CN114386286A - 基于高导热云母带制作的主绝缘导热系数计算方法及*** - Google Patents
基于高导热云母带制作的主绝缘导热系数计算方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法及***，S1：基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，计算模型中各组分的体积分数；S2：基于导热填料特性计算导热涂层导热系数，采用等效热路法计算云母带导热系数。S3：建立浸渍后云母带的等效热路模型，获得浸渍云母带的导热系数方程；S4：计算浸渍后云母纸层的导热系数，并采用等效热路法计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。本发明的优点在于：通过云母带的微观结构分析，确定云母带的热路模型，可对高导热云母带及其绕包主绝缘的导热性能进行可靠预测，大大缩短大型发电机定子线棒高导热绝缘技术的开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及导热绝缘技术领域，尤其涉及一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法及***。
背景技术
随着大型发电机电压等级与单机容量的不断提高，发电机的主绝缘体系面临着新的挑战。在主绝缘结构保持不变的前提下，提高容量必然带来更大的温升，从而降低发电机性能，引起绝缘材料老化并导致寿命缩短。为了将铜线的发热更好地传导出去，提高主绝缘的导热性能是必要且有效的措施。
云母带是制备主绝缘的基础材料，其结构与热导率是影响主绝缘导热性能的关键因素。当前，国外已有系列高导热云母带产品出现，其结构包括云母纸、粘结树脂、玻璃布与导热涂层，其中云母纸与玻璃布通过粘结树脂粘合，导热涂层则涂敷在玻璃布的外侧。然而这些高导热云母带的微观结构与导热性能均存在一定差异，这给主绝缘材料的选型带来了一定的盲目性。由于验证试验周期非常长，包括绝缘结构设计与工艺研究、线棒以及模拟绕组导热性能试验等，需要耗费大量时间、人力和物力。因此有必要在研发的早期阶段，根据高导热云母带产品的成分数据，对云母带及其绕包主绝缘的导热性能进行预测，来初步筛选主绝缘材料。
目前针对这类含导热涂层云母带导热性能的计算研究鲜见报道，采用有限元分析是可用方法之一，但有限元软件操作繁琐，并且难以实现微观尺度上的准确模拟。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘的导热系数计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，包括，
S1：基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
S2：基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
S3：根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
S4：根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于S3中的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
优选的，如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则构建云母带的串联通道导热模型，
其中，λt为云母带导热系数，
λp分别为云母纸层体积分数与导热系数，
λb分别为粘结树脂层体积分数与导热系数，
λg分别为玻璃布层体积分数与导热系数，
λc分别为导热涂层体积分数与导热系数；
如果导热涂层中的部分导热树脂进入玻璃布层并填满空隙，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和导热树脂的并联通道，构建云母带的串并联通道导热模型，
其中，λgf为玻璃纤维导热系数，n为玻璃布的空隙率。
优选的，所述计算导热涂层导热系数的方法为，
如果导热涂层为球状导热填料填充复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，λm为基体树脂导热系数，λf为导热填料导热系数，
为导热填料在导热涂层中的体积分数，R为与界面热阻相关的修正系数且有0＜R＜1；
如果导热涂层为片状导热填料填充的复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，γ为片状导热填料的厚径比；将计算得到的导热涂层代入到云母带的导热模型中得到云母带导热系数。
优选的，所述云母纸层中浸渍树脂含量的计算公式为，
其中，
云母纸层中浸渍树脂的体积含量，ρp为云母纸的密度，ρmf为云母片的密度。
优选的，如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和浸渍树脂的并联通道，构建浸渍云母带的串并联导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
其中，λit为浸渍云母带导热系数，λip为浸渍云母纸导热系数，λi为浸渍树脂导热系数，
为主绝缘浸渍树脂体积分数；
如果云母带微观结构中玻璃布层空隙被导热树脂填满，则构建浸渍云母带的串并联通道导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
所述浸渍云母带的导热系数方程即为主绝缘的绝缘导热系数近似值。
优选的，所述计算浸渍后云母纸层的导热系数的方法为，
将浸渍后的云母纸层简化为云母片随机填充在浸渍树脂基复合材料内，则浸渍云母纸导热系数方程为，
其中，λmf为云母片的导热系数，γ′为云母片的厚径比；将计算得到的浸渍云母纸导热系数方程代入到所述浸渍云母带的导热模型中，计算得到所述浸渍后云母带的导热系数。
发明还公开了一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算***，包括，
云母带等效热路模型构建模块，基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
云母带导热系数计算模块，基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
浸渍云母带等效热路模型构建模块，根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
浸渍云母带导热系数计算模块，根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于所述浸渍云母带的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
