基于Creo/Cabling的电力电子设备三维布线应用

郑　超，曹　伦，周晓东，蔡　潇

(1.特变新疆新能源股份有限公司，新疆乌鲁木齐　830011) (2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安　710000)



基于Creo/Cabling的电力电子设备三维布线应用

郑超1，曹伦1，周晓东2，蔡潇2

(1.特变新疆新能源股份有限公司，新疆乌鲁木齐830011) (2.特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安710000)

摘要:首先指出了电力电子设备采用传统的结构－布线串行设计方法的缺点，提出了将三维布线应用在结构开发阶段的并行设计方法;接着介绍了三维布线的流程和优势;最后通过工程实践，验证了结构－布线并行设计方法，不仅缩短了开发周期，还能提高所布线路的可靠性和美观性。关键词: Creo;三维布线;电力电子设备;并行设计

为了快速响应市场需求，电力电子设备更新换代的速度在不断加快，这对产品的开发质量、周期和成本控制均提出了更高的要求。现代电力电子设备都在向着轻量化、微型化、模块化和智能化的方向发展，作为产品设计和优化的方法，传统的二维设计已经不能满足市场要求，取而代之的是计算机辅助三维设计［1］。

电力电子设备同其他许多工业产品一样，在开发阶段，它是以数字化样机的形式呈现的。数字化样机相对于实物样机其好处是，在产品的全生命周期中，通过信息的集成，任何阶段都可以方便地管理产品［2］。一个完整的电力电子产品数字化样机模型中，包含了钣金件、PCBA板、连接器和线缆等。一个高质量的电力电子产品，必须具备高质量的电路设计、电气布线设计、软件设计和结构设计等。在数字化样机中，结构工程师能够形象而直观地进行结构设计和电气布线设计。在当今许多产品的开发过程中，结构设计是采用三维结构设计模块实现的，但电气布线设计仍然采用的是传统设计方法，即实物样机回来以后，依靠电气工程师的经验去现场测量、做线和布线，从而完成整机的电气布线设计。这是一种先结构设计后电气布线设计的串行设计方法，其缺点是既会延长产品的开发周期，也容易造成产品可靠性的降低。而三维布线技术在产品结构开发过程中的应用，可以实现结构和电气布线的并行设计，有效缩短开发周期，且提高产品的可靠性。

1　基于Creo/Cabling的三维布线设计

在使用Creo Parametric软件设计完成产品的结构数字化样机之后，工程师就可以开始三维布线的设计。在Creo Parametric软件中，自带有一个专业的三维布线模块Cabling，该模块功能强大，使用该模块能够创建出逼真的三维线缆模型。在该模块中，线缆接入到连接器的三维模型输入端口。线缆的种类有单芯、多芯和扁平线缆，连接器的种类有接插件(OT端子、UT端子、DB端子和Pheonix端子等)、电气元件(整流桥、接触器和变压器等)和密封件(防水锁头、MC4端子)等。在进行三维布线操作之前，作为连接器的零件在线缆接口处要根据所接线缆种类设置合理的辅助坐标系，并要保证坐标系方向的正确性。

3种线缆接入连接器的布置方式如下。

单芯导线:通过z轴接入连接器，因此z轴的正方向一定要朝向线缆接入的逆方向，否则线就会接反。

多芯线缆:各电缆通过z轴接入连接器，呈圆形均匀分布在z轴周围，因此z轴的正方向一定要朝向线缆接入的逆方向，否则线就会接反。

扁平线:各根线通过z轴接入连接器，沿着y轴方向向两边展开，因此z轴的正方向一定要朝向线缆接入的逆方向，y轴朝向扁平线长边的方向。

Creo/Cabling中的布线操作分为手工布线和自动布线。手工布线相对自动布线流程简单、容易理解，布出来的线缆也更加美观，而且修改起来也更容易，其操作流程如图1所示。

