统主要功能

●设计模式按产品项目分类列表，项目负责人统一管理，实现产品设计的分工、协作和集成；

●实现典型产品结构标准化，通用零部件结构参数化，通用件库和标准件库系列化；

●实现结构优化设计，变压器零部件内部装配可与外部装配互换，实现零部件装配干涉检查、装配件质量特性分析的智能化；

●实现可视化设计，零件/装配体做到多视口、多方向观察，自动创建场景，渲染零部件实体，生成装配爆炸图；

●产品零部件间数据相互关联，产品的全部数据由相应数据库统一管理；

●变压器三维实体图与二维工程图双向关联，自动转换，自动生成局部、放大、剖视、装配等工程视图，直接指导生产；

●自动生成与装配相对应的明细表；

●多种标注选择符合国家标准和行业标准；

●系统安全可靠，软硬加密相结合，保障使用者的权益。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是项目管理程序主界面图。

图2是新增项目程序界面图。

图3是恢复项目界面图。

图4是输入结构参数程序界面图。

图5是项目管理流程图。

图6是参数传递流程图。

图7是管接头参数示意图。

图8是管接头三维实体图。

图9是管接头工程图。

具体实施方式

1、计算机软硬件配置：

操作系统：中文版的Windows 2000 Professional。

支撑软件：中文版的Mechanical Desktop 6.0系统

内存和硬盘空间：内存256MB、系统分区剩余3GB硬盘空间。

CPU：Intel PII800。

显示器：17“，显示分辨率：1024×768大字体

2、项目管理模块的构成

项目管理程序是进行变压器三维实体设计的开始，在项目管理程序中可以使用户以项目的方式来管理进行的不同产品的设计工作，不同的产品属于不同的项目，图形文件和数据库文件存储于不同的磁盘目录，有利于用户同时进行不同产品的设计工作。

项目管理程序另一个重要的作用是输入变压器结构设计时必须的初始数据，其中包括计算单已经计算出的数据，各种结构设计的参数及经验数据。计算单中计算出的数据在结构设计中是不能轻易改动的，因此这些参数只能由主管设计人员在项目管理程序中进行输入，在以后的结构设计过程中，这些参数在其它程序中是不能改变的。

已有项目名称中列出当前用户已经建立的项目名称，用户可以根据自己的需要或爱好来给项目取名，每个项目在建立该项目时都有密码，这样可以使多个用户共用一台计算机时能够保护每个用户的信息，避免了相互之相的影响。

“新增项目”：用来建立新的项目。

“删除项目”：用来删除已有的项目(需要用户输入正确的密码才能删除项目)。

“详细资料”：显示该项目建立的日期、主管人、存储目录等信息。

“恢复项目”：用于将已经存在于硬盘文件夹中的原有项目恢复到项目数据库中。一般用于用户重新安装系统时，或项目数据库被覆盖后。

“修改密码”：用于修改某个项目的密码，只有当原密码输入正确时，才能进行密码的修改。

当用户需进行一个新的项目设计时，单击主界面的“新增项目”按钮，弹出图2的“新增项目”界面。项目名称可以是该产品的订货单位或产品型号或其它名称；项目密码是用来保护不同用户的不同项目的数据参数信息，因此每个项目的主管人员一定要记住每个项目的密码，因为每一个项目的参数修改都需要密码，没有密码是不能进行任何操作的。在每个项目的数据库中密码是加密后保存的，这样即使有人打开了项目的数据表也不会造成密码的泄露。

存储目录是该项目所有的图形文件及数据文件存储的目录，因此请将该目录建立在有一定磁盘空间的硬盘分区内，本系统生成一套产品的全部图形文件及数据文件大约需要100M磁盘空间。

“恢复项目”：在项目名称中填写要恢复项目的项目名称，如果项目名称与数据库中的项目名称不一致，则项目将不能被恢复到项目数据库中。

项目密码中填写该项目的密码，此密码与要恢复项目原来的密码可以不同，输入密码后如果一切正确，则该密码将作为该项目的新密码。

确认密码与项目密码必须输入一致。

填写主管姓名。

存储目录可直接填写要恢复项目所在的盘符及文件夹，也可以按输入框后的浏览按钮，将显示系统所有的盘符及目录树，用户也可以在目录树中选择要恢复项目所在的位置。只有当该位置中包括有本系统的项目数据库JSD.mdb时，恢复项目才可能进行。

