一種欠壓脫扣器線圈溫度場計(jì)算與分析

羅錦華，伍開建，羅欣宇，祝 聰

一種欠壓脫扣器線圈溫度場計(jì)算與分析

羅錦華，伍開建，羅欣宇，祝 聰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文基于Ansys Workbench分析了一種直流長時(shí)工作制的欠壓脫扣器線圈溫升，并通過物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該分析的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明，通過仿真計(jì)算可以準(zhǔn)確分析脫扣器線圈的溫升參數(shù)，為快速高效設(shè)計(jì)最優(yōu)的線圈提供理論基礎(chǔ)。

欠壓脫扣器 線圈 溫升

0 引言

當(dāng)?shù)蛪号潆姾陀秒婋娐芬虬l(fā)生故障而使網(wǎng)絡(luò)電壓大幅度降低時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致：1）減少發(fā)電機(jī)的出力；2）線路損耗增加；3）電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)疲勞、堵轉(zhuǎn)，電流增加，溫升升高；4）控制電路的電磁鐵吸力不足，操作控制失靈，觸頭燒損嚴(yán)重，使電動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)等。因此在回路中設(shè)計(jì)裝有欠壓脫扣器的保護(hù)電器，及時(shí)切斷故障電路，保護(hù)回路設(shè)備至關(guān)重要。欠壓脫扣器通常為不間斷工作制，工作時(shí)線圈發(fā)熱量大且散熱條件差是一個(gè)突出的問題。若線圈溫升過高，會(huì)導(dǎo)致絕緣老化，降低使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致匝間擊穿、短路以致燒毀。因而其設(shè)計(jì)過程中對(duì)欠壓脫扣器線圈進(jìn)行溫升設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1～3]。

在欠壓脫扣器線圈溫升設(shè)計(jì)中，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式校核初步設(shè)計(jì)的線圈，然后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)[4]。為了保證設(shè)計(jì)效率，會(huì)留有較大設(shè)計(jì)裕度，增加產(chǎn)品成本，并且設(shè)計(jì)周期長。本文基于Ansys Workbench對(duì)欠壓脫扣器線圈進(jìn)行溫度場仿真分析，從建立有限元模型，施加載荷、邊界條件和后處理分析結(jié)果方面介紹了整個(gè)分析流程，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了該分析的正確性和可行性。

1 組成結(jié)構(gòu)

圖1為該欠壓脫扣器線圈的組成結(jié)構(gòu)示意圖。由于該脫扣器是直流驅(qū)動(dòng)，無需考慮渦流的影響。脫扣器的動(dòng)鐵芯和靜鐵芯都是由導(dǎo)磁材料硅鋼片通過鉚接而成，以便給線圈通電時(shí)形成磁場回路。由具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的酚醛玻璃纖壓塑料壓制而成的線圈骨架固定在靜鐵芯中，而線圈纏繞在線圈骨架中。在線圈的外圓面用無堿帶和直紋布帶纏繞，加強(qiáng)線圈與相鄰零件之間的絕緣。當(dāng)線圈通電后，動(dòng)鐵芯將在磁場的作用下克服彈簧力順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與靜鐵芯接觸完成吸合動(dòng)作。

圖1 欠壓脫扣器結(jié)構(gòu)示意圖

2 理論分析

2.1 發(fā)熱分析

本欠壓脫扣器線圈為直流線圈，主要發(fā)熱來自于電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻損耗。發(fā)熱量表示如下：

然而，隨著線圈發(fā)熱，線圈溫度發(fā)生變化，導(dǎo)線的電阻率也隨之變化，從而影響線圈的發(fā)熱功率。對(duì)于長時(shí)工作制的線圈，發(fā)熱功率隨著通電時(shí)間的增大不停變化，因此，線圈的發(fā)熱是一個(gè)非線性過程，用傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算出線圈的發(fā)熱量的誤差非常大。本文根據(jù)網(wǎng)上相關(guān)數(shù)據(jù)得到銅的電阻率與溫度之間的關(guān)系如表1所示。

表1 不同溫度下同導(dǎo)線的電阻率

2.2 散熱分析

欠壓脫扣器線圈的散熱有三種方式，即傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。在實(shí)際工作中，這三種散熱方式共同存在，相互影響，因此在實(shí)際熱計(jì)算中，通常并不分別單獨(dú)考慮。為了簡約起見，常把三種散熱方式合并在一起計(jì)算，用一個(gè)綜合散熱系數(shù)考慮，如下：

上式就把一系列極其復(fù)雜的影響散熱過程的因素全部考慮在散熱系數(shù)中，因此，在用這種方法計(jì)算散熱時(shí)，最重要的問題在于散熱系數(shù)的選取。

散熱系數(shù)并不是常數(shù)，而與發(fā)熱體的溫度和周圍介質(zhì)的溫度有關(guān)，對(duì)于線圈，可以用以下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算散熱系數(shù)。

通常還需要利用模型實(shí)驗(yàn)重新校核散熱系數(shù)，才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

