[发明专利]基于热阻网络的自然冷却对称UI电感温度场计算方法

说明书

本发明涉及一种自然散热条件下，基于热阻网络的对称UI电感温度场的快速计算方法。包括以下步骤：首先确定对称UI电感各个组件的尺寸，将对称UI电感进行热节点模块划分，针对每个热节点模块绘制热阻网络图，确定热阻网络图中的每个热阻计算公式，将各个参数代入相应的热阻计算公式中并计算出热阻网络中每个热阻值，再将热阻值代入热阻网络中进行迭代求解，得到最终的温度结果。本发明方法考虑了电感的磁芯，线圈等尺寸参数对传热的影响，建立的模型与实际对称UI电感模型相符。结合热阻网络法快速且准确求解电感温度场，计算得到的电感温度与有限元结果误差在10％以内。本发明解决了电感温度场分布的快速计算问题。

技术领域

本发明属于电力电子电感设计技术领域，涉及一种基于热阻网络的自然冷却对称UI电感温度场计算方法。

背景技术

电感在使用过程中，其封闭的结构易发生绕组热点温度超标，对电感使用寿命构成威胁，因此对于电感热点温度的预测和计算尤为重要。经验公式计算方法简单便捷，但是精度相对较低。随着数值分析方法的发展，利用有限元法仿真模拟电感的温度场可显著提高计算精度，但是有限元法的计算结果过度依赖网格的质量，考虑到有限元法所需的计算成本和时间成本，一般不适用于工程实际情况。而基于热电类比的等效热路模型，要考虑电感的实际结构去计算热阻，并且热点温度计算量大幅减少，因此适合在工程中精确计算变压器绕组热点温度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供种自然散热条件下，基于热阻网络的对称UI电感温度场的快速计算方法，实现大幅减少设计人员大量的尝试工作，提高工作效率，减少人工计算失误的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于热阻网络的自然冷却对称UI电感温度场计算方法，包括以下步骤：

S1：材料准备：准备好计算所需要的物性材料，包括几何尺寸和材料物性参数；

S2：划分热阻节点：根据电感几何尺寸以及线圈缠绕方式连接形式对对称UI电感划分热阻节点；

S3：绘制热阻网络图：根据结构特征以及热阻节点的分布，绘制对称UI电感热阻网络图；

S4：计算热阻值：根据几何参数和材料物性计算出热阻网络中每个热阻的热阻值；

S5：求解热阻网络：将热阻值代入到绘制好的热阻网络中，经过迭代计算后，得到最终各个节点的温度值，从而得出对称UI电感温度场分布。

进一步，所述步骤S1中，确定对称UI电感内部各个部件的几何尺寸，确定各个部件连接方式和物性参数；所述物性参数包括磁芯材料、线圈材料及缠绕方式、环境温度、空气热物性参数、电感运行参数、磁芯及线圈发热量。

进一步，所述步骤S2中，将对称UI电感的磁芯、线圈以及气隙根据结构特征环境等效为不同节点。

进一步，步骤S3中，包括：相同材料两个相接触的节点之间，设置温度点；两个不同材料相接触的节点之间，设置接触热阻；与空气接触的面上，设置对流热阻后接地；存在狭缝的位置，用狭缝热阻连接；对称面上无热流量流过，用0连接表示；

不存在温度差的节点之间直接线条连接，存在温度差的节点之间用接触热阻连接，存在狭缝的位置用狭缝热阻连接，与空气接触的块之间用对流热阻连接，将各个节点、连线、热阻相互连接形成热阻网络模型。

进一步，步骤S4中，对称UI电感模型，简化为1/4模型进行热阻网络的构建，计算各个热阻节点模块格拉晓夫数Gr，瑞丽数Ra，普朗特数Pr：

其中：g为重力加速度，v为运动粘度，1为特征长度，ΔT为物体温度与环境温度温差，β为体积变化系数，T_m为计算定性温度；