[发明专利]一种轻量化车载牵引变压器相对老化率的计算方法

权利要求书

1.一种轻量化车载牵引变压器相对老化率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、建立轻量化车载牵引变压器的轴对称二维模型

根据轻量化车载牵引变压器结构特点进行初步处理：删除绕组出线端子、夹件和撑条结构，将冷却风道简化为内外两个壁面同时具有恒定的热流量的环空管道；

第二步、布置温度监测节点，所述温度监测节点包括：绕组温度节点、绝缘纸边界节点、环氧树脂边界节点和空气温度节点，节点之间通过热阻相连，形成轻量化车载牵引变压器热网络模型；节点的布置方法具体如下：

1)在绕组导体每一匝中心布置1个绕组温度节点，绕组温度节点间根据绕组结构在轴向和辐向对齐；

2)在绕组温度节点的上、下、左、右4个方向分别布置4个绝缘纸边界节点；

3)在上、下绝缘纸边界节点的上、下侧分别布置2个环氧树脂边界节点；

4)在冷却风道两侧的2个环氧树脂边界节点之间设置1个空气温度节点；

5)绕组温度节点与绝缘纸边界节点之间通过绝缘纸热阻相连，绝缘纸边界节点与环氧树脂边界节点之间通过环氧树脂热阻相连，环氧树脂边界节点与空气温度节点之间通过对流热阻相连，空气温度节点之间通过空气热阻相连；

第三步、计算各部分热阻

1)绝缘纸热阻R_p使用如下公式计算：

式中，k_p为绝缘纸的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，l_p为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸的厚度，单位为m，S_p为在该绝缘纸热阻的热流方向上绝缘纸与铜导体的接触面积，单位为m²；

2)环氧树脂热阻R_e使用如下公式计算：

式中，k_e为环氧树脂的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，l_e为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂的厚度，单位为m，S_e为在该环氧树脂热阻的热流方向上环氧树脂与绝缘纸的接触面积，单位为m²；

3)空气热阻R_air使用如下公式计算：

式中，m_air为冷却风道空气的质量流量，单位为kg·s^-1，C_{p_air}为空气的比热容，单位为J·kg^-1·K^-1，L_duct为冷却风道的总长，单位为m，l为导体的轴向宽度，单位为m；

4)对流热阻R_conv使用如下公式计算：

式中，D_o为冷却风道的外直径，单位为m，D_i为冷却风道的内直径，单位为m，Nu_x为局部努塞尔数，k_air为空气的热导率，单位为W·m^-1·K^-1，S_duct为单个绕组温度节点外环氧树脂与冷却风道的接触面积，单位为m²；

所述对流热阻R_conv的计算公式中，Nu_x的计算公式如下：

式中，n为绕组温度节点的编号，其规则为：最内侧冷却风道入口处绕组温度节点编为1号，顺次往下编为2、3、4…直至最外侧冷却风道出口的绕组温度节点；x为距风道入口的距离，单位为m，R为冷却风道的中心线半径，单位为m，Re为冷却风道雷诺数，使用如下公式计算：

式中，ρ为空气密度，单位为kg·m^-3，v为空气流速，单位为m·s^-1，μ为空气动力粘度，单位为kg·m^-1·s^-1；

第四步、为绕组温度节点分配发热功率

编号为n的绕组温度节点分配到的发热功率按照如下公式计算：

式中，V_n为编号为n的绕组温度节点对应的导体体积，单位为m³，V_总为绕组的总体积，单位为m³，Q为待求相对老化率下的损耗值，单位为W；

第五步、根据第一步到第四步所述轻量化车载牵引变压器热网络模型结构，依照基尔霍夫定律列写节点电压方程求解绕组温度节点温度，获取全部绕组温度节点的温度值；

第六步、根据第五步的绕组温度节点的温度计算结果获取温度最高的绕组温度节点，该节点温度即为热点温度，记为T_hs；

第七步、计算轻量化车载牵引变压器的相对老化率，公式如下：

式中，V为相对老化率。