采用混合单元的汽轮发电机定子 温度场的分析与计算

为了提高大型汽轮发电机温度场计算的精度,提出采用混合单元(混合坐标系)计算电机温度场的方法。根据传热学和流体力学的基本原理,建立汽轮发电机定子三维温度场的数学模型;采用热平衡原理对定子温度场的偏微分方程进行离散化处理,形成电机的等效热网络。给出采用混合单元对电机进行网格划分的方法,并推导了不同坐标系下热导的求解方法,进而给出采用等效热网络方法求解定子温度场的非线型方程组。将其应用于一台QFSN-200-2型汽轮发电机定子温度场的计算,并将计算结果与实测值进行了比较,结果表明所提出的方法是正确可行的。     

大型高压干式潜水电机定子三维温度场有限元分析

本文根据传热学理论,建立了大型潜水电机定子三维温度场的数学模型,给出了潜水电机导热系数及散热系数的计算方法.应用有限元法对潜水电机定子三维温度场进行分析计算,并将结果与实际测量值进行比较,验证了所述方法的正确性和实用性.最后,对潜水电机采用不同绝缘等级时电机定子温度场进行了数字模拟研究,得出了一些十分有益的结论,对潜水...     

高压永磁同步电动机永磁体隔热分析

针对钕铁硼永磁体的居里温度点低,温度特性差等缺点,以315 kW、6 kV永磁同步电动机为例,分析了永磁体的温升情况.根据传热学原理,建立了样机转子的三维物理模型和数学模型,采用三维有限元方法对样机转子温度场进行计算,求解得到了实心转子永磁体的温度分布情况.考虑到永磁电机主要关心永磁体的温度,提出了在永磁体四周加隔热材料的方法,着重分析了永磁体周围隔热材料的作用.比较了永磁体上加隔热材料的几种情况下永磁体、起动笼条和电机整体温度的分布趋势.此方法为降低永磁电机永磁体温度提供了解决的途径,为以后永磁电机的设计提供了一定的理论依据.     

Analytical modelling of multilayer structure electronic devices for electrothermal layout optimisation

In this paper, an analytical model for the electrothermal solution to the non‐linear 3‐D heat flow equation for multilayer structure electronic devices is proposed. Compared with previous models presented in literature, it is general and can be easily applied to a large variety of integrated devices, provided that their structure can be represented as an arbitrary number of superimposed layers with a 2‐D embedded thermal source, so as to include the effect of the package. The proposed method is independent of the specific physical properties of the layers, hence GaAs MESFETs and HEMTs as well as silicon and silicon‐on‐insulator MOSFETs and heterostructure LASERs can be analysed. Moreover, it takes into account the dependence of the thermal conductivity of all the layers on the temperature; the heat equation is solved coupled with the device current–voltage relation in order to give physical consistence to the experimental evidence that a temperature increase causes a degradation of the electrical performances and that the electrical power is not uniformly distributed. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

大电流母排三维涡流场-温度场耦合分析

利用有限元方法建立大电流开关柜母排的三维涡流场——温度场耦合分析模型,计算三维涡流场,得到磁感应强度和焦耳损耗的大小及分布规律;将焦耳热作为热源,通过顺序耦合方式计算出母排的温度场分布情况.实验结果验证了计算模型的准确性.在此基础上深入探讨不同工作电流对母排产生的温度场的变化规律,对设计大电流开关柜有参考价值.     

圆柱型锂离子电池三维分层热耦合模型研究

圆柱型锂离子电池的电芯由电池单元卷绕形成,其中电池单元由浸润在电解液中的正负极片、隔膜以及正负极耳组成。三维平均体积模型难以分析电池内部复杂的电化学系统,对此,针对实物的三维结构建立了考虑瞬态温度变化与电化学反应间相互影响的三维分层模型。通过实验验证了模型的准确性,基于模型结果详细分析了在不同放电倍率下电池内部电流密度和极化电压等电化学特征、焦耳热及反应热的产热速率和电池内部温度分布。研究结果有助于后续电池温度一致性及热管理技术的研究。     

