一种高频磁性元件的温度场解析计算方法和系统

本发明涉及电力电子领域、高频变压器领域，具体说是一种高频磁性元件的温度场解析计算方法和系统。

背景技术：

1、随着电气化交通技术的快速发展，电动汽车、高铁等空间体积有限的应用场景对电能变换器件提出了小型化的需求。包含高频变压器、高频电感在内的高频磁性元件作为电力电子变换器的重要组成部分，在电气化交通、配电网等领域都具有重要的应用价值。磁性元件的高频化、小型化使得同等体积下高频磁性元件的功率密度提升，但同时也使得高频磁性元件的散热更加困难，稳定运行时温升提高。高频磁性元件内部温升对工作可靠性影响极大：一方面，高频磁性元件内部温升过高会使材料绝缘性能下降，最终导致绝缘失效；另一方面，高频磁性元件内部温度超过居里温度后，磁芯中的软磁材料会转变为顺磁体而失去磁性，导致高频磁性元件无法正常工作。因此需要对高频磁性元件的温度场进行准确建模。

2、目前的磁性元件温升分析方法为有限元分析和集总参数热建模分析方法两类。前者利用有限元分析软件对温度场问题进行数值求解，虽然有较高的计算精度，但计算时间较长。后者将热问题与电路问题比拟，将温度场中的热流、温度与电路问题中的电流、电压对应，再引入“热阻”的概念与电路问题中的电阻对应以描述材料的热力学特征。具有计算时间短的优势，可以用于优化设计。

3、但目前的集总参数热建模分析方法存在精度较低、局限性较高等问题，具体可描述为以下五点：

4、(1)考虑传热方式不全面，忽略了热对流、热辐射以及水冷散热等散热方式对温度场分析结果的影响；

5、(2)未考虑材料的热各向异性结构，将高频磁性元件中使用的纳米晶磁芯、利兹线绕组等存在热各向异性结构的材料建模为热各向同性的材料；

6、(3)未考虑实际中高频磁性元件磁芯的损耗分布方式，将磁芯中并非均匀分布的损耗密度视作均匀分布，导致磁芯内部热流较大的计算误差；

7、(4)磁性元件存在热电耦合问题，在分析中其温度场和电磁场会相互影响，现有文献中没有考虑热电耦合问题；

8、(5)缺少一种适用范围广的建模方法，建模往往针对某一种特定环境下的特定结构磁性元件，磁性元件结构上的变化或运行环境的变化均会导致模型的失效。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于针对高频磁性元件中难以分析的稳态温度场问题，提出一种高频磁性元件的温度场解析计算方法和系统，为高频磁性元件的散热设计和可靠性分析提供一个准确的参考。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种高频磁性元件的温度场解析计算方法，包括以下步骤：

4、对目标高频磁性元件进行规则区域划分，并根据目标高频磁性元件的实际结构对各规则区域对应的等效热阻网络进行连接，得到目标高频磁性元件整体的等效热阻网络；

5、以目标高频磁性元件整体的等效热阻网络为基础，结合目标高频磁性元件各规则区域的等效热导率和损耗分布分析结果，通过热电耦合迭代计算，得到目标高频磁性元件稳定运行时的温度。

6、进一步，所述对目标高频磁性元件进行规则区域划分，并根据目标高频磁性元件的实际结构对各规则区域对应的等效热阻网络进行连接，得到目标高频磁性元件整体的等效热阻网络，包括：

7、建立综合考虑热传导、热对流和热辐射等多种传热方式的规则长方体块等效热阻网络；

8、对目标高频磁性元件进行规则区域划分，并根据规则区域划分结果建立各规则区域的等效热阻网络；

9、根据目标高频磁性元件的实际结构，将各规则区域的等效热阻网络进行连接，得到目标高频磁性元件的整体等效热阻网络。

10、进一步，所述对目标高频磁性元件进行规则区域划分，并根据规则区域划分结果建立各规则区域的等效热阻网络，包括：

11、考虑高频磁性元件部分表面与空气接触时，产生的热对流和热辐射，计算等效热阻和热辐射等效热阻；

12、将热对流等效热阻和热辐射等效热阻并联为空气等效热阻，对仅考虑热传导的传统热阻网络模型进行扩展，得到综合考虑热传导、热对流和热辐射多种传热方式的规则长方体块等效热阻网络模型。

