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考虑轴向散热的10 kV三芯电缆中间接头稳态热路模型分析

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电网与清洁能源 2023年第10期39卷 56-62,69页

作者：李新海陈昱刘均裕王学宗南方电网有限责任公司广东中山供电局广东中山528401 中国电力科学研究院有限公司湖北武汉430074 武汉大学电气与自动化学院湖北武汉430072

电缆接头线芯温度计算是实现电缆载流量预测重要环节。该文通过三芯电缆接头结构分析其散热路径,进一步考虑了电缆接头的轴向散热,提出了改进的热路模型。以10 kV三芯电缆中间接头为例开展有限元温度场计算,并根据温度-热源的响应实现... 详细信息

电缆接头线芯温度计算是实现电缆载流量预测重要环节。该文通过三芯电缆接头结构分析其散热路径,进一步考虑了电缆接头的轴向散热,提出了改进的热路模型。以10 kV三芯电缆中间接头为例开展有限元温度场计算,并根据温度-热源的响应实现稳态热路模型的参数辨识。同时,分析了不同电缆电流以及环境散热条件下稳态热路模型的等效性,与有限元仿真结果吻合良好。该模型可以有效提高电缆接头热点计算的效率。

关键词：三芯电缆接头有限元仿真轴向散热稳态温度场等效热路模型

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采用氮化铝材料的水冷变压器的热管理方法

电工技术学报 2024年第21期39卷 6614-6625,6758页

作者：王开国宫金武石子帅田杰潘尚智查晓明综合能源电力装备及系统安全湖北省重点实验室(武汉大学) 武汉430072 武汉第二船舶设计研究所武汉430205

干式高频变压器结构紧凑且损耗较高,而低导热系数的灌封材料使得热量易在变压器内部累积,从而导致温升成为限制大功率变压器容量与功率密度提升的重要因素。该文以环形水冷变压器为研究对象,建立了考虑中心圆柱热阻的变压器集总参数热... 详细信息

干式高频变压器结构紧凑且损耗较高,而低导热系数的灌封材料使得热量易在变压器内部累积,从而导致温升成为限制大功率变压器容量与功率密度提升的重要因素。该文以环形水冷变压器为研究对象,建立了考虑中心圆柱热阻的变压器集总参数热路模型,并通过有限元仿真验证了所建模型的准确性。基于所建热路模型,解释了变压器温度降幅随着水流量的提高趋于稳定的现象。为了进一步增强散热效果,该文提出了一种基于高导热绝缘材料氮化铝的新型散热结构。该结构在热源与水冷板之间建立起低热阻通道,增强了变压器与水冷板之间的传热,变压器的容量和功率密度可进一步提高。最后,通过有限元仿真与25 kHz/160 kV·A高频变压器样机实验验证了所提散热结构的有效性。

关键词：大功率高频变压器环形水冷变压器等效热路模型氮化铝材料

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磁悬浮承重装置中发热与温升分析计算

中国电机工程学报 2012年第30期32卷 126-132+20页

作者：马宏忠耿志慧王庆燕张志艳河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心

准确的热分析是磁悬浮系统电磁装置优化设计、防止过热的前提。提出了基于等效热路模型的电磁装置发热及温升计算方法,并与基于"场"的仿真分析结果进行比较,验证其正确性。首先,利用ANSYS软件建立电磁装置的瞬态温度场模型,并将装置中... 详细信息

准确的热分析是磁悬浮系统电磁装置优化设计、防止过热的前提。提出了基于等效热路模型的电磁装置发热及温升计算方法,并与基于"场"的仿真分析结果进行比较,验证其正确性。首先,利用ANSYS软件建立电磁装置的瞬态温度场模型,并将装置中动铁心随大轴旋转时与空气产生的风摩擦损耗包含在模型中,通过仿真分析,得到电磁装置温度分布;然后,通过对散热路径的分析建立了电磁装置的等效热路模型,从"路"的角度计算出本电磁装置各位置的温升;最后,将基于"路"的计算结果与基于"场"的仿真结果进行了比较分析,各部分温升误差均在允许范围内,验证了等效热路模型计算电磁装置发热及温升方法的准确性和可行性。在基于"场"和"路"的两种分析中,均考虑了电阻率随温升的变化,散热分析中均计及了导热系数和对流散热系数随温度的变化。

