基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，包括如下步骤：S1.1.在变流器的模型中选取需要优化的目标，并对所述目标进行参数化建模，得到三维参数化模型；S1.2.提取所述三维参数化模型中预设区域的几何信息，修改配置参数使得能够输出非几何信息，并输出中间文件；S1.3.根据所述中间文件搭建优化流程，构建CFD热仿真模型，提取需要优化的参数化尺寸变量，确定优化目标和约束条件；S1.4.执行优化，得到优化后的几何参数。具有解决了传统设计中存在的多学科分离问题，可同时充分考虑不同学科的设计要求，大大降低大功率变流器的设计周期，降低设计成本等优点。

Multidisciplinary optimization design method of converter based on multi-physical field coupling

【技术实现步骤摘要】
基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法
本专利技术涉及一种变流器设计
，尤其涉及一种基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法。
技术介绍
随着现代工业的不断发展，对变流柜的要求越来越高，体积小、热耗大的新型变流柜逐渐成为市场需求的主流，而小体积，大功耗的变流柜必须要求有良好的散热设计。器件过热势必降低变流柜产品可靠性和安全性，进而导致高昂的设计成本。为了确保变流柜整机系统的可靠性，工程师需要使用仿真工具来确保变流柜产品良好的散热设计。变流柜产品的迅速更新需要工程师具有便捷的热设计能力，工程师可以需要通过仿真标准电子组件来建立变流柜的真实热模型，同时进行快速计算，得到产品的热特性分布。在得到变流柜热特性分布的前提下，能够通过仿真工具，对产品进行优化设计，建立优化平台，实现产品的快速优化仿真。目前，能馈变流器的整体简图如图1所示。能馈变流器主要采用风冷的散热形式，变流器的热源主要集中在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和电抗器等模块，散热器通过基本与主要热源IGBT模块连接，将热量传导到散热翅片上。在变流器通风系统的出风口有风扇采用吸风的方式，迫使外部气流通过进气隔栅，流经电抗器和断路器，然后汇聚到中间主要气流通路，气流通过散热器模块将热量带走，加热以后的热气流通过风扇排到外空间。变流器发热模块热量的散发主要通过热传导、热对流和热辐射三种方式，在温度比较低的情况下，导热和对流为主要的散热方式。通过计算流体动力学方法，建立变流器散热过程的数学模型，可以同时在宏观和微观上研究模块散热的过程，了解当前散热设计的优点和缺点，然后在此基础上，改进设计以满足更高的设计要求。对于中压能馈变流器来说，其尺寸日益紧凑，宽度由原来的1.2m宽缩减到目前的0.6m宽，功率也发展到由原来的持续900KW，峰值1.8MW到持续1.25MW，峰值2MW，使得变流器的热设计与优化以及进一步提高功率密度工作愈来愈难。目前通过提高热仿真精度以及改进散热形式积累了一些热优化方面的经验。热仿真方面摒弃了之前ICEPAK仿真平台采用更为复杂的STAR-CCM+通用CFD仿真平台，用多面体网格取代纯四面体网格，建立更为详细的风道、风机及蜗壳、散热器等CFD模型，使用更为准确的风机仿真模型如MRF、滑移网格，以及更为复杂的湍流模型及边界层模型。通过上述方式极大地提高了整机仿真精度，最新的750V能馈北京8号线对比了6个点温度，平均误差不超过1K。通过CFD仿真对整机流场分布及湍流死区有了详细的了解，为后续多学科优化奠定了坚实的基础。但在面对进一步提高功率密度要求时遇到了瓶颈，仅仅改变某一个散热部件(如风机风量、散热器等)参数很难显著提高散热效率而又不恶化其他方面的指标(如噪音)，往往故此失彼，无法得到最优的解决方案。根据已有研究的报道并结合变流器产品的特点，在变流器的设计过程中会存在以下技术难点：1、电抗器及变压器的磁-热耦合模拟；建立详细的电磁仿真模型计算表面热分布并插值到CFD网格模型中进行磁-热耦合模拟有一定的难度；2、翅片散热器温度场热均衡问题；目前能馈变流器的模块热均衡极差，受限于铝型材散热器的导热能力，不同点的温差较大；3、整机级别的多目标优化；能馈变流器整个系统器件较多，散热系统尤其是风冷系统较为复杂，而本项目又是立足于整机的多目标优化，包括风道、散热器、风机、过滤器等多部件协同优化才有可能完成最高温度降10K及模块台面温差不超过8K的目标，而多学科优化对硬件的消耗极大，整机级别的多目标优化几乎难以实现，后续目标子系统分解和关键部件的优化均较为困难；4、热优化平台的搭建；目前市面上的多学科优化平台均为通用仿真平台，没有专门针对CFD仿真的多学科优化平台，其流程复杂、可操作性差，优化结果不理想，推广起来较难，本项目需搭建一套专门针对变流器热优化的优化平台，需满足操作流程简洁易用、优化算法简单适用、优化结果理想等特点，但开发出一套这样的平台存在很大的困难。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种解决了传统设计中存在的多学科分离问题，可同时充分考虑不同学科的设计要求，大大降低大功率变流器的设计周期，降低设计成本的基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，包括如下步骤：S1.1.