[发明专利]一种热阻网络法与有限差分法结合的多匝密绕线圈温度场计算方法

说明书

本发明公开了一种热阻网络法与有限差分法结合的多匝密绕线圈温度场计算方法，所述方法提出了一种结合等效热路思想与有限差分法结合的多匝密绕线圈温度场数值计算方法，该方法考虑了绕组内部铜线、绝缘漆、空气等材料属性参数，线径、漆层厚度、线间距离等尺寸参数对传热的影响，建立的模型与实际线圈相符。本发明结合热阻网络法思想与有限差分法快速且准确求解线圈温度场，计算得到的线圈内温度高、低点温度差值有几十摄氏度，符合多匝密绕线圈长时间工作的温度实际分布情况，替代以往所用方法得到的温度近乎平均分布的不正确分布，求解误差在8.5％以内。

技术领域

本发明属于电器数值计算领域，涉及一种将热阻网络法和有限差分法结合来实现对二维轴对称线圈温度场快速求解的计算方法。

背景技术

多匝密绕线圈经常应用于继电器、接触器等开关电器中，作为电磁驱动力的来源。此类线圈匝数较多，通常在千匝以上。由于多匝漆包线间紧密缠绕，并且长时间通过电流，以致多匝线圈通常为该类机构的主要热源之一，长时间工作后温升较大。随着新能源的投入使用，大功率开关电器开始广泛应用于电动汽车、充电桩等用于接通大电流的场合中，此类电器的功率需求增大，温升问题愈发明显。较高的温度会影响到线圈电阻、铁磁材料属性，进而影响到电磁线圈的电动力，显著影响设备的工作特性。随着计算机性能的加强以及对仿真的准确程度的更高需求，在电磁机构的动态特性仿真中开始考虑多物理场耦合的作用，其中温度影响到材料的电、磁、机械等属性，是较为重要的因素，需要被尽量准确地计算。过高的温升也会影响漆包线绝缘漆层的绝缘效果和寿命，导致匝间短路等情况的发生，影响其寿命和可靠性。以往因为线圈内部温度难以测量而做出的内部温度均匀分布的假设和将线圈绕组部分以纯铜作为材料的假设是不适合更准确计算的需求的。因此，需要一种新的计算方法，以解决多匝密绕线圈温升计算准确度不足的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种热阻网络法与有限差分法结合的多匝密绕线圈温度场计算方法，该方法分析了线圈绕组内部材料和空间分布，用以提高多匝密绕线圈温度场计算准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种热阻网络法与有限差分法结合的多匝密绕线圈温度场计算方法，包括如下步骤：

步骤一、绕制线圈时，记录线圈绕线层数n，或记录平均每层缠绕匝数，根据绕线总匝数推知线圈绕线层数n，测量绕线完毕的绕组平均外径；

步骤二、根据已知的线圈所使用的铜线参数：铜芯半径a、绝缘漆层外侧半径b判断铜线的排列方式，如果2×b×n大于步骤一中测得的绕组平均外径减去线圈骨架处的长度，则采用对齐排列方式，反之选择交错线圈排列方式；

步骤三、根据步骤二所得的铜线排列方式构建对应的热阻网络结构，将绕组部分的每匝铜线作为一个微元，温度计算的节点均为每个微元的中心；

步骤四、根据线圈图纸信息、匝数、线径参数，与线圈绕好后绕组部分所占体积对比，估算出选定铜线排列方式后铜线间平均距离d；

步骤五、计算绕组部分相邻节点间的等效热阻，其中：对齐排列方式的等效热阻包括横向热阻Rh、纵向热阻Rv和斜向热阻Ro，交错排列方式的等效热阻包括纵向热阻Rv和斜向热阻Ro；

步骤六、计算非绕组部分节点间等效热阻：横向热阻Rh与纵向热阻Rv；

步骤七、计算边界条件并转化为等效热阻，所述边界条件包括对流散热和对空间辐射散热，其中：对流散热采用公式Φ_C＝hA_f(T_f-T_w)，式中：Φ_C为单元热流量，h为对流散热系数，T_f为散热表面温度，T_w为室温，A_f为单元散热面积；辐射散热采用公式Φ_R为对流散热的单元热流量，ε为材料发射率，σ为黑体辐射常数；