关键词：磁悬浮电磁装置温升有限元分析等效热路模型

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永磁同步电机的热路模型研究

永磁同步电机的热路模型研究

作者：汪文博浙江大学

学位级别：硕士

永磁同步电机具有结构简单,运行可靠,损耗小,效率高和功率质量比高等优点,广泛应用于航空航天、工农业生产和日常生活等各个领域。永磁同步电机的热分析对电机设计、电机控制和电机容错系统设计均有重要的意义。其中热路法温度分析可以... 详细信息

永磁同步电机具有结构简单,运行可靠,损耗小,效率高和功率质量比高等优点,广泛应用于航空航天、工农业生产和日常生活等各个领域。永磁同步电机的热分析对电机设计、电机控制和电机容错系统设计均有重要的意义。其中热路法温度分析可以实现温度快速计算,而且具有较高的精度。本文主要研究了永磁同步电机的热路模型和热阻参数,在热路法温度计算的传热学理论基础上,建立了考虑安装方式和冷却方式的热路模型,详细地给出了热阻计算公式,对于无法使用公式准确计算的热阻,提出了一种测试热路关键参数的方法,测试得到了机壳与空气间的等效热阻、端盖与空气间的等效热阻、安装板与空气间等效热阻,绕组与定子铁芯之间的等效热传导系数,机壳与定子铁芯之间的等效空气隙厚度、安装板与端盖之间的等效空气隙厚度等热路参数。同时对热路模型进行了热阻敏感性分析,得到了影响电机温升的关键热路参数,这些热路参数在电机设计和热分析中应该受到重视。为了验证文中提出的热路模型和实验测试热路参数的准确性,实验测试了130-1kW电机在三种工况下的温升情况,实验结果表明,该热路模型可以较准确地计算电机温升,额定工况下的估算误差在5%以内。该热路模型、热路参数实验测试数据可为同类型电机的电机设计以及热分析提供参考。使用ANSYS软件对130-1kW电机进行三维有限元温度场分析,分析结果表明,热路法与有限元法具有相似的精度。在MATLAB平台上,编写了热路法电机温度计算的软件,实现了电机参数输入、修改,热阻参数计算和结果显示等功能。软件可以实现多种冷却方式下的电机温升计算：自然冷却、强迫风冷、螺旋水冷和轴向水冷。该程序可以实现快速温度计算,可用于电机设计、参数优化和冷却系统设计中。

关键词：永磁同步电机等效热路模型热阻参数测试敏感性分析

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基于串联通道的双层热源水冷散热研究

基于串联通道的双层热源水冷散热研究

作者：侯琼电子科技大学

学位级别：硕士

双层热源模型广泛存在于3-D ICs、双层平面电机等多个领域中。由于其高集成会产生过高的温升,从而导致元器件使用寿命的降低甚至失效,所以对双层热源进行散热分析显得至关重要。此外,传统的风冷散热方式,已经无法满足集成热源的散热需... 详细信息

双层热源模型广泛存在于3-D ICs、双层平面电机等多个领域中。由于其高集成会产生过高的温升,从而导致元器件使用寿命的降低甚至失效,所以对双层热源进行散热分析显得至关重要。此外,传统的风冷散热方式,已经无法满足集成热源的散热需求。而水冷散热方式由于其对流换热系数较高,被愈来愈多的应用到冷却系统中。本文将串联通道散热器应用到双层热源模型中进行水冷散热研究,提出的双层热源模型是由三层散热器和两层热源两两相间叠加在一起。文中首先对双层热源模型中的热源热量分配问题进行研究,基于热量分配问题提出了相对对流换热系数比例这一概念,得到热源层间相互影响的关系。然后建立热源的三维等效热路模型并根据热量分配原理对模型求解,在此基础上建立双层热源整体模型的等效热路图。最后对串连通道散热器进行热阻建模,将散热器分为多个单元并建立其热阻网络模型得到散热器的总热阻,最终得到双层热源模型温度场的理论结果。运用Fluent软件对使用串联通道散热器的双层热源模型进行数值仿真计算,在变化入口流速的情况下,对双层热源模型的温度分布以及散热器内的压力分布情况进行求解。将理论模型和数值仿真模型中,热源本身的平均温度和各表面平均温度的结果进行对比。结果表明,理论计算结果和仿真结果有较好的吻合度。对双层热源不同散热方案的散热效果的数值仿真计算进行对比,结果表明,与两种已有模型相比,在相同入口流速条件下,与两种已有模型相比,本文提出的使用串联通道散热器的方案平均温度最低,散热效果是最好的。最后,为了实现热源的更好散热,将双层热源模型中的串联通道散热器进行优化。将散热器的通道数、通道宽度两个结构参数设为变量;将热源一和热源二的平均温度设为目标函数,进行多目标优化。将仿真结果与优化结果进行对比,发现两者有很好的吻合度。