本发明的有益效果是：
1、高导热云母带绕包主绝缘导热性能验证试验周期很长，利用本发明可节省大量时间、人力和物力；计算
2、有限元软件计算云母带及主绝缘导热系数操作繁琐，且难以实现微观尺度上的准确模拟，本发明计算方法考虑了云母带的微观结构，导热涂层中导热填料以及浸渍云母层中云母片的导热系数、形状、尺寸、取向等因素的影响，可对高导热云母带及其绕包主绝缘的导热性能进行预测，且结果与实验相吻合；
3、本发明为高导热云母带的选型以及主绝缘导热性能的预测提供了理论基础，用于大型发电机定子线棒高导热绝缘技术的开发，具有方法科学，实用性强，耗时少，成本低等优点。
附图说明
下面将结合附图及实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例提供的基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的云母带玻璃布层SEM图像；
图3为本发明实施例提供的云母带的串并联通道导热模型；
图4为本发明实施例提供的浸渍云母带串并联通道导热模型；
图5是本发明实施例提供的基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算***的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
如图1所示，本实施例提供了一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，包括，
S1：基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
S2：基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
S3：根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
S4：根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于S3中的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
本实施例通过云母带的微观结构分析，确定云母带的热路模型，并根据云母带的组分含量快速准确的计算出云母带的导热系数，不需要进行大量的分析实验，节省时间和成本。在云母带导热模型上改进云母纸层和增加浸渍树脂层得到主绝缘的等效导热模型，通过计算浸渍云母带的导热系数来预测主绝缘的导热性能。在计算导热涂层和浸渍云母纸层导热系数时也采用了独到的方法，考虑了导热填料导热系数、形状、尺寸、取向等因素。采用本实施例可对高导热云母带及其绕包主绝缘的导热性能进行可靠预测，大大缩短大型发电机定子线棒高导热绝缘技术的开发周期。
具体的，本实施例以氮化硼微粉填充的环氧树脂基符合材料制作的粘结树脂和导热涂层制作的云母带为例进行分析，首先计算云母带的导热系数，方法为，
S1：基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则构建云母带的串联通道导热模型，导热系数方程为，
其中，λt为云母带导热系数，
λp分别为云母纸层体积分数与导热系数，
λb分别为粘结树脂层体积分数与导热系数，
λg分别为玻璃布层体积分数与导热系数，
λc分别为导热涂层体积分数与导热系数；
如果导热涂层中的部分导热树脂进入玻璃布层并填满空隙，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和导热树脂的并联通道，构建韵母带的串并联通道导热模型，云母带的导热系数方程为，
其中，λgf为玻璃纤维导热系数，n为玻璃布的空隙率。
通过SEM分析待测云母带的微观结构，如图2所示，其玻璃布空隙被导热树脂填满，将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和导热树脂的并联通道，构建的云母带的串并联通道导热模型如图3所示，云母带导热系数方程为，
根据云母带成分含量计算得到模型中各组分的体积分数为：
另外已知n＝18.8％，λp＝0.37W/m·K，λgf＝0.99W/m·K，λb＝λc，求解出导热涂层的导热系数λc即可的得到云母带的导热系数。
S2：基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
如果导热涂层为球状导热填料填充复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，λm为基体树脂导热系数，λf为导热填料导热系数，
为导热填料在导热涂层中的体积分数，R为与界面热阻相关的修正系数且有0＜R＜1；
如果导热涂层为片状导热填料填充的复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，γ为片状导热填料的厚径比。
氮化硼为片状材料，因此其导热系数方程为，
其中，λm＝0.2W/m·K，λf＝30～300W/m·K，
γ＝11.9％，忽略界面热阻的影响取R＝1，则计算得到λc＝2.2～2.5W/m·K，代入云母带导热系数方程，得到λt＝0.585～0.592W/m·K。
S3：根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
所述云母纸层中浸渍树脂含量的计算公式为，
其中，
云母纸层中浸渍树脂的体积含量，ρp为云母纸的密度，ρmf为云母片的密度；
本实施中，ρp＝1.6g/cm3，ρmf＝2.81g/cm3，计算得到
如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和浸渍树脂的并联通道，构建浸渍云母带的串并联导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
其中，λit为浸渍云母带导热系数，λip为浸渍云母纸导热系数，λi为浸渍树脂导热系数，
为主绝缘浸渍树脂体积分数；
如果云母带微观结构中玻璃布层空隙被导热树脂填满，则构建浸渍云母带的串并联通道导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
所述浸渍云母带的导热系数方程即为主绝缘的绝缘导热系数近似值。
本实施例中玻璃布空隙被导热树脂填满，构建的浸渍云母带的串并联通道导热模型如图4所示，则浸渍云母带的导热系数方程为，
其中，λi＝0.2W/m·K，根据主绝缘浸渍树脂质量分数计算得到的浸渍树脂体积分数
根据上式可知，计算出浸渍云母纸导热系数λip即可求出浸渍云母带的导热系数λit。