13、进一步，所述根据目标高频磁性元件的实际结构，将各规则区域的等效热阻网络进行连接，得到目标高频磁性元件的整体等效热阻网络，包括：

14、根据预设划分原则对高频磁性元件进行区域划分，其中预设划分原则为：对磁芯部分，分别按照磁轭、磁柱进行分解，得到若干长方体区域；对于绕组部分，按照磁芯中柱侧面的四个方向将绕组拆分为四个长方体区域；对于气隙和磁芯窗口内的空气部分，则分别视作两个长方体区域；

15、采用仅考虑热传导的传统热阻网络建立方式，建立磁芯、气隙和磁芯窗口包含的各长方体区域的热阻网络模型；

16、采用综合考虑热传导、热对流和热辐射多种传热方式的规则长方体块等效热阻网络建立方式，建立绕组包含的各长方体区域的热阻网络模型。

17、进一步，所述以目标高频磁性元件整体的等效热阻网络为基础，结合目标高频磁性元件各规则区域的等效热导率和损耗分布分析结果，通过热电耦合迭代计算，得到目标高频磁性元件稳定运行时的温度，包括：

18、基于目标高频磁性元件的各规则区域划分结果，对目标高频磁性元件各规则区域的等效热导率进行分析计算；

19、基于目标高频磁性元件各规则区域划分结果，对目标高频磁性元件各规则区域的损耗分布进行分析计算；

20、基于高频磁性元件整体的热阻网络模型以及各规则区域的等效热导率和损耗分布，进行热电耦合迭代计算，得到目标高频磁性元件稳定运行时的温度。

21、进一步，所述基于目标高频磁性元件各规则区域划分结果，对目标高频磁性元件各规则区域的损耗分布进行分析计算，包括：

22、对于磁芯部分，利用有限元仿真分析法得到稳定运行时磁芯的总损耗，并基于磁芯对应各规则区域在磁芯总损耗中的比例，计算得到磁芯各规则区域的真实损耗分配；

23、对于绕组部分，利用交流绕组损耗计算模型得到稳定运行时绕组的总交流损耗，并根据绕组各规则区域体积在总绕组体积中的占比，得到绕组各规则区域的真实损耗分配。

24、进一步，所述基于高频磁性元件整体的热阻网络模型以及各规则区域的等效热导率和损耗分布，进行热电耦合迭代计算，得到目标高频磁性元件稳定运行时的温度，包括：

25、①确定当前工况以及迭代初始值；

26、②根据磁芯、绕组材料的损耗-温度变化特性，计算当次迭代温度下的磁芯、绕组损耗；

27、③基于各规则区域的等效热导率和损耗分布，进行传导热阻计算，得到当次迭代温度下的热对流等效热阻和热辐射等效热阻；

28、④基于当次迭代温度下的热对流等效热阻和热辐射等效热阻，以及目标高频磁性元件整体的热阻网络模型，计算当次迭代磁芯表面的温度t1end(i)；

29、⑤判断是否满足收敛条件，若满足，则将当次迭代磁芯表面的温度作为目标高频磁性元件稳定运行时的温度输出，否则对当次迭代温度进行调整后，返回步骤②继续迭代，直到满足收敛条件。

30、第二方面，本发明提供一种高频磁性元件的温度场解析计算系统，包括：

31、等效热阻网络建立模块，用于对目标高频磁性元件进行规则区域划分，并根据目标高频磁性元件的实际结构对各规则区域对应的等效热阻网络进行连接，得到目标高频磁性元件整体的等效热阻网络；

32、温度场解析计算模块，用于以目标高频磁性元件整体的等效热阻网络为基础，结合目标高频磁性元件各规则区域的等效热导率和损耗分布分析结果，通过热电耦合迭代计算，得到目标高频磁性元件稳定运行时的温度。

33、第三方面，本发明提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行任一方法。

34、第四方面，本发明提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行任一方法的指令。

35、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

36、1、本发明通过对传统仅考虑热传导的长方体块热阻网络模型进行扩展，得到综合考虑热传导、热对流和热辐射的长方体块等效热阻网络模型，使得建立的温度场模型传热方式更加全面，计算结果更加准确；

37、2、本发明将高频磁性元件按照预设划分原则划分成若干规则区域，并将各规则区域对应的等效热阻模型连接后得到整体热阻网络模型，适用范围更广；

38、3、本发明考虑了各材料的热各向异性结构，使得对高频磁性元件的等效热导率进行分析时，分析结果更加准确；

39、4、本发明考虑了高频磁性元件中磁芯及绕组的损耗分布，降低了磁芯内部热流的计算误差；

40、5、本发明考虑了高频磁性元件的热电耦合问题，通过不断迭代，得到高频磁性元件在稳定运行时的温度，计算结果更加准确。

41、因此，本发明可以广泛应用于电力电子领域、高频变压器领域。