关键词：双层热源等效热路模型串联通道散热器多目标优化

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混合动力汽车开关磁阻发电机温升研究

混合动力汽车开关磁阻发电机温升研究

作者：刘永强中国矿业大学

学位级别：硕士

我国已连续多年成为世界上最大的能源生产国、消费国和碳排放国。能源紧缺、气候变暖和环境污染已经对汽车产业提出了更大的挑战,“双碳”政策也在进一步促进新能源汽车和清洁能源汽车的发展。混合动力汽车是传统燃油汽车向纯电动汽车... 详细信息

我国已连续多年成为世界上最大的能源生产国、消费国和碳排放国。能源紧缺、气候变暖和环境污染已经对汽车产业提出了更大的挑战,“双碳”政策也在进一步促进新能源汽车和清洁能源汽车的发展。混合动力汽车是传统燃油汽车向纯电动汽车过渡的一类产品,开关磁阻电机因其结构简单、坚固安全和成本低廉等杰出特性成为混合动力汽车发电机的优良选择。开关磁阻发电机在运行过程中产生各种损耗会导致电机各部分温度的升高,过高的温升将直接影响电机的运行安全性和寿命周期,因此研究发电机工作时的温升特性和温升抑制具有重要意义。本文对一台三相6/4结构的开关磁阻发电机进行了温升热源计算、温升分布求解和冷却系统优化设计等方面的研究。论文主要内容安排如下:首先,建立了发电机的整体动态仿真模型为热源计算做铺垫。工作过程中的各类损耗是发电机的热源,即导致开关磁阻发电机温升的根本原因,而且铜损耗和铁损耗又是开关磁阻发电机的主要热源。考虑到具有双凸极结构的开关磁阻发电机运行过程中产生的非正弦和非线性的磁密波形使得发电机的铁损耗难以准确求解,本文采用了一种基于静态磁密的搜索法来计算发电机各特征点的瞬态磁密,然后采用改进的变系数Bertotti三项损耗分离计算公式来求解发电机各工况下的铁损耗,并通过傅里叶拟合的方法得到了相关铁耗系数的表达式,从而得到了较为准确的铁耗计算模型。然后,基于计算得到的损耗热源数据以及发电机样机的实际尺寸和制作材料,在FLUX软件中建立了发电机的三维有限元热模型,求解并分析了发电机的温度场分布和水冷系统散热效果并计算得到了不同转速和不同开通关断角多种工况下的温升结果。而后在电机热设计软件Motor-CAD中建立了发电机的等效热路模型,并对发电机各工况下的温升进行求解。接着,本文对发电机的发电效率、热路计算和冷却系统进行优化。第一,根据同时变化的开通角和关断角对发电机的发电效率进行寻优,并求解得到发电机各转速下最大发电效率所对应的绕组温升和铁心温升。第二,考虑到定子绕组区域有着较高的温升和较为复杂的传热路径,本文给出了一种考虑绕组准确传热路径的等效热路改进模型。首先分析并建立了由损耗热源、温度节点和各类热阻组成的发电机等效热路,详细计算热路中的各类热阻之后,在MATLAB/Simulink中建立了发电机的等效热路改进模型并进行温升求解。第三,在冷却系统优化方面,本文给出了一种对定子绕组进行直接冷却的新型水冷结构,并建立了配置该新型水冷结构的发电机三维有限元热模型,然后通过比较证明了该新型水冷结构的有效性。最后,搭建了水冷开关磁阻发电机的发电实验平台和温升测量平台,并采用检温计埋设测温的方法测量了不同工况下的绕组温升结果。通过三相发电电流波形的对比,证明了发电实验平台的可靠性,也验证了发电机整体动态仿真模型的准确性。将实验得到的绕组温升测量结果和几种仿真模型计算得到的温升结果进行对比,较小的结果偏差也验证了有限元热模型、Motor-CAD等效热路模型以及考虑绕组准确传热路径的等效热路改进模型的准确性。本文共有图77幅,表18个,参考文献92篇。