在变流器的模型中选取需要优化的目标，并对所述目标进行参数化建模，得到三维参数化模型；S1.2.提取所述三维参数化模型中预设区域的几何信息，修改配置参数使得能够输出非几何信息，并输出中间文件；S1.3.根据所述中间文件搭建优化流程，构建CFD热仿真模型，提取需要优化的参数化尺寸变量，确定优化目标和约束条件；S1.4.执行优化，得到优化后的几何参数。进一步地，还包括步骤：S1.A.构建变流器的模型，并进行初始化；S1.B.进行热分析，得到温度场分布与流场分布的数据文件；S1.C.根据所述数据文件判断所述变流器是否满足设计需求，当不满足时执行步骤S1.1。进一步地，在步骤S1.4之后，还包括步：根据所述步骤S1.4得到的几何参数，修改所述步骤S1.A中的模型，并再次执行所述步骤S1.A至S1.C。进一步地，步骤S1.A中所述初始化包括：设置热分析参数，设置边界条件，设置网络参数，划分CFD网格；所述热分析参数包括：散热部件材料的比热和导热系数，风机的功率流量，PQ特性曲线，环境温度；所述边界条件包括：进风口边界条件，出风口边界条件和壁面边界条件。进一步地，还包括磁热耦合优化步骤：S2.1.根据所述变流器的模型生成电磁分析模型并进行初始化，进行电磁分析，并输出功率损耗数据表；S2.2.根据所述变流器的模型生成流场分析模型并进行初始化，并进行流场网格划分，导入所述功率损耗数据表并插值至所述流场网格中，进行流场分析。进一步地，所述电磁分析模型的初始化包括：设置电磁材料的属性，定义边界条件，设置电学条件，定义激励，划分四面体网格；所述流场分析模型的初始化包括：划分网格。进一步地，所述电磁分析模型和所述流场分析模型具有相同的坐标系。进一步地，所述变流器的模型为机、电、热三场耦合的数学模型。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术在变流器优化设计中，采用机、电、热三场耦合的数学模型，并使用热场和电磁场的参数作为优化目标或约束条件，解决了传统设计中的多学科分离问题；同时可以充分考虑到不同学科的设计要求，大大降低了大功率变流器的设计周期，加速了产品的推出速度，减少样机试制，节约了设计的成本。2、本专利技术的优化设计方法，不但充分利用现有的商业软件进行计算机辅助设计，还通过设计实物样机、实际测试，来检验计算机仿真的结果，并根据实验加以修正，使得最终设计出的产品更加符合实际。附图说明图1为现有技术中能馈变流器的整体结构简图。图2为本专利技术具体实施例的流程示意图。图3为本专利技术具体实施例流程示意图二。图4为本专利技术具体实施例导风板设计实例示意图。图5为本专利技术具体实施例导风板设计实例参数化建模展示示意图。图6为本专利技术具体实施例导风板设计三维模型示意图。图7为本专利技术具体实施例导风板设计的STAR-CCM+计算残差图。图8为本专利技术具体实施例导风板设计进出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.1.在变流器的模型中选取需要优化的目标，并对所述目标进行参数化建模，得到三维参数化模型；S1.2.提取所述三维参数化模型中预设区域的几何信息，修改配置参数使得能够输出非几何信息，并输出中间文件；S1.3.根据所述中间文件搭建优化流程，构建CFD热仿真模型，提取需要优化的参数化尺寸变量，确定优化目标和约束条件；S1.4.执行优化，得到优化后的几何参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.1.在变流器的模型中选取需要优化的目标，并对所述目标进行参数化建模，得到三维参数化模型；S1.2.提取所述三维参数化模型中预设区域的几何信息，修改配置参数使得能够输出非几何信息，并输出中间文件；S1.3.根据所述中间文件搭建优化流程，构建CFD热仿真模型，提取需要优化的参数化尺寸变量，确定优化目标和约束条件；S1.4.执行优化，得到优化后的几何参数。2.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，其特征在于：还包括步骤：S1.A.构建变流器的模型，并进行初始化；S1.B.进行热分析，得到温度场分布与流场分布的数据文件；S1.C.根据所述数据文件判断所述变流器是否满足设计需求，当不满足时执行步骤S1.1。3.根据权利要求2所述的基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，其特征在于：其特征在于，在步骤S1.4之后，还包括步：根据所述步骤S1.4得到的几何参数，修改所述步骤S1.A中的模型，并再次执行所述步骤S1.A至S1.C。4.根据权利要求3所述的基于多物理场耦合的变流器多学科优化设计方法，其特征在于：步骤S1.A中所述初始化包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉斌，张祥，翁星方，林文彪，谢湘剑，孙林，师蒙招，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43