一种基于热仿真的变频器结构设计方法及变频器结构与流程

1.本公开实施例涉及变频器领域，特别涉及一种基于热仿真的变频器结构设计方法及变频器结构。


背景技术：

2.变频器依靠内部绝缘栅双极型晶体管的开断，调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。随着工业自动化程度的不断提高，变频器得到了越来越广泛的应用。
3.随着各行业自动化应用的系统化与集成化程度越来越高，客户的体验度要求也越来越高，像以往变频器的简单使用及较笨重的体型、外观，已经难以满足客户的需求。变频器正快速向集成化、小型化、美观化的方向转变。然而，集成化、小型化又给变频器的散热控制带来了挑战，特别是热敏感器件的散热，如电容。如何兼顾小型化及散热性能，成了急需研究的课题。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供一种基于热仿真的变频器结构设计方法及变频器结构，至少可以提高热仿真的精确性，从而有利于设计出兼顾小型化及散热性能的变频器结构。
5.根据本公开一些实施例，本公开实施例一方面提供一种基于热仿真的变频器结构设计方法，包括建立变频器模型，所述变频器模型包括壳体模型、电容模型以及电抗模型，所述壳体模型内包括容纳腔；所述壳体模型还包括凸台，所述凸台自所述壳体模型的底面朝向所述容纳腔延伸；所述壳体模型还包括散热装置，且所述散热装置朝向所述容纳腔；所述电容模型与所述电抗模型位于所述容纳腔内，所述电容模型位于所述电抗模型上方，且所述电抗模型与所述凸台正对；所述壳体模型还包括散热器，所述散热器自所述变频器模型的顶面朝向所述容纳腔延伸；其中，所述电容模型包括：内部卷芯、外壳、密封层、极柱及顶盖，所述外壳环绕所述内部卷芯，所述密封层位于所述内部卷芯的顶面，所述极柱贯穿所述密封层与所述内部卷芯接触，所述顶盖位于所述密封层的顶面；对所述变频器模型进行热仿真处理，并基于所述热仿真处理的结果，对所述变频器的至少一个散热参数进行调整，所述散热参数包括：所述散热器的尺寸、所述散热装置的型号或所述凸台朝向所述容纳腔延伸深度中的至少一者。
6.在一些实施例中，获取所述热仿真处理的结果之前还包括：获取所述电容模型的温度与所述电容模型的阻值，并绘制所述电容模型的温度与所述电容模型的阻值对应的曲线，在所述热仿真处理的过程中，依据所述电容模型的当前温度获取当前阻值。
7.在一些实施例中，获取所述电容模型的温度的步骤包括：在所述外壳上选取若干个测试点，并将若干所述测试点温度的平均值作为所述电容模型的当前温度，并根据所述电容模型的当前温度绘制所述电容模型的温度与所述电容模型的阻值对应的曲线。
8.在一些实施例中，所述测试点以3个为一组，且每组的所述测试点沿所述密封层朝
向所述内部卷芯的方向排布于所述外壳上。
9.在一些实施例中，所述电抗模型包括：内芯、汇流排、绝缘层及线圈，所述汇流排位于所述内芯侧壁，且所述汇流排包括至少两个汇流脚，所述绝缘层环绕部分所述汇流脚及部分所述内芯，所述线圈至少设置于部分所述绝缘层的外壁；形成所述电抗模型的步骤包括：获取所述内芯、所述汇流排、所述绝缘层及所述线圈实际物理参数，并依据实际物理参数建立所述电抗模型。
10.在一些实施例中，所述凸台朝向所述散热装置及所述凸台朝向所述电抗模型的侧壁具有若干通孔。
11.在一些实施例中，形成的所述凸台与所述壳体模型为一体压铸成型。
12.在一些实施例中，形成所述电容模型之后，形成所述电抗模型之前还包括：在所述电容模型的底面形成隔热板，通过所述隔热板将所述电容模型及所述电抗模型隔开。
13.在一些实施例中，形成所述隔热板之后还包括：在所述隔热板的表面形成隔热层。
14.根据本公开一些实施例，本公开实施例另一方面还提供一种变频器结构，采用上述基于热仿真的变频器结构设计方法形成。