关键词：开关磁阻发电机温升研究有限元热模型等效热路模型新型水冷结构

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高频变压器的温度场计算与散热优化设计

高频变压器的温度场计算与散热优化设计

作者：孙晨茜华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

高压直流输电系统利用双向有源桥DC-DC变换器实现直流电能的双向流动。其中,高频变压器是DC-DC变换器的重要电气元件,其内部温度过高会加速绝缘老化,准确预测高频变压器的温度分布有助于其结构优化与散热设计。本文主要研究工作和成果如... 详细信息

高压直流输电系统利用双向有源桥DC-DC变换器实现直流电能的双向流动。其中,高频变压器是DC-DC变换器的重要电气元件,其内部温度过高会加速绝缘老化,准确预测高频变压器的温度分布有助于其结构优化与散热设计。本文主要研究工作和成果如下:(1)以一台工作频率为5kHz的单相三绕组高频变压器为研究对象,考虑温度对纳米晶铁心磁特性的影响,通过ANSYS Workbench实现Maxwell和Icepak的协同仿真,对额定工况下的高频变压器进行了电磁-温度-流体场的双向耦合计算。在自然空气冷却条件下,高频变压器的热点位于铁心心柱中心偏上的位置,热点温度为108.5℃。(2)根据高频变压器的散热路径建立其等效热路模型,计算出稳态温度分布,等效热路模型法与多物理场耦合数值分析法的计算结果相吻合,验证了使用等效热路模型法计算高频变压器温度分布的可行性和精度。(3)针对张北柔直换流站中实际运行的高频变压器,使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行SF6气体填充情况下多台高频变压器共箱体的温度场-流体场数值计算和散热优化设计。分析不同通风口布置方式和高频变压器叠放方式对散热的影响,对SF6气体绝缘高频变压器的散热结构进行了优化。综合考虑多台高频变压器共箱体时的功率密度和散热问题,分别对两台、三台、四台高频变压器共箱体在不同进风口速度下的热点温度和进出风口平均温差进行了计算,找到了最合理进风口气体流速范围。此外,还对外置片式散热器进行了优化设计,并通过有限元仿真验证了设计方案的准确性。

关键词：高频变压器电磁场温度场流体场等效热路模型散热

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IGBT损耗和结温计算研究

大功率变流技术 2016年第1期 30-33,52页

作者：杨洪波王征宇黄宜山湖南南车时代电动汽车股份有限公司湖南株洲412007

介绍了基于数学模拟方法的IGBT损耗计算模型以及计算IGBT结温所采用的等效热路模型,在此基础上提出了一种连续工作损耗和瞬时结温计算方法,并针对器件生产厂家提供的计算软件存在的限制和不足问题,开发了一款新的损耗和结温计算软件。... 详细信息

介绍了基于数学模拟方法的IGBT损耗计算模型以及计算IGBT结温所采用的等效热路模型,在此基础上提出了一种连续工作损耗和瞬时结温计算方法,并针对器件生产厂家提供的计算软件存在的限制和不足问题,开发了一款新的损耗和结温计算软件。仿真及样机实测数据证实了所述损耗和结温计算方法及计算软件的有效性。

关键词： IGBT 损耗计算结温计算等效热路模型计算软件

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永磁同步电机的热路分析及热阻参数测试

机电工程 2014年第9期31卷 1168-1172页

作者：汪文博陈阳生浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

针对永磁同步电机设计、参数优化和热分析等问题,对永磁同步电机的热路法温度计算进行了研究,建立了考虑安装和冷却方式的热路模型,提出了一种热路关键参数的测试方法,测试了机壳与空气间的等效热阻、端盖与空气间的等效热阻、安装板与... 详细信息

针对永磁同步电机设计、参数优化和热分析等问题,对永磁同步电机的热路法温度计算进行了研究,建立了考虑安装和冷却方式的热路模型,提出了一种热路关键参数的测试方法,测试了机壳与空气间的等效热阻、端盖与空气间的等效热阻、安装板与空气间等效热阻,绕组与定子铁芯之间的等效热传导系数,机壳与定子铁芯之间的等效空气隙厚度、端盖与机壳间的等效空气隙厚度、安装板与端盖之间的等效空气隙厚度等热路参数。同时对热路模型进行了热阻敏感性分析,得到了影响电机温升的主要热路参数。实验结果表明,该热路模型和实验测试数据,可以较准确地计算电机温升,误差在5%以内。该热路模型和实验测试热路参数可为同类型电机的设计以及热分析提供很好的参考。

关键词：永磁同步电机等效热路模型热阻参数测试敏感性分析