3 仿真分析

3.1 有限元模型

如下圖所示，在Ansys Workbench中建立有限元模型。為了簡化計(jì)算并貼近實(shí)際工況，本文只選擇與線圈繞組相關(guān)的零件進(jìn)行熱分析。線圈繞組為主要發(fā)熱源，纏繞在線圈骨架上，線圈骨架為絕緣件，固定線圈繞組用，導(dǎo)熱系數(shù)較低。在線圈繞組的外面有一層外包絕緣，起絕緣保護(hù)作用，同時(shí)也妨礙了線圈繞組的散熱。骨架中間為欠壓脫扣器的靜鐵芯，導(dǎo)熱系數(shù)較高，有利于將線圈繞組內(nèi)部的熱量輸送到空氣中。外包絕緣包括無堿帶和直紋布帶兩層，本文用一層0.5 mm后的絕緣層表示。因?yàn)榫€圈繞組的匝數(shù)太多，實(shí)際建模計(jì)算量太大，本文選擇用矩形螺旋彈簧等效，通過設(shè)置材料的電阻率使得等效后的電阻值與實(shí)際設(shè)計(jì)電阻值相同即可，如圖2（b）所示。

3.2 載荷及邊界條件

對(duì)欠壓脫扣器溫度場進(jìn)行仿真，定義各部分材料的基本物理參數(shù)如表2所示。材料的熱傳導(dǎo)率隨著溫度變化而變化，但是變化率非常小，對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響小，可以忽略不計(jì)。

圖2 線圈有限元模型

表2 材料屬性

考慮到該欠壓脫扣器的線圈為直流長時(shí)工作制，主要的熱源就是線圈電阻發(fā)熱，而線圈電阻發(fā)熱與線圈阻值和輸入電壓有關(guān)，考慮到輸入電壓為定值，因此只需設(shè)置好線圈繞組阻值即可。線圈的電阻率與溫度的關(guān)系如表1所示，根據(jù)電阻率可以準(zhǔn)確計(jì)算線圈在各個(gè)溫度下的電阻值。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，線圈中由于通過電流產(chǎn)生的電阻損耗全部從表面散出，即線圈的發(fā)熱應(yīng)等于散熱。因此，線圈與空氣之間的對(duì)流散熱系數(shù)的設(shè)置也至關(guān)重要。根據(jù)前面所述，可由式（3）計(jì)算出各個(gè)溫度下的散熱系數(shù)，如圖3所示，作為該仿真分析的邊界條件。

圖3 散熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述載荷和邊界條件，對(duì)欠壓脫扣器的線圈進(jìn)行溫度場仿真計(jì)算，環(huán)境溫度為22℃，為了更加接近實(shí)際工況，加載的載荷和邊界條件都是隨溫度變化的，所以進(jìn)行的熱計(jì)算是非線性的，計(jì)算時(shí)間較長，最終得到線圈的穩(wěn)態(tài)溫度場分析結(jié)果如下。

圖4 線圈溫度場分布云圖

由圖4線圈溫度場分布云圖可知，線圈繞組為發(fā)熱源，溫度最高，處于線圈中心的鐵芯溫度與線圈相近，熱量從線圈表面散發(fā)空氣中，所以離線圈越遠(yuǎn)，空氣溫度越低，并且最終穩(wěn)態(tài)溫度為92.6℃，環(huán)境溫度為22℃，所以線圈最終溫升為70.6℃，滿足GJB 5A-1999中對(duì)線圈溫升規(guī)定的要求。

4 實(shí)驗(yàn)研究

按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)加工了物理樣機(jī)，如下圖所示。其中圖4（a）為欠壓脫扣器的實(shí)物照片，圖4（b）為線圈的實(shí)物照片。

圖4 欠壓脫扣器實(shí)物照片

對(duì)欠壓脫扣器線圈進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所述采用電阻法測(cè)量線圈的溫升，即給線圈施加DC220V直流電壓，測(cè)量線圈的電阻，然后根據(jù)公式（5）來計(jì)算線圈的溫升[5]，結(jié)果如表3所示。

表3 線圈溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以知道，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。其中實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果略高于計(jì)算結(jié)果，分析可能存在以下原因：分析模型簡化了動(dòng)鐵芯，實(shí)物樣機(jī)中動(dòng)鐵芯零件完整，總體表面散熱面積較大，散熱較好；材料屬性設(shè)計(jì)與實(shí)際參數(shù)有誤差；人為測(cè)量有誤差。實(shí)驗(yàn)證明理論計(jì)算基本與實(shí)驗(yàn)一致。

5 結(jié)論

本文結(jié)合仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，分析了一種欠壓脫扣器線圈的溫升，結(jié)果證明，仿真計(jì)算可以準(zhǔn)確分析線圈的溫度場，從而可以獲得線圈設(shè)計(jì)時(shí)溫升方面的參數(shù)，為線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

[1] 張冠生. 電器學(xué)[M]. 中國工業(yè)出版社, 1961.

[2] 連理枝. 低壓斷路器及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[3] 寶齡. 電磁電器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1989．

[4] 王曉峰, 唐武進(jìn), 耿英三. 利用ANSYS軟件進(jìn)行直流螺管式電磁鐵溫度場分析[J]. 電機(jī)電器技術(shù), 2002, (6): 45-47.

[5] 王春民, 沙超, 孫磊,等. 基于ANSYS的直流電磁鐵溫度場仿真分析[J]. 液壓與氣動(dòng), 2015(12):4.

Simulation and analysis of the coil’s temperature field of an under-voltage release

Luo Jinhua, Wu Kaijian, Luo Xinyu, Zhu Cong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）08-0012-04

2022-05-27

羅錦華（1966-），男，研究員。研究方向：開關(guān)電器。E-mail:15971501722@139.com