15.本公开实施例提供的技术方案至少具有以下优点：通过将电容模型分为：内部卷芯、外壳、密封层、极柱及顶盖5个部分可以提高变频器内的电容模型与实际电容的精确度，从而提高热仿真模型的精度，通过提高电容模型的精度从而可以在对建立好的变频器模型进行热仿真处理的过程中，提高热仿真处理结果的真实性和实用性，并可以根据实用性更高的热仿真处理结果调整变频器模型的结构，从而使得建立的变频器模型的散热性能更好。
附图说明
16.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领缺普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本公开一实施例提供的一种基于热仿真的变频器结构设计方法的流程图；
18.图2为本公开一实施例提供的一种变频器模型的结构示意图；
19.图3为本公开一实施例提供的另一种变频器模型的结构示意图；
20.图4为本公开一实施例提供的又一种变频器模型的结构示意图；
21.图5为本公开一实施例提供的一种电容模型的结构示意图；
22.图6为本公开一实施例提供的一种电抗模型的结构示意图；
23.图7为本公开一实施例提供的另一种电抗模型的结构示意图。
具体实施方式
24.由背景技术可知，电容属于热敏感器件，为了保证寿命要求，其允许温升一般较低，多数控制在15℃以下，而电抗的耐受温升较高，能高达100℃。所以，在以往设计中，往往将电容及电抗分开放置，通常将电容及电抗布置在两个腔体中，这就造成了变频器体型偏
大。
25.在现有技术中，关于电容及电抗的散热仿真评估，通常是将电容直接等效为一个圆柱体，实测整个电容的导热系数(轴向、径向)、比热容、密度等物性参数，作为仿真的输入条件；将电抗简化为实体块，然而这种等效方式往往会使热仿真处理的结果偏差较大，故为保证变频器具有足够的散热能力，通常还会预留较大的散热余量，散热余量较大导致成本也会增加。
26.本公开实施提供一种基于热仿真的变频器结构设计方法，通过将电容模型及电抗模型放置在同一容纳腔内，可以减小变频器的体积，且本公开实施例通过将电容模型分为内部卷芯、外壳、密封层、极柱及顶盖，可以提高电容模型的仿真精度，故在热仿真评估的过程中，本公开实施例提供电容模型与真实的电容模型更接近，从而可以减小热仿真处理的结果与实际应用之间的偏差，相应的可以减小预留的散热余量，相应的减小成本。
27.下面将结合附图对本公开的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施例中，为了使读者更好地理解本公开而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本公开所要求保护的技术方案。
28.参考图1，图1为本公开实施例提供的一种基于热仿真的变频器结构设计方法的流程图。
29.在一些实施例中，一种基于热仿真的变频器结构设计方法可以包括以下步骤：
30.步骤s11：建立变频器模型，变频器模型包括壳体模型、电容模型以及电抗模型，壳体模型内包括容纳腔；壳体模型还包括凸台，凸台自壳体模型的底面朝向容纳腔延伸；壳体模型还包括散热装置，且散热装置朝向容纳腔；电容模型与电抗模型位于容纳腔内，电容模型位于电抗模型上方，且电抗模型与凸台正对；壳体模型还包括散热器，散热器自变频器模型的顶面朝向容纳腔延伸；其中，电容模型包括：内部卷芯、外壳、密封层、极柱及顶盖，外壳环绕内部卷芯述密封层位于内部卷芯的顶面，极柱贯穿密封层与内部卷芯接触，顶盖位于密封层的顶面。
31.在热仿真模型中建立变频器模型，并根据实际的生产条件所对应的物理参数将实际的物理参数输入到热仿真模型中，以建立电容模型为例，分别测试内部卷芯、外壳、密封层、极柱及顶盖的实际物理参数，例如导热系数、尺寸及密度等，并将测试各部分对应的物理参数输入到热仿真模型中，以建立电容模型，且通过此方法建立的电容模型与实际电容更为接近。
32.步骤s12：对变频器模型进行热仿真处理，并基于热仿真处理的结果，对变频器的至少一个散热参数进行调整，散热参数包括：散热器的尺寸、散热装置的型号或凸台朝向容纳腔延伸深度中的至少一者。
