交流接觸器溫度場仿真及試驗驗證

1、交流接觸器溫度場仿真及試驗驗證摘 要：將ANSYS有限元熱分析應(yīng)用到交流接觸器熱特性分析中，模仿其實際工作環(huán)境， 構(gòu)建交流接觸器三維穩(wěn)態(tài)熱分析模型，確定熱源、導(dǎo)熱系數(shù)和表面散熱系數(shù)，對接觸器的穩(wěn) 態(tài)溫度場進行分析；進一步改變施加的邊界條件，研究不同散熱方式下接觸器的溫度分布。 最后對CJX2-0910型交流接觸器進行溫升試驗，將溫度場的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較，誤差 較小，表明所建立熱分析模型的可行性。研究結(jié)果對接觸器材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其性 能的優(yōu)化有重要意義。關(guān)鍵詞：交流接觸器；有限元軟件；溫度場；散熱方式；溫升試驗0引言交流接觸器工作時，溫度逐漸升高，當升高到一定溫度時，會導(dǎo)致接觸器使

2、用壽命降低， 甚至損壞1-2。而開關(guān)電器小型化的提出使得產(chǎn)品散熱面積減小，單位體積的發(fā)熱量增加。 因此，對交流接觸器進行熱分析是當前亟需進行的關(guān)鍵技術(shù)。其目的在于通過研究各種工作 狀態(tài)下接觸器的發(fā)熱和散熱情況，確保接觸器在產(chǎn)品小型化的基礎(chǔ)上滿足熱性能的要求。本文將ANSYS有限元熱分析應(yīng)用到交流接觸器熱特性分析中，模仿其實際工作環(huán)境，構(gòu) 建交流接觸器三維穩(wěn)態(tài)熱分析模型，確定熱源、導(dǎo)熱系數(shù)和表面散熱系數(shù)，對接觸器的穩(wěn)態(tài) 溫度場進行分析；改變施加的邊界條件，研究不同散熱方式下接觸器的溫度分布。最后對 CJX2-0910型交流接觸器進行溫升試驗，將溫度場的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較，驗證所建立 熱分析模

3、型的可行性。1交流接觸器三維熱分析模型交流接觸器的主要結(jié)構(gòu)包括線圈、分磁環(huán)、觸頭和動靜鐵芯等。由于其結(jié)構(gòu)的對稱性， 在ANSYS中對其進行簡化處理，只對其四分之一進行建模。1.1基本假設(shè)交流接觸器熱分析的計算基于以下假設(shè)：（1）接觸器所處的空間無限大；（2）由于結(jié)構(gòu)的 對稱性，認為對稱面是絕熱的；（3）材料各向同性；（4）外表面的對流散熱只有自然對流散熱； （5）在分析過程中環(huán)境溫度為試驗時的溫度，本文試驗時溫度為25 C。在以上假設(shè)條件下，交流接觸器穩(wěn)態(tài)熱分析中要遵循三維熱傳導(dǎo)方程3：式中：T為研究對象的溫度，入為導(dǎo)熱系數(shù)，q為熱源單位體積內(nèi)的生熱量。1.2邊界條件對于結(jié)構(gòu)對稱的交流接觸器，

4、其對稱面為絕熱邊界條件：式中：a為散熱系數(shù)，T0、Tf分別為研究對象溫度和環(huán)境溫度。式（1）、式（2）和式（3）就是所構(gòu)建的交流接觸器穩(wěn)態(tài)熱分析模型，對接觸器熱源和 散熱分析后，利用ANSYS軟件對式（1）（3）進行求解，就是對接觸器穩(wěn)態(tài)溫度場的分析。2 交流接觸器熱源分析交流接觸器工作時，其主要熱源是電磁系統(tǒng)和主回路4。2.1電磁系統(tǒng)熱源計算線圈、分磁環(huán)以及鐵芯是電磁系統(tǒng)的產(chǎn)熱元件。2.1.1線圈與分磁環(huán)的發(fā)熱功率利用ANSYS軟件中電磁場分析模塊計算線圈電流，線圈兩端電壓為交流電220 V，交流 電頻率為50 Hz。線圈的發(fā)熱功率為：分磁環(huán)可看作匝數(shù)為1的線圈，其發(fā)熱功率的計算方法與線圈相

5、同。2.1.2鐵芯損耗通過線圈的交流電流產(chǎn)生的交變磁通在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，根據(jù)鐵芯材料的鐵 磁損耗曲線進行估算5。對鐵芯施加的載荷公式為：式中：p為單位體積鐵損，m為鐵芯質(zhì)量，Pt為鐵芯發(fā)熱功率。2.2主回路熱源計算主回路產(chǎn)熱器件有三部分：主回路導(dǎo)體、動靜觸頭和接線端處接觸電阻。主回路導(dǎo)體的發(fā)熱功率：式中：I為觸頭回路流過的額定電流，Rcont為主回路導(dǎo)體電阻。計算動靜觸頭接觸處接觸電阻經(jīng)驗公式1：式中：F為接觸力。CJX2-0910型交流接觸器觸頭材料為銀觸頭，接觸方式為面接觸，K取60，對m取1。接線端視為通過螺栓固定連接，其接觸電阻計算方法6-7為：式中：cp為常數(shù)，由接觸材料決