图1　手工布线操作流程图

下面以特变新疆新能源股份有限公司某款产品中某线缆布线为例，详细说明三维布线设计的过程。

1.1线缆集合的创建

Harness表示多根线缆的集合，在Creo/Cabling中它的后缀名是“.prt”，是作为一个零件来看待的。但是它不能单独打开，只能在装配体中打开。在产品结构数字化样机装配体模式下，进入应用程序的缆模块，创建线束，如图2所示，在此步骤中，需要定义线束名称。

图2　创建线束

1.2线轴的创建

Spool线轴用来定义线缆的规格。创建线轴，如图3所示，在此步骤中，需要定义电缆名称、种类、颜色、直径、最小折弯半径等。布线工艺的一般要求是，线缆接入接插件的部分，其最小折弯半径是线缆直径的5倍，其余部分的最小折弯半径是线缆直径的2倍。

1.3连接器的定义

在数字化样机中，将需要接线的一般零、组件模型定义为可以连接线缆的电气元件或接插件。定义连接器，如图4所示，在此步骤中，需要定义的有选择作为连接器的零组件、连接器的电缆入口端、伸入连接器内电缆的长度、输入连接器的电缆种类。

图3　创建线轴

图4　定义连接器

1.4布线

在Cabling模块中，线缆路径是通过设计一系列的空间点来确定的，点与点之间的线由系统自动生成，因此布线操作其实就是设计一系列的空间点，点越多电缆的路径越精确。实际操作中，可以根据具体项目需要，通过创建一定数量的点进行布线的设计。布线操作如图5所示，在此步骤中，需要定义的有布线的线缆种类、线缆的起始点、线缆的名称、布线所属的线缆规格。布线设计的原则是，走线尽量在纵、横、高方向上对齐，避免走斜线，电源线和信号线分开，交直流线分开，高低压信号线分开，强弱电流信号线分开，高低频信号线分开。走线要远离热源、振动或活动部位，长度要留余量，走线避免锐角转弯，线束在通过钣金孔或跨钣金锋利边缘时要设计保护措施，线缆转弯处要设计固定点，走线要易装配、易操作、易维修［3］。

图5　布线

1.5线缆路径的修改

线缆的基本路径设计完成后，通过增加一系列的中间点，使线缆沿着预订的路线走线。修改线缆路径其实就是增加线缆路径通过的关键点。一般电缆都是沿着桥架、支撑等走线，在相应的平面上建立一系列的点，即可完成对路径的修改。注意:在平面上建立的线缆参考点，虽然选的参考面是平面，但点实际上不在该平面上，系统默认该点位于距离参考平面0.6倍线缆直径(带绝缘层的直径)的线缆中心线上，因此不必担心线缆会和平面干涉。修改线缆路径，如图6所示。修改完成后，该线缆的布线效果如图7所示。

图6　修改线缆路径

2　三维布线的优势和作用

采用Creo Parametric标准模块和Creo/Cabling三维布线模块，可以创建完整的数字化样机。有了完整的数字化样机，来自结构、硬件、PCB、测试等的各相关工程师就可以一起更加直观、更加详细地评审产品设计和提出修改意见，这样就将一些潜在的技术风险提前暴露，并在开发阶段予以解决。在产品的全生命周期内，由于设计问题而造成的经济损失，将在设计以后的各阶段中成几何级数放大。因此，创建完整的数字化样机，依靠各个领域的专业人士对数字化样机进行评审，可以确保设计的质量。高水平的设计能力是企业的核心竞争力之一。

图7　修改路径后的线缆图

使用Creo/Cabling三维布线模块，不仅可以创建数字化样机，为项目组成员提供可视化评审依据，同时依靠该模块提供的工具，还可以根据具体过程需要对线缆执行各种操作，评估已布线缆的工艺性，从而保证结构－布线并行设计的有效性。

2.1检验线缆的可折弯性

在一台电力电子设备中，使用到的线缆规格不止一种。线缆的规格不同，其外径也不同，最小折弯半径也不同。在布线空间紧凑或线缆直径较大的情况下，首先要考虑线缆通过某些路径时是否能折弯，其次还要考虑线缆的折弯半径的大小。线缆最小折弯半径设计得过大，会造成布线空间不够或线缆的浪费;设计得过小，会使线缆无法折弯或造成线缆承受较大折弯应力而影响电气性能。在布线时，如果线缆路径不符合设计时所规定的最小折弯半径，其路径不予显示，如图8所示;反之，则予以显示，如图9所示。