33.需要说明的是，热仿真处理的结果需要结合电容模型及电抗模型的选型特性、实际变频器的产品寿命要求及安全降额标准等方面确定电容模型及电抗模型的允许温升，并通过获取热仿真处理之后的电容模型及电抗模型的温度进行判断，当热仿真处理的结果不满足电容模型及电抗模型的允许温升，则通过调整散热器的尺寸、散热装置的型号或凸台朝向容纳腔延伸深度中的至少一者，提高变频器模型的散热能力，直至热仿真处理的结果满足电容模型及电抗模型的允许温升。
34.可以理解的是，散热器的尺寸越大，散热器的导热能力越强，通过增加散热器的尺寸可以提高散热器的导热能力；以散热装置为散热风扇为例，散热风扇的型号与其可提供的最大气流相关，相应的，可提供的最大气流越大，散热风扇的散热能力越强；凸台朝向容纳腔延伸深度越深，相应的电抗模型获得的散热装置提供气流越大，凸台朝向容纳腔延伸深度越浅，相应的电容模型获得的散热装置提供气流越大，通过调整凸台朝向容纳腔延伸深度可以调整散热装置的气流分配。
35.参考图2至图4，图2为本公开实施例提供的变频器模型的一种视角，图3为本公开实施例提供的频器模型的另一种视角，图4为本公开实施例提高的变频器模型的内部结构示意图。
36.具体的，变频器模型包括壳体模型100、电容模型110以及电抗模型120，壳体模型100内包括容纳腔130；壳体模型100还包括凸台103，凸台103自壳体模型100的底面朝向容纳腔130延伸；壳体模型100还包括散热装置140，且散热装置140朝向容纳腔130；电容模型110与电抗模型120位于容纳腔130内，电容模型110位于电抗模型120上方，且电抗模型120与凸台103正对；壳体模型100还包括散热器104，散热器104自变频器模型的顶面朝向容纳腔130延伸。
37.在一些实施例中，壳体模型100可以包括上壳体模型101和下壳体模型102，且上壳体模型101和下壳体模型102为可分离式组装。
38.在一些实施例中，下壳体模型102还设置有散热装置过滤罩105，散热装置过滤罩105与散热装置140正对，通过散热装置过滤罩105可以将阻隔外界的灰尘，从而避免变频器模型外的灰尘进入变频器内部，从而提高变频器模型的可靠性，进而提高变频器模型的使用寿命，下壳体模型102还设置有气孔106，气孔106与散热装置140相对设置，通过散热装置140及气孔106相互配合，从而使得外界冷空气进入变频器模型内，从而降低变频器模型的内部温度，提高变频器模型的散热能力。
39.在一些实施例中，在上壳体模型101上还设置有电路板，散热器104与电路板相邻接，通过散热器104可以将电路板上的热量导出，从而保证电路板上的芯片正常工作，且可以提高变频器模型的运行的稳定性，从而提高变频器模型的可靠性。
40.在一些实施例中，凸台103朝向散热装置140及凸台103朝向电抗模型120的侧壁可以具有若干通孔(图中未示出)。通过在凸台103的两边侧壁上设置若干通孔可以便于散热装置140提供气流给到电抗模型120，从而使电抗模型120降温，从而使得电抗模型120在温升范围内。
41.可以理解的是，凸台103的高度越高，散热装置140提供给电抗模型120的气流越大，凸台103的高度越低，散热装置140提供给电容模型110的气流越大。气流越大，相应的，散热能力也就越强，通过调整凸台的高度可以调整散热装置140分配的气流大小，进而调整散热装置140对电抗模型120及电容模型110温度的影响。
42.在一些实施例中，还可以改变凸台103在垂直于凸台103朝向散热装置140的方向上的宽度，通过改变凸台103的宽度可以改变风道内的流动阻力的大小，从而实现电容模型110及电抗模型120的风量分配，从而实现电容模型110及电抗模型120的精细化热控制。
43.在一些实施例中，形成的凸台103与壳体模型100可以为一体压铸成型。通过控制凸台103与壳体模型100为一体压铸成型可以提高下壳体模型102的机械强度。