6、定；Fk為接線端處的接觸力，這里指螺紋連接的預(yù)緊力。3交流接觸器散熱計算交流接觸器的散熱方式主要考慮3種途徑，內(nèi)部主要考慮傳導(dǎo)散熱，外部主要考慮表面 對流和輻射散熱8。內(nèi)部傳導(dǎo)散熱給定導(dǎo)熱面上熱流密度相同時，熱流量可表示為：式中：A為垂直熱流方向截面面積。一般情況下，某些材料的熱導(dǎo)率入與溫度0可近似地 表示為線性關(guān)系，即：式中：入0為0 C時的熱導(dǎo)率，0為溫度，b為常數(shù)。熱對流對于面積為A的接觸面，其對流換熱熱流速率為：式中：為熱流量； tm為接觸面的平均溫差。對流換熱系數(shù)a con取經(jīng)驗公式1：式中：Tw、Tf分別為固體表面和周圍流體的溫度。熱輻射把輻射換熱量折合成對流換熱量，得到的輻射換熱

7、系數(shù)為9：式中：a為0.119X10-10 BTU/hin2K4，故取0.9。則外表面的復(fù)合散熱系數(shù)：利用定義表格的形式，將復(fù)合散熱系數(shù)作為熱邊界條件施加，實現(xiàn)不同溫度之間相應(yīng)換 熱系數(shù)的計算。4仿真分析本設(shè)計基于有限元軟件ANSYS，建立交流接觸器三維熱分析模型，利用熱電耦合對 CJX2-0910額定電流為9 A的交流接觸器進行溫度場仿真分析，并討論不同的散熱方式對接 觸器溫度的影響。4.1接觸器溫度仿真結(jié)果交流接觸器電磁鐵和主回路的溫度仿真結(jié)果分別，圖中節(jié)點112取自交流接觸器不同 的部位，便于將仿真結(jié)果與試驗測量溫度值進行對比。根據(jù)電磁鐵溫度場的仿真結(jié)果可知，靜鐵芯處的溫度是最高的，這主

8、要是由于線圈是電 磁鐵的主要熱源，靜鐵芯處的散熱空間遠小于動鐵芯的。對接觸器主回路的溫度場分布圖分 析可知，由于接觸電阻的存在使得觸頭系統(tǒng)的溫度要高一些，特別是觸頭接觸處，其溫度最 高；接觸器中間相兩側(cè)的熱源不利于其散熱，旁邊相有一側(cè)是外殼，使得中間相的溫度(節(jié) 點9、10、11、12)比旁邊相的溫度(節(jié)點5、6、7、8)高一些。4.2 散熱方式對接觸器溫度的影響為了研究不同的散熱方式對交流接觸器穩(wěn)態(tài)溫升的影響，本設(shè)計改變施加的邊界條件， 根據(jù)CJX2-0910的工作環(huán)境溫度，在環(huán)境溫度為25 C時，對3種散熱方式下接觸器的溫度 分布進行仿真，結(jié)果。由圖35可知，對于3種散熱方式而言，在有對流

9、有輻射的散熱方式下，接觸器的溫度 最低。對于有輻射無對流和有對流無輻射這兩種方式，環(huán)境溫度為25 C時，前者對接觸器 溫度的影響低于后者。溫升試驗對交流接觸器進行溫升試驗，主回路和線圈同時通電，主回路電流為額定電流，電磁線 圈通220 V的交流電，達到穩(wěn)定溫升后，利用電阻法來測量線圈溫升，并對節(jié)點112的溫 度進行測量。線圈平均溫升仿真結(jié)果為63.8 C，試驗測量溫度為64.3 C，比仿真結(jié)果稍大。 將節(jié)點112的仿真結(jié)果與試驗測量溫度進行比較，結(jié)果。由圖6可知，節(jié)點的測量溫度與仿真結(jié)果相差不大，相比而言，主回路誤差比電磁系統(tǒng) 的稍大，但最大誤差也只有6.59%，出現(xiàn)在中間相的節(jié)點9,即觸頭接觸處。這是由于建模時 的假設(shè)和接觸電阻的簡化計算造成的，最小誤差幾乎為0，因此驗證了所建立熱分析模型的 可行性。結(jié)論本文基于有限元軟件ANSYS，建立交流接觸器三維熱分析模型；針對CJX2-0910型 接觸器溫度場進行仿真分析，得到接觸器的溫度分布圖；對其進行溫升試驗，測量接觸器不 同部位的溫度；并將試驗中測量溫度與仿真結(jié)果比較，誤差最高