迈出“变压器电磁计算/CAD/CAE一体化设计”的第一步

导读：2022年，我们深刻的感受到变压器市场竞争的激烈。现在变压器市场严重饱和。全国有2000多家变压器厂。每年生产的变压器总产量供大于求。在这样的大环境下生存已经成了公司的第一要务。若要在激烈的市场竞争中生存下去，就要有自己的核心科技。其中最为重要的是自己的研发设计技术。

一、写在文前

由于国内变压器市场早已进入了供大于求的残酷竞争模式，所以目前不管是国网、南网、还是特种变压器市场，低价中标已经基本成为了竞标成功的最重要的因素——在满足性能要求的情况下（空载损耗、负载损耗和阻抗合格），成本越低，竞争力越强。而影响成本大小的最关键的因素就是材料的用量，特别是主材的用量（铜、铝、硅钢片）。因而，提升变压器竞争力的第一关键点即是减少主材的用量。

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影响变压器主材的关键是电磁计算。在数学上表现为满足一定约束条件的多自变量的函数极值计算。变压器的设计理论在几十年的发展过程中，并没有产生新的颠覆性的创造。还是沿用以前的老公式、老计算方法。传统的计算手段都是手工计算优化，效率低，优化效果极其有限，且非常依赖设计人员的技术水平。但是随着计算机技术的不断发展和完善，变压器的电磁计算和计算机技术相结合，已经成为历史发展的必然趋势——顺之者昌，逆之者亡。

计算机辅助设计和分析手段已经成为当今变压器研发的最重要的手段和设计方法。主要表现在以下两方面：电磁计算软件和自动出图软件。而自动出图软件开发笔者已经在另外一门课程《Solidworks参数化二次开发及其在变压器行业应》中详细介绍，本文不再赘述。以下主要介绍电磁计算寻优软件开发的思路和实现方法。

二、电磁优化是降低变压器设计成本的首要方法

首先，电磁计算寻优软件的计算速度和优化效果，已经完全能够满足变压器行业对电磁计算的需求。相比于手工计算，软件计算更加的高效和傻瓜。因此以电磁循环计算方法为主的变压器电磁设计优化程序，已经进入了各大变压器生产商的技术应用平台。

目前的知名变压器厂家如外企西门子、ABB以及国内的知名厂家，如钱江电器，沈阳特变电工。均开发了自己的电磁计算优化程序。充分利用现代计算机的高速计算能力，来实现原有变压器设计手段的升级。计算机辅助设计和分析手段已经成为当今变压器研发的最重要的手段和设计方法。本文以循环变数算法为指导算法，其编程思想如下图所示：

1、首先明确，降低设计成本不是以牺牲变压器性能水平和运行可靠性为代 价，在此前提下，才可以比较变压器的设计成本。 

2、电气设计（电算）是变压器设计的第一步，是之后结构设计的基础。电 气设计时，通过对铁心和线圈尺寸、铁心材料、线圈材料、线圈匝数、 磁通密度、电流密度、导线规格等变量进行优化（电磁优化），可以显 著降低变压器两大主材（导线材料和铁心材料）用量，是降低变压器成 本最有效的方法。 

3、结构设计时，通过仿真分析等手段，还可以降低变压器油、钢板、绝缘 材料等的用量，再降低一些成本。 

4、实际上，结构设计时的降本措施通常适用于所有规格的变压器，形成设 计规范后，按此规范设计的变压器成本自然降低。但是，电气设计时所 进行的电磁优化是针对具体变压器所做的优化，所以，电磁优化是降低变压器设计成本的首要方法。

既然电磁优化是变压器设计工程师最基本的设计任务，那么，如何保证每一台变压器的设计方案都是具有成本竞争力的优秀方案呢？

如上图所示，回顾一下近30年变压器设计方法的进步过程，并对这些设计方法做简单比较，将很容易得出结论，降低变压器设计成本的办法是： 

以数字化、标准化、自动化的设计方法 代替人工计算设计方法，使每台产品的 设计图纸都是在保证变压器性能合格、 运行可靠前提下的最经济方案。

具体如下：

1、采用循环遍历法控制优化设计变量的循环计算,运用VB语言进行电磁优化模块程序的设计,通过约束条件筛选出合理的优化设计方案。 

2、采用关系型Access数据库或Excel存储和管理优化设计系统中的大量变压器性能参数、材料参数等,方便不同模块对数据库参数的访问、调用和存储。

3、此软件节约设计人员的时间，提高工作效率，同时在招投标成品设计时，也可以很快地得出报价的参考数据，争取商业先机。变压器优化软件将成为变压器行业先进制造技术的重要组成部分,也是提高设计水平、缩短开发周期、增强企业竞争能力的一项关键技术。

三、变压器电磁计算/CAD/CAE一体化设计

根据笔者的经验，变压器软件开发共分为三个部分：

• 电磁计算寻优软件开发
• 参数化自动出图软件开发

• 变压器自动仿真软件开发（借助二次开发）

变压器软件系统最终实现目标：电磁计算/CAD/CAE一体化设计

电磁计算和二开软件并行开发，以数据库作为桥梁连接彼此，实现数据传递，最终实现电磁计算优化程序、变压器三维自动出图软件和仿真分析软件相连接，达到从电磁计算优化到自动出图再到CAE仿真的完全自动化、一气呵成。

目前变压器《参数化自动出图软件开发》教程可关注我在仿真秀官网发布的精品课Solidworks参数化二次开发及其在变压器行业应用43讲》。近日，笔者原创的精品课《变压器电磁计算寻优软件开发10讲-让你获得完整的电磁计算优化程序的实现过程》正式上架了。

总所周知，目前的变压器的电磁计算在还是沿用传统的老公式、老计算方法。但是随着计算机技术的不断发展和完善，以电磁循环计算方法为主的变压器电磁设计优化程序，充分利用现代计算机的高速计算能力，来实现原有变压器设计手段的升级。《变压器电磁计算寻优软件开发10讲》课程聚焦基于循环变数算法的电磁计算优化程序开发，具体内容如下：

1、采用循环遍历法控制优化设计变量的循环计算,运用VB语言进行电磁优化模块程序的设计,通过约束条件筛选出合理的优化设计方案。

2、采用关系型Access数据库或Excel电子表格存储和管理优化设计系统中的大量变压器性能参数、材料参数等,方便不同模块对数据库参数的访问、调用和存储。

3、通过自动计算，节约设计人员的时间，提高工作效率，同时在招投标成品设计时，也可以很快地得出报价的参考数据，争取商业先机。

以下是我的课程安排

4、讲师介绍

作者：变压器程序猿  仿真秀专栏作者

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