44.在一些实施例中，形成电容模型110之后，形成电抗模型120之前还包括：在电容模型110的底面形成隔热板150，通过隔热板150将电容模型110及电抗模型120隔开。通过形成隔热板150可以减少电抗模型120对电容模型110的热辐射的影响。
45.在一些实例中，还可以先形成电抗模型120再形成隔热板150，最后形成电容模型110，本技术不对建立变频器模型内的各个组件的顺序进行限制。
46.在一些实施例中，形成隔热板150之后还包括：在隔热板150的表面形成隔热层。
47.在一些实施例中，可以通过在隔热板150表面涂覆防辐射隔热漆的方式形成隔热层；在另一些实施例中，还可以在隔热板150的表面包裹一层石棉以形成隔热层。通过形成隔热层可以增强防热辐射的效果。
48.在一些实施例中，散热装置140可以是散热风扇或者抽气装置等，通过带动气流使得变频器内部的温度降低。
49.参考图5，图5为本公开实施例提供的一种电容模型的结构示意图。
50.具体的，电容模型110包括：内部卷芯111、外壳112、密封层113、极柱114及顶盖115，外壳112环绕内部卷芯111，密封层113位于内部卷芯111的顶面，极柱114贯穿密封层113与内部卷芯111接触，顶盖115位于密封层113的顶面。
51.在一些实施例中，内部卷芯111由阴极箔、隔离纸和阳极箔经过多层卷绕而成，在热仿真处理中，内部卷芯111的每层厚度仅为几十微米，无法按照实际的多层卷绕进行建模计算，否则网格数量巨大，可能无法完成计算，故通过将阴极箔、隔离纸和阳极箔视为一个整体，即内部卷芯111。
52.在一些实施例中，外壳112和顶盖115的材料可以是铝，铝材料的导热系数较高，便于将内部卷芯111的热量传导出来。密封层113的材料可以是橡胶，橡胶可以避免极柱114之间导电，且橡胶可以保护极柱114，当电容模型110受到撞击时，通过橡胶可以吸收部分应力，从而保护极柱114。极柱114可以实现电容模型与其他变频器模型中的其他电子元件或者电路实现电连接。
53.在一些实施例中，获取热仿真处理的结果之前还可以包括：获取电容模型110的温度与电容模型110的阻值，并绘制电容模型110的温度与电容模型110的阻值对应的曲线，在热仿真处理的过程中，依据电容模型110的当前温度获取当前阻值。
54.可以理解的是，实际电容的发热量与实际电容的阻值相关，而实际电容的阻值受其自身温度影响较大，本公开实施例通过绘制电容模型110的温度与电容模型110的阻值对应的曲线，通过测试电容模型110的温度获取电容模型110的当前阻值，进而计算当前电容模型110的发热量，通过提高电容模型110的热仿真处理的精度，可以提高热仿真处理结果的准确性，从而提高热仿真处理结果的可靠性。
55.在一些实施例中，获取电容模型110的温度的步骤可以包括：在外壳112上选取若干个测试点，并将若干测试点温度的平均值作为电容模型110的当前温度，并根据电容模型110的当前温度绘制电容模型110的温度与电容模型110的阻值对应的曲线。
56.测试点可以选取2个、3个或者4个等，可以根据需求选择相应的测试点数量，以测试点为4个为例，可以将4个测试点分为两组，第一组测试点和第二组测试点可以相对设置，可以将内部卷芯111沿密封层113朝向内部卷芯111的方向三等分，将测试点设置于内部卷芯的1/3的位置和2/3的位置。通过选取若干个测试点，并将若干测试点温度的平均值作为
电容模型110的当前温度可以提高获取的电容模型110当前温度的可靠性，可以提高当前温度的代表性，使得热仿真处理的结果更加精确。
57.在一些实施例中，还可以对选取的测试点进行重复性测试，并将重复测试数据的平均值作为当前测试点温度，通过重复性测试方法可以提高电容模型110温度与阻值曲线的可靠性。
58.在一些实施例中，测试点以3个为一组，且每组的测试点沿密封层113朝向内部卷芯111的方向排布于外壳112上。
59.可以理解的是，理论上来说，在垂直于密封层113朝向内部卷芯111的方向上的水平面上，同一水平面上的外壳112各点的温度相同，故通过沿密封层113朝向内部卷芯111的方向上选取测试点。