将各项填写正确后按恢复按钮，如果项目被正确恢复则将显示“恢复成功”的对话框。用户在已有项目的列表中会看到被恢复项目的名称。

建立好项目后在主界面中选中刚刚建立的项目名称，然后在项目密码中输入建立项目时的密码，单击“确定”按钮，程序进入图3显示的程序界面，用户可以输入结构设计所需要的一些参数。

数据输入主要有五大部分，基本参数包括该产品的型号、容量、电压等级及联接组号及结构形式是拉螺杆结构还是拉板结构。其它参数都是结构设计所必须提供的数据。经过以上输入，产品基本数据已存入数据库中，供后续零件设计时调用。

3、零件设计模块

3.1零件管接头的建模

零件建模可以选择多种方法，在构造顺序上有很大不同。在建立模型中遵循的原则应该是特征尽可能少，多用几何约束，少用尺寸约束，保持模型稳定。在下面的例子中也可以先定义法兰，再以法兰为基础特征定义弯管和另一面法兰，当然也还有更多的方法。选择以下的方式，是遵循了上面的原则，择优的结果。

首先建立新零件，选STI_A4模板，选模型空间。

1)用多段线画出一连续线段。

2)将其定义为扫掠路径。

3)用等长约束两端线段相等。添加驱动尺寸，(L＝50，R＝50)实现草图全部约束。

4)通过扑捉在扫掠原点画一圆，并通过定义截面轮廓和添加直径尺寸(D＝45)全部约束。

5)扫掠，确定，生成弯头。抽壳，选择两端面为开口面，向内4。

6)以端面为草图平面，在两端各画一圆，定义截面轮廓，同心约束。直径＝41，添加拉伸25。

7)画出法兰外轮廓，以两端直管外端面为草图平面，在两端各画一圆，定义截面轮廓，同8)心约束。直径＝60，向里添加拉伸10。

9)在两端法兰外端面为草图平面，各画一圆，定义截面轮廓，同心约束。直径＝38，切削拉伸25。

10)在法兰上画螺栓孔。在法兰中心定义工作轴，圆周阵列为6个螺栓孔。

11)另一面法兰同上。

12)参数化。将建模中的部分驱动尺寸，用图7中d1-d9变量参数替换。

3.2零件管接头的程序设计

通过计算机语言编制程序和输入界面。将项目管理引出的参数，经过关联计算后，转换成输出变量。将输出变量传入对应零件模型d1-d9参数中，驱动三维模型改变。将零件数据传入零件数据库中。创建的三维实体图见图8

1)执行零件程序，在界面中依次输入扫掠路径长100、扫掠路径半径100、扫掠圆直径90、直管直径＝82、拉伸50、法兰外直径120、拉伸20、法兰内直径76、拉伸20等参数。

2)程序对输入数据逻辑判断和根据设计原则检验。

3)发现错误提示，返回输入界面重新输入。

4)如没有错误，与系统传入数据关联运算，输出数据。

5)从模型库中调出模型文件。

6)将数据传入模型文件，更新后保存。

7)将数据传入零件对应数据表保存。

3.3零件管接头的工程图输出。

三维实体图产生后，可以通过实体装配，尺寸测量等手段进行正确性检验。确认正确后，可以自动转化成二维工程图。

1)出图---------创建视图---------视图类型：基础视图，比例：0.25.---------选择平面：X工作轴：X，---------调整方向：接受---------指定基础视图位置。

2)创建左视图：出图---------创建视图---------视图类型：正交视图---------确定-------选择父视图------指定正交视图位置。

3)创建俯视图：出图---------创建视图---------视图类型：正交视图---------确定-------选择父视图------指定正交视图位置。

4)创建轴侧视图：出图---------创建视图---------视图类型：正交视图---------确定-------选择父视图------指定正交视图位置。

5)注释-------编辑尺寸---------移动尺寸位置---------选择要移动的尺寸---------选择目标视图。

视图可见性--------选择--------选择隐藏的工程图对象---------确定。

6)零件-------零件---------质量特性-------选择零件或字部件-------选择或创建材料---------结果：计算--------将结果添加到工具拦中。

7)添加明细表其他内容。

工程图见图9。

Claims (2)

1、一种变压器三维设计系统，其特征是：它是由以下四部分组成：

(1)、数据库与数据流：包括

建立新项目数据库；

输入或导入初始数据；

专家系统对数据的检验和提示；

数据关联运算；

数据编辑；

数据传递；

保存数据；

(2)、三维模型的建立与参数关联，包括

在线圈部分和绝缘部分为实现非投影视图而创建的参数化二维工程图；

对应不同草图特征和放置特征而创建的零件体和装配体；

在非装配环境为实现包含明细表在内的装配工程图而创建的部件和零件模型；

在实体驱动变量中含有适合于变压器结构的特殊参数以及与变量表中的名称关联对应；

(3)、系统的功能模块：包括

(3.1)项目管理模块：

(3.2)铁心设计模块：铁心设计中铁心框架结构分为两种：拉板结构铁心和拉螺杆结构铁心，铁轭形状有圆形铁轭和“D”形铁轭两种，其中拉板式铁心直径范围为940～400，间隔为10，拉螺杆结构铁心直径范围为750～400，间隔不等；