S4：根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于S3中的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
将浸渍后的云母纸层简化为云母片随机填充在浸渍树脂基复合材料内，则浸渍云母纸导热系数方程为，
其中，λmf为云母片的导热系数，γ′为云母片的厚径比；
在本实施例中，λmf＝0.51W/m·K，γ′＝1％～2％，R＝1；计算得到λip＝0.307W/m·K，代入浸渍云母带导热系数方程，得到λit＝0.367～0.369W/m·K，即主绝缘导热系数的近似值。
通过本实施例的方法计算得到的云母带导热系数为λt＝0.585～0.592W/m·K，主绝缘导热系数为λit＝0.367～0.369W/m·K；通过测试，本实施例使用的云母带的导热系数为λt＝0.57W/m·K，绕包主绝缘的导热系数为λit＝0.364W/m·K，本实施例的预测结果与实际结果相吻合，复合预测要求。
参考图5，本实施例还提供了一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算***，包括，
云母带等效热路模型构建模块，基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
云母带导热系数计算模块，基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
浸渍云母带等效热路模型构建模块，根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
浸渍云母带导热系数计算模块，根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于所述浸渍云母带的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、设备(***)或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：包括，
S1：基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
S2：基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
S3：根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
S4：根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于S3中的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，以近似获得主绝缘的导热系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则构建云母带的串联通道导热模型，
其中，λt为云母带导热系数，
λp分别为云母纸层体积分数与导热系数，
λb分别为粘结树脂层体积分数与导热系数，
λg分别为玻璃布层体积分数与导热系数，
λc分别为导热涂层体积分数与导热系数；
如果导热涂层中的部分导热树脂进入玻璃布层并填满空隙，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和导热树脂的并联通道，构建云母带的串并联通道导热模型，
其中，λgf为玻璃纤维导热系数，n为玻璃布的空隙率。
3.根据权利要求1所述的一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：所述计算导热涂层导热系数的方法为，
如果导热涂层为球状导热填料填充复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，λm为基体树脂导热系数，λf为导热填料导热系数，
为导热填料在导热涂层中的体积分数，R为与界面热阻相关的修正系数且有0＜R＜1；
如果导热涂层为片状导热填料填充的复合材料体系，则导热涂层导热系数方程为，
其中，γ为片状导热填料的厚径比；将计算得到的导热涂层代入到云母带的导热模型中得到云母带导热系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：所述云母纸层中浸渍树脂含量的计算公式为，
其中，
云母纸层中浸渍树脂的体积含量，ρp为云母纸的密度，ρmf为云母片的密度。
5.根据权利要求4所述的一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：如果云母带微观结构中玻璃布空隙中未填充导热树脂，则将玻璃布层导热通道简化为玻璃纤维和浸渍树脂的并联通道，构建浸渍云母带的串并联导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
其中，λit为浸渍云母带导热系数，λip为浸渍云母纸导热系数，λi为浸渍树脂导热系数，
为主绝缘浸渍树脂体积分数；
如果云母带微观结构中玻璃布层空隙被导热树脂填满，则构建浸渍云母带的串并联通道导热模型，浸渍云母带的导热系数方程为，
所述浸渍云母带的导热系数方程即为主绝缘的绝缘导热系数近似值。
6.根据权利要求5所述的一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算方法，其特征在于：所述计算浸渍后云母纸层的导热系数的方法为，
将浸渍后的云母纸层简化为云母片在面内随机分布的浸渍树脂基复合材料，则浸渍云母纸导热系数方程为，
其中，λmf为云母片的导热系数，γ′为云母片的厚径比；将计算得到的浸渍云母纸导热系数方程代入到所述浸渍云母带的导热模型中，计算得到所述浸渍后云母带的导热系数。
7.一种基于含导热涂层的云母带制作的主绝缘导热系数计算***，其特征在于：包括，
云母带等效热路模型构建模块，基于云母带的微观结构，建立云母带的等效热路模型，并根据云母带成分含量计算模型中各组分的体积分数；
云母带导热系数计算模块，基于导热填料在导热涂层中的体积分数计算导热涂层导热系数，基于等效热路模型计算云母带导热系数；
浸渍云母带等效热路模型构建模块，根据云母带导热系数方程，建立反应浸渍后云母带导热系数与浸渍云母纸导热系数关系的等效热路模型，并计算云母纸层中浸渍树脂含量，根据主绝缘浸渍树脂含量与云母带空隙中浸渍树脂含量的差值计算模型中浸渍树脂层的体积分数；
浸渍云母带导热系数计算模块，根据浸渍后云母纸层的分布模型计算浸渍后云母纸层的导热系数，基于所述浸渍云母带的等效热路模型计算浸渍后云母带的导热系数，近似获得主绝缘的导热系数。
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