60.以测试点的数量为3个为例，将测试点分为第一测试点、第二测试点及第三测试点，第一测试点与密封层113之间的距离最近，第三测试点与密封层113之间的距离最远。通过选取3个测试点可以测试电容模型110不同位置的温度，再通过取不同测试点测试温度的平均值作为电容模型110的当前温度，可以提高测试电容模型110温度的可靠性。
61.在一些实施例中，第一测试点与第二测试点之间的距离可以等于第二测试点与第三测试点之间的距离，通过设置等距的测试点可以避免因距离问题导致的温度的差异，通过控制变量的方式提高测试电容模型110温度的可靠性。
62.在另一些实施例中，第一测试点与第二测试点之间的距离也可以不等于第二测试点与第三测试点之间的距离，本公开实施例不对测试点之间的距离进行限制。
63.在一些实施例中，测试点之间的连线与密封层113朝向内部卷芯111的方向平行；在另一些实施例中，测试点之间的连线与密封层113朝向内部卷芯111的方向相交。
64.参考图6及图7，图6为本公开实施例提供的一种电抗模型的结构示意图，图7为本公开实施例提供一种电抗模型的爆炸图。
65.具体的，电抗模型120包括：内芯121、汇流排122、绝缘层123及线圈124，汇流排122位于内芯121侧壁，且汇流排122包括至少两个汇流脚125，绝缘层123环绕部分汇流脚125及部分内芯121，线圈124至少设置于部分绝缘层123的外壁；形成电抗模型120的步骤包括：获取内芯121、汇流排122、绝缘层123及线圈124实际物理参数，并依据实际物理参数建立电抗模型120。
66.在一些实施例中，以内芯121的材料为硅钢片为例，需要输入的内芯121的物理参数包括：硅钢片的电导率，内芯121的长度、内芯121的高度和内芯121的宽度等；以汇流排122的材料为铜为例，需要输入的汇流排122的物理参数包括：铜的电导率、汇流脚125的数量、汇流排122的长度、汇流排122的宽度和汇流排122的高度等；需要输入绝缘层123的物理参数包括：绝缘层123之间的间隙、绝缘层123的介电常数、绝缘层123的长度、绝缘层123的高度、绝缘层123的厚度等；需要输入的线圈124的物理参数包括：线圈124的个数、线圈124总匝数、绕线的截面积等，通过按照实际物理参数建立电抗模型120可以提高热仿真处理的精度。
67.在一些实施例中，还需要输入电抗模型120的额定电压、额定电抗和额定电流等电气参数。
68.通过将电抗模型120简化成内芯121、汇流排122、绝缘层123及线圈124四部分组
成，其中内芯121和线圈124均按照实际电抗结构设计了间隙，通过将电抗模型120按照实际电抗结构进行等效，可以提高整个热仿真处理的精度。
69.本公开实施例通过建立变频器模型，并将变频器模型的壳体模型100、电容模型110以及电抗模型120进行细化模拟，通过将电容模型110及电抗模型120放置在同一容纳腔130内，可以减小变频器的体积，通过将电容模型110分为内部卷芯111、外壳112、密封层113、极柱114及顶盖115，可以提高电容模型110的仿真精度，故在热仿真评估的过程中，本公开实施例提供电容模型110与真实的电容更接近，从而可以减小热仿真处理的结果与实际应用之间的偏差，相应的可以减小预留的散热余量，相应的减小成本，通过本公开实施例提供的基于热仿真的变频器结构设计方法可以为设计兼顾小型化及散热性能的变频器提供方向。
70.本公开另一实施例还提供一种变频器结构，可以采用上述部分步骤或者全部步骤形成。
71.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开实施例的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本公开实施例的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本公开实施例的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。