[發明專利]一種輕量化車載牽引變壓器相對老化率的計算方法

有效

• 申請號: 202010860355.3
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111931293B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 袁帥;周利軍;丁詩林
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28
• 代理公司: 武漢聚信匯智知識產權代理有限公司 42258
• 代理人: 馬尚偉

1.一種輕量化車載牽引變壓器相對老化率的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步、建立輕量化車載牽引變壓器的軸對稱二維模型

根據輕量化車載牽引變壓器結構特點進行初步處理：刪除繞組出線端子、夾件和撐條結構，將冷卻風道簡化為內外兩個壁面同時具有恒定的熱流量的環空管道；

第二步、布置溫度監測節點，所述溫度監測節點包括：繞組溫度節點、絕緣紙邊界節點、環氧樹脂邊界節點和空氣溫度節點，節點之間通過熱阻相連，形成輕量化車載牽引變壓器熱網絡模型；節點的布置方法具體如下：

1)在繞組導體每一匝中心布置1個繞組溫度節點，繞組溫度節點間根據繞組結構在軸向和輻向對齊；

2)在繞組溫度節點的上、下、左、右4個方向分別布置4個絕緣紙邊界節點；

3)在上、下絕緣紙邊界節點的上、下側分別布置2個環氧樹脂邊界節點；

4)在冷卻風道兩側的2個環氧樹脂邊界節點之間設置1個空氣溫度節點；

5)繞組溫度節點與絕緣紙邊界節點之間通過絕緣紙熱阻相連，絕緣紙邊界節點與環氧樹脂邊界節點之間通過環氧樹脂熱阻相連，環氧樹脂邊界節點與空氣溫度節點之間通過對流熱阻相連，空氣溫度節點之間通過空氣熱阻相連；

第三步、計算各部分熱阻

1)絕緣紙熱阻R_p使用如下公式計算：

式中，k_p為絕緣紙的熱導率，單位為W·m^-1·K^-1，l_p為在該絕緣紙熱阻的熱流方向上絕緣紙的厚度，單位為m，S_p為在該絕緣紙熱阻的熱流方向上絕緣紙與銅導體的接觸面積，單位為m²；

2)環氧樹脂熱阻R_e使用如下公式計算：

式中，k_e為環氧樹脂的熱導率，單位為W·m^-1·K^-1，l_e為在該環氧樹脂熱阻的熱流方向上環氧樹脂的厚度，單位為m，S_e為在該環氧樹脂熱阻的熱流方向上環氧樹脂與絕緣紙的接觸面積，單位為m²；

3)空氣熱阻R_air使用如下公式計算：

式中，m_air為冷卻風道空氣的質量流量，單位為kg·s^-1，C_{p_air}為空氣的比熱容，單位為J·kg^-1·K^-1，L_duct為冷卻風道的總長，單位為m，l為導體的軸向寬度，單位為m；

4)對流熱阻R_conv使用如下公式計算：

式中，D_o為冷卻風道的外直徑，單位為m，D_i為冷卻風道的內直徑，單位為m，Nu_x為局部努塞爾數，k_air為空氣的熱導率，單位為W·m^-1·K^-1，S_duct為單個繞組溫度節點外環氧樹脂與冷卻風道的接觸面積，單位為m²；

所述對流熱阻R_conv的計算公式中，Nu_x的計算公式如下：

式中，n為繞組溫度節點的編號，其規則為：最內側冷卻風道入口處繞組溫度節點編為1號，順次往下編為2、3、4…直至最外側冷卻風道出口的繞組溫度節點；x為距風道入口的距離，單位為m，R為冷卻風道的中心線半徑，單位為m，Re為冷卻風道雷諾數，使用如下公式計算：

式中，ρ為空氣密度，單位為kg·m^-3，v為空氣流速，單位為m·s^-1，μ為空氣動力粘度，單位為kg·m^-1·s^-1；

第四步、為繞組溫度節點分配發熱功率

編號為n的繞組溫度節點分配到的發熱功率按照如下公式計算：

式中，V_n為編號為n的繞組溫度節點對應的導體體積，單位為m³，V_總為繞組的總體積，單位為m³，Q為待求相對老化率下的損耗值，單位為W；

第五步、根據第一步到第四步所述輕量化車載牽引變壓器熱網絡模型結構，依照基爾霍夫定律列寫節點電壓方程求解繞組溫度節點溫度，獲取全部繞組溫度節點的溫度值；

第六步、根據第五步的繞組溫度節點的溫度計算結果獲取溫度最高的繞組溫度節點，該節點溫度即為熱點溫度，記為T_hs；

第七步、計算輕量化車載牽引變壓器的相對老化率，公式如下：

式中，V為相對老化率。