(3.3)线圈设计模块：低压线圈模块适用于单螺旋、双螺旋和四螺旋三种结构形式，及首端是否为拉平结构，及接近于这几种形式的线圈；

中压线圈程序适用于连续式线圈，分中部出线和端部出线两种出线方式，其中端部出线采用一个线圈，而中部出线采用双线圈结构，即两个线圈上下并联，程序运行时，需要设计者判断线圈绕向，其中，当线圈为中部出线时，线圈为两线圈并联，此时，线圈绕向是指上部线圈的绕向，还要判断线圈是否有挡油板，是否有静电环；

高压线圈程序适用于纠结连续式、内屏连续式线圈，分中部出线和端部出线两种出线方式，其中端部出线包括左绕向和右绕向两种绕线方式，而中部出线采用双线圈结构，即两个线圈上下并联，上部右绕向，下部左绕向一种绕线方式；

程序运行时，需要设计者判断线圈是否有挡油板，是否有静电环；

调压线圈程序适用于螺旋式线圈和单层园筒式线圈两种，分高压是中部出线和端部出线两种出线方式。程序运行时，需要设计者判断线圈绕向，高压出线方式，调压线圈出头是跨一根撑条还是跨两根撑条，线圈是否有角环以及线圈的结构形式；

(3.4)绝缘设计模块：在产品结构形式中，提供了“三圈有载拉板结构”、“两圈有载拉板结构”、“三圈无载拉板结构”和“两圈无载拉板结构”四种形式；

(3.5)引线设计模块：本模块适用于高压电压等级为110kV，有载调压、无励磁调压，接线方式为YN接，三绕组或双绕组变压器高压引线设计；

适用于低压接线方式为d接双绕组变压器及高压电压等级为35kV，低压接线方式为d接，产品容量较大的双绕组变压器的低压引线设计；

适用于中低压都在低压侧出线，低压用铜排连接，中压用电缆连接，中压开关为立式无励磁分接开关，接线方式为：中压Y接，低压△接；适用于中低压都在低压侧出线，中、低压均用电缆连接，中压开关为立式无励磁分接开关，接线方式为：中压Y接，低压△接。

(3.6)油箱设计模块：本模块适用于：钟罩式和桶式，其中钟罩式又分为：矩形平顶式油箱，矩形梯顶式油箱，八角平顶式油箱，八角梯顶式油箱；按照不同的电压等级和结构形式，选取上述种油箱和相关零部件。

(3.7)总装设计模块：本模块适用于：110kV及以下电压等级总装时所用联管，及与散热器、升高座、储油柜、有载开关和套管等相关联的有关零部件的设计；

(4)、标准结构图形：

(4.1)铁心结构型式，框架为：拉板—板式夹件结构和拉螺杆—槽式夹件结构铁心叠积图型式组合有：

●圆形铁轭/D形铁轭

●断轭/不断轭

●带工艺孔/不带工艺孔

●带尖角/不带尖角

●接缝级数：2～6级

(4.2)绕组型式：

●层式，单层、多层及分段层式

●螺旋式，单螺旋、双螺旋、四螺旋及八螺旋

●连续式

●内屏连续式

●纠结连续式

(4.3)器身绝缘型式：组装式和分装式

●三绕组有载调压

●三绕组无励磁调压

●双绕组有载调压

●双绕组无励磁调压

(4.4)引线型式，高压为Y接线，中低压为yd接线，低压为d接线

●有载调压时，高压三相分接线在高压侧

●有载调压时，高压A相在低压侧，B、C相在低压侧

●无励磁调压时，高压三相分接线在高压侧，高压0相在低压侧或在高压侧

●中压为带分接和不带分接型式

●中压开关为三相开关或单相开关

●低压为铜排或电缆结构；

(4.5)油箱型式，钟罩式和桶式

油箱形状：

●波纹式和平板式

●矩形和八角形

平顶和梯形顶

2、按照权利要求1所述的的变压器三维设计系统，其特征是：它还包括通用件与组件图形库：有法兰库、盖板库、密封垫库通用件库和套管、散热器组件库。

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