基于傅里叶级数解析热扩散角的功率模块热阻抗物理模型

绝缘栅双极型晶体管功率模块失效主要由温度因素诱发。为提高功率模块可靠性,RC热阻抗模型被提出用于实时预测芯片结温。随着功率密度的提高,模块横向扩散愈发明显,多芯片热耦合效应愈加突出,导致传统RC模型会引入较大误差。文中针对RC模型精准度不足进行改进,揭示热扩散角取决于热流密度的物理内涵,结合多层封装结构下的傅里叶级数解析热流模型,建立一维RC热网络与三维热流物理场的本质联系,构造计及多芯片热路耦合的扩散角热网络,较为准确地描述多芯片结温动态特性,揭示热扩散与热耦合效应对芯片温度场形成的规律。与其他传统热扩散角模型相比,所提出方法的结温计算结果准确度最高。最后以型号SEMi X603GB12E4p模块为例,针对提出的物理模型进行验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够表征不同工况条件下功率模块的热过程,验证了所提建模方法的有效性与准确性,误差小于4%,且验证了所提模型较不计及热耦合模型精度提高了16.72%。     

Numerical analysis on thermal characteristics for chip scale package by integrating 2D/3D models

The objective of this paper is to investigate stress and strain of a special scale package‐substrate on chip for reliability evaluation or manufacture strategy in deep‐seated situation. A two‐dimensional model with one‐half of cross‐section (2D model) and a three‐dimensional model with one‐fourth of whole package (3D model) were built, respectively, to simulate the thermal stress and strain of CSP‐SOC under the condition of the standard industry thermal cycling temperature −40 to125°C. The different locations can be processed by using the two models, respectively, based on different modeling simplified modes. By using 2D model, the numerical simulation shows that the maximum deformation of the prototype occurs in printed circuit board (PCB), the maximum stress and strain occurs in the outer solder balls. In the meantime, by the results of 3D model, the simulation shows that the maximum elastic strain occurs in the interface between the solder balls and PCB, the minimum strain occurs in the underfill tape, the maximum packaging stress occurs in the edge area of the chip. The result from 3D model maybe more impersonal to reflect the stress and strain characteristics because the third direction is considered in modeling. The analysis by integrating the 2D model and 3D model can get a more comprehensive profile for the thermal investigation of chip scale package (CSP) than by using any single model. The investigation built a basis for improving reliability in engineering design of CSP product. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

大容量高速永磁电机热流场仿真及参数敏感性分析

建立电机三维热流场模型,基于流固耦合法,计算大容量高速永磁电机温度场。通过样机温升试验,验证了仿真模型正确性。在此基础上选取导热系数这一影响温度场重要因素作为研究对象,通过控制其在合理范围变化,分析电机温度场对各部件导热系数的敏感性程度。结果为以后高速永磁电机温度场仿真中导热系数的确定提供了参考。     

周期热流法测定金属材料热物性的实验及数值研究

对经典周期热流法进行研究和改进并结合相关文献对其测试理论进行分析，建立传热的二维瞬态数学模型，采用加权余量法中的Galerkin法对控制方程进行有限元离散，借助ANSYS有限元软件对周期热流法中试样的温度分布和热量传递规律进行数值模拟．根据测试原理和数值计算的结果，对测定装置进行开发和优化设计，解决了采用该法测试时难以得到较为理想的正弦或余弦温度波这一难题，减少了测试误差．通过对几种金属及合金的实验测定和数值计算，发现最大误差不超过4％，测试结果可靠，测试精度较高．     

超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹影响的有限元分析

为研究不同传热条件下水冷壁管的温度及热应力分布特征,以某1 000 MW超超临界锅炉水冷壁管为对象,建立了水冷壁管的三维有限元模型,分正常传热和传热恶化2种情况进行了计算。计算结果显示,向火侧壁面热负荷、管内传热系数对传热恶化后的温度和热应力有显著影响,在尚未达到屈服前,水冷壁管的热应力与温度基本呈线性关系。传热正常时,水冷壁管鳍片处温度和热应力值大于水冷壁管向火侧顶点相应值,而向火侧顶点发生破坏的可能性较小;在传热恶化时,水冷壁管向火侧顶点的温度和热应力迅速增大,并明显高于水冷壁管鳍片处,传热恶化的反复出现引起的交变应力最终导致水冷壁管横向裂纹的产生。     

