0 引言

    交流接觸器工作時(shí),，溫度逐漸升高，當(dāng)升高到一定溫度時(shí),，會(huì)導(dǎo)致接觸器使用壽命降低，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(duì)交流接觸器進(jìn)行熱分析是當(dāng)前亟需進(jìn)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(shí)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(duì)接觸器的穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)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(duì)CJX2-0910型交流接觸器進(jìn)行溫升試驗(yàn),，將溫度場的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證所建立熱分析模型的可行性,。

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(dòng)靜鐵芯等。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,，在ANSYS中對(duì)其進(jìn)行簡化處理,，只對(duì)其四分之一進(jìn)行建模。

1.1 基本假設(shè)

    交流接觸器熱分析的計(jì)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(duì)稱性,，認(rèn)為對(duì)稱面是絕熱的；(3)材料各向同性,；(4)外表面的對(duì)流散熱只有自然對(duì)流散熱,；(5)在分析過程中環(huán)境溫度為試驗(yàn)時(shí)的溫度，本文試驗(yàn)時(shí)溫度為25 ℃,。

    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(duì)象的溫度，λ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(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱的交流接觸器，其對(duì)稱面為絕熱邊界條件：

式中：α為散熱系數(shù),，T₀,、T_f分別為研究對(duì)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(duì)接觸器熱源和散熱分析后，利用ANSYS軟件對(duì)式（1）～（3）進(jìn)行求解,，就是對(duì)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(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)算方法與線圈相同,。

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(jìn)行估算^[5],。

    對(duì)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，P_t為鐵芯發(fā)熱功率。

2.2 主回路熱源計(jì)算

    主回路產(chǎn)熱器件有三部分：主回路導(dǎo)體,、動(dòng)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，R_cont為主回路導(dǎo)體電阻,。

    計(jì)算動(dòng)靜觸頭接觸處接觸電阻經(jīng)驗(yàn)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(duì)m取1。

    接線端視為通過螺栓固定連接,，其接觸電阻計(jì)算方法^[6-7]為：

式中：c·ρ為常數(shù),，由接觸材料決定；F_k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(jì)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(duì)流和輻射散熱^[8],。

3.1 內(nèi)部傳導(dǎo)散熱

    給定導(dǎo)熱面上熱流密度相同時(shí)，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λ與溫度θ可近似地表示為線性關(guān)系，即：

式中：λ₀為0 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率,，θ為溫度,，b為常數(shù)。

3.2 熱對(duì)流

    對(duì)于面積為A的接觸面,，其對(duì)流換熱熱流速率為：

式中：φ為熱流量,；Δt_m為接觸面的平均溫差。

    對(duì)流換熱系數(shù)α_con取經(jīng)驗(yàn)公式^[1]：

式中：T_w,、T_f分別為固體表面和周圍流體的溫度。

3.3 熱輻射

    把輻射換熱量折合成對(duì)流換熱量,，得到的輻射換熱系數(shù)為^[9]：

式中：σ為0.119×10^-10 BTU/h·in²·K⁴,，故ε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(shí)現(xiàn)不同溫度之間相應(yīng)換熱系數(shù)的計(jì)算。

4 仿真分析

    本設(shè)計(jì)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(duì)CJX2-0910額定電流為9 A的交流接觸器進(jìn)行溫度場仿真分析，并討論不同的散熱方式對(duì)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)果分別如圖1和圖2所示,，圖中節(jié)點(diǎn)1～12取自交流接觸器不同的部位,，便于將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量溫度值進(jìn)行對(duì)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(yuǎn)小于動(dòng)鐵芯的,。對(duì)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(diǎn)9,、10、11,、12）比旁邊相的溫度(節(jié)點(diǎn)5,、6、7,、8)高一些,。

4.2 散熱方式對(duì)接觸器溫度的影響

    為了研究不同的散熱方式對(duì)交流接觸器穩(wěn)態(tài)溫升的影響，本設(shè)計(jì)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 ℃時(shí)，對(duì)3種散熱方式下接觸器的溫度分布進(jìn)行仿真,，結(jié)果如圖3～5所示,。

    由圖3～5可知，對(duì)于3種散熱方式而言,，在有對(duì)流有輻射的散熱方式下,，接觸器的溫度最低。對(duì)于有輻射無對(duì)流和有對(duì)流無輻射這兩種方式,，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),，前者對(duì)接觸器溫度的影響低于后者。

5 溫升試驗(yàn)

    對(duì)交流接觸器進(jìn)行溫升試驗(yàn),，主回路和線圈同時(shí)通電,，主回路電流為額定電流，電磁線圈通220 V的交流電,，達(dá)到穩(wěn)定溫升后,，利用電阻法來測量線圈溫升,，并對(duì)節(jié)點(diǎn)1～12的溫度進(jìn)行測量。線圈平均溫升仿真結(jié)果為63.8 ℃,，試驗(yàn)測量溫度為64.3 ℃,，比仿真結(jié)果稍大。將節(jié)點(diǎn)1～12的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量溫度進(jìn)行比較,，結(jié)果如圖6所示,。

    由圖6可知，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)9,，即觸頭接觸處。這是由于建模時(shí)的假設(shè)和接觸電阻的簡化計(jì)算造成的,，最小誤差幾乎為0,，因此驗(yàn)證了所建立熱分析模型的可行性。

6 結(jié)論

    （1）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(duì)CJX2-0910型接觸器溫度場進(jìn)行仿真分析，得到接觸器的溫度分布圖,；對(duì)其進(jìn)行溫升試驗(yàn),，測量接觸器不同部位的溫度；并將試驗(yàn)中測量溫度與仿真結(jié)果比較,，誤差最高僅6.59%,，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

    （2）不管是對(duì)流散熱還是輻射散熱,，它們對(duì)接觸器溫升的影響較大,，工程上在對(duì)接觸器進(jìn)行溫升分析時(shí)，二者都不可忽視,。

    （3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,，可以利用有限元軟件對(duì)產(chǎn)品的溫度場仿真，驗(yàn)證參數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理,，輔助接觸器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),，這對(duì)降低接觸器研制費(fèi)用、縮短開發(fā)周期有指導(dǎo)意義,。

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