2.2检查电气间隙

电力电子设备根据其应用环境和使用性能，对产品内部线缆与线缆、线缆与零件之间的最短距离有要求，通过对其的测量和修改，可以保证线缆之间、线缆和裸露铜排之间、线缆与其他裸露导电体之间的最小电气间隙符合要求，从而有效提高产品的可靠性和安全性。检查线缆和导电零件间的电气间隙如图10所示。

图8　不符合最小折弯半径要求的线缆

图9　符合最小折弯半径要求的线缆

2.3获取线缆规格

结构和布线都设计完成后，制作线缆所需要的参数即线缆的规格、颜色、长度和端子型号就已经确定。通过对数字样机执行某项操作，获取上述参数，并根据实际情况确定线缆长度后即可委外加工。与此同时，结构件也已委外加工。两者同步进行，完成加工后就可以立即装机接线。获取线缆信息如图11所示。

图10　检查线缆和导电零件间的电气间隙

图11　获取线缆信息

3　三维布线的应用实例

特变新疆新能源股份有限公司在开发某款电力电子设备时，成功地将三维布线应用于该产品结构开发过程中，实现了结构和布线的并行设计，显著缩短了该产品的开发周期，提高了可靠性，且增强了内部布线的美观性。结构和布线并行设计完成后的数字样机如图12所示，根据该数字样机打样回来、装配完成后的实物如图13所示。很明显实物样机和数字样机在外观上基本一致。由于前期数字样机中布线设计已经做好，故结构件打样回来后，结构装机和整机布线是同时进行，整机装机用时少且内部布线美观。除设计人员以外的其他人员对机柜内的结构、器件和布线情况也一目了然。若该产品今后需要优化或升级改版时，设计人员只需对数字样机中结构、线缆的设计参数进行编辑和修改，就可直接下发图纸进行批量生产，无需再打样验证，因而可快速响应市场需求。

图12　完成结构和布线的数字样机

图13　某设备完成装机后的某部分照片

4　结束语

本文简要介绍了一种借助于三维设计软件Creo Parametric的结构－布线并行设计方法，并将此并行设计方法成功应用于特变新疆新能源股份有限公司的某电力电子新品开发中，实施效果表明，对于电力电子设备开发，结构－布线的并行设计方法不仅可以缩短产品的研发周期及降低研发成本，而且还能提高产品的电气可靠性、整机布线美观性，从而提升新产品的市场竞争力。

参考文献:

［1］郭林松，邱兆义，赵立博.利用Pro/E进行三维布线工艺设计［J］.船电技术，2014(1) :5－7.

［2］王美靖，李怡麒，李鑫，等.基于CHS与Pro/E_Cabling电气系统线缆线束数字化设计［J］.车辆与动力技术，2013(3) : 43－45.

［3］赵娜，郝骏刚，胡钢.基于Creo2.0/Cabling的载车集成三维布线设计［J］.电脑开发与应用，2013(10) :44－46.

Application of 3D routing based on Creo/Cabling in power electronic equipment

ZHENG Chao1，CAO Lun1，ZHOU Xiaodong2，CAI Xiao2
(1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd.，Xinjiang Urumqi，830011，China) (2.TBEA Xi＇an Electric Technology Co.，Ltd.，Shaanxi Xi＇an，710000，China)

Abstract:It points out the shortcomings of the traditional structure－route serial design method in the power electronic equipment，proposers the parallel design method of three－dimensional routing used in the structure development phase，introduces the process and advantages of three－dimensional routing.Finally，it takes the engineering practice to prove that structure－route parallel design method not only shortens the development cycle，but also improves the reliability and aesthetics.

Key words:Creo; 3D routing; power electronic equipment; parallel design

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.007

作者简介:郑超(1987—)，男，湖北黄冈人，特变新疆新能源股份有限公司工程师，主要从事电力电子设备的结构开发。

收稿日期:2015－01－19

中图分类号:TP391.7

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0027－05