基于磁热耦合法的电机模型参数计算

基于有限元法与集总热网络法建立电机温升模型,仿真计算电机瞬态温升。针对电机温升模型参数繁多且计算复杂的问题,从损耗分布和热量传递的角度,系统研究了电机的电磁参数和热参数。根据电机的结构参数建立物理模型,通过电磁仿真结合解析计算修正漏感参数,计算配置端部及外壳换热系数,等效处理定转子气隙对流系数,采用磁热耦合法计算温升。通过试验与仿真对比电机主要部位温升,验证了电机参数计算的准确性。     

计及物理参数随温度变化时螺管电磁铁温度场和瞬态热路的仿真分析

建立了螺管电磁铁的温度场模型。考虑到发热功率及散热系数为温度的函数 ,采用寻优方法计算温度场。通过对温度场的分析建立电磁铁的瞬态热路数学模型 ,研究了电磁铁中热的流动。与温度场的计算结果进行对比 ,并用实验加以验证。     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

空冷汽轮发电机定子端部电磁场和温度场耦合计算

针对空冷汽轮发电机定子端部温升难以准确计算的问题,本文提出了由端部三维电磁场得到损耗,结合用解析法得到的传热系数,来求得电机端部温度场的方法。并以一台150MW空冷汽轮发电机为例,计算得到了额定工况下定子端部和其关键点绕轴向的温度分布,对计算结果进行了简要分析。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

感应电动机定转子全域温度场数值计算及相关因素敏感性分析

提出了针对无轴向通风冷却电机温度场计算的新思想，合理处理了电机定子与气隙之间以及转子与气隙之间复杂的对流散热过程， 妥善解决了定、转子之间的热交换问题。给出了散下线定子绕组的等效热模型，简化了计算难度并且节省了计算时间。在此基础上建立了笼型感应电动机定、转子全域温度场二维数学模型和二维有限元计算模型。计算了电机额定负载运行时定、转子的稳态温度场以及气隙温降；实验结果验证了该电机温度场计算模型的合理性和计算结果的正确性。在该温度场计算模型的基础上，分析了电机温度场对定子铜耗、散热翅高度以及定子绕组浸渍质量等相关因素的敏感性，为电机优化设计奠定理论基础。     

4W大功率LED照明灯散热结构研究

采用热阻法建立了4w大功率LED照明灯的热传导模型,从而得出散热器有效散热面积;然后对所设计的散热器采用有限元仿真得到稳态温度分布,并进一步利用EFD方法进行自然对流热分析;最后通过热测试实验验证来理论和仿真分析结果。结果表明,所设计的散热器满足LED使用要求,最高温度小于65℃。该研究成果对设计高散热效率的LED灯具具有指导意义。     

大功率晶闸管热阻抗分析方法的研究

随着柔性交流输电和高压直流输电设备在我国电力系统中应用越来越广泛,以晶闸管为主组成的高电压大电流电子阀等核心技术已成为研究焦点。晶闸管的结温及其变化影响晶闸管的电学特性及其使用寿命,而晶闸管的热阻抗直接影响晶闸管的结温,因此,晶闸管的传热特性及其建模方法的研究对于晶闸管及其阀的研制具有很重要的现实意义。论述了现有热阻抗分析及其建模的方法,即试验方法和数学物理方法,分别讨论了它们的建模过程及建模结果－等效热阻抗网络。提出了Foster热阻抗网络转换成Cauer热阻抗网络的"直接恒等法"以及一种通过有限元数字仿真分析晶闸管内部温度场以及求解晶闸管结壳热阻抗的方法,该方法的有效性通过了实测数据的验证。     

基于修正热路模型的变压器顶层油温及绕组热点温度计算方法

提出基于修正热路模型方法进行变压器顶层油温及绕组热点温度计算的方法,对变压器的传热过程进行了研究,建立了热路模型。介绍了根据不同油温进行热路参数的调整并利用调整后的热路参数进行变压器顶层油温及热点温度的计算。采用文中计算方法与国家标准计算方法,对某220 kV变压器进行计算,将计算结果与变压器的温升试验数据进行比对,表明在考虑油流粘度变化的情况下,计算结果能够反映变压器热传递的暂态过程信息。