熱電耦合下的繼電器溫升特性研究

引言

繼電器的散熱主要來源于兩個(gè)部分,一部分來自于線圈電阻的熱量,另一部分來自于動靜觸點(diǎn)接觸電阻流過電流而產(chǎn)生的熱量。在繼電器相對密閉的環(huán)境中如果內(nèi)部溫升過高,帶來簧片變形和底座結(jié)構(gòu)破壞等影響和危害,極有可能導(dǎo)致繼電器失效。蘇秀蘋等人提出了通過建立繼電器耦合模型并比較不同線圈電壓條件下的平均溫升,得到對應(yīng)的溫度云圖:王文龍通過建立數(shù)學(xué)模型,對繼電器接觸系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)一電一熱耦合仿真,有助于繼電器的優(yōu)化設(shè)計(jì):馬海霞等人通過建立繼電器有限元模型,分析其靜態(tài)特性并將結(jié)果應(yīng)用于動態(tài)仿真。本文根據(jù)繼電器實(shí)際工作場景,選取某一型號的直流電磁繼電器為研究對象,建立該繼電器的數(shù)學(xué)模型,整體建模后導(dǎo)入ANSYS得到熱電耦合有限元分析模型,進(jìn)而得到該電磁繼電器的溫度場云圖,并將不同線圈電壓條件下的仿真溫升數(shù)據(jù)和試驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,為改善和優(yōu)化繼電器的溫升提供了數(shù)據(jù)支持。

1建立數(shù)學(xué)模型

繼電器中熱量的傳遞主要有三種形式,分別是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。繼電器的熱源有兩個(gè)部分:一部分來自于線圈電阻的熱量,另一部分來自于動靜觸點(diǎn)接觸電阻流過電流而產(chǎn)生的熱量。當(dāng)繼電器處于熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),繼電器的發(fā)熱功率和散熱功率是相等的。下面對三種熱量傳遞形式進(jìn)行理論分析,以建立繼電器溫度場的數(shù)學(xué)模型。

1.1電傳導(dǎo)

在繼電器的熱量傳遞中,熱傳導(dǎo)是主要的形式。繼電器中如果存在溫度差異或溫度梯度,就會產(chǎn)生熱傳導(dǎo),即熱量從溫度高的地方傳遞至溫度低的地方。熱傳導(dǎo)存在于同一物體的不同部分和相互接觸的不同物體之間。根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律,可以得到熱傳導(dǎo)的方程表達(dá)式為:

式中:p為物體的密度:c為物體的比熱容:T為物體的溫度:t為時(shí)間:入為物體的導(dǎo)熱系數(shù):9+為物體內(nèi)部熱源的生熱率。

繼電器的內(nèi)部熱量主要是通過線圈和觸點(diǎn)簧片部分向其他的部件傳導(dǎo)出去,再通過散熱孔、間隙和外殼等向外傳導(dǎo),同時(shí)部分熱量通過繼電器的引腳和與引腳相連的導(dǎo)線向外傳導(dǎo),隨后以對流和輻射的形式把熱量散發(fā)到環(huán)境當(dāng)中。

1.2電對流

流體流過某一物體表面時(shí)的熱量傳遞過程稱為對流換熱。溫度差異引起的固體表面和周圍接觸的流體之間的熱量交換產(chǎn)生了對流換熱,對流換熱可以分為自然對流和強(qiáng)制對流。熱對流的過程雖然復(fù)雜,但可以應(yīng)用牛頓冷卻公式來簡單描述對流換熱,具體表達(dá)式為:

式中:o為對流換熱量:h為對流傳熱系數(shù):A為換熱面積:Al為固體表面和流體的溫度差。

1.3熱輻射

由于本身含有熱量,物體發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射,即發(fā)射電磁能并被其他物體或部件吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體表面溫度越高,輻射換熱越明顯?？梢岳盟沟俜?玻耳茲曼方程來表示輻射換熱:

式中:g表示熱流率:S表示輻射率:口表示斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù):A1為表面1的面積:F12為由表面1到表面2的形狀系數(shù):T1、T2分別是表面1、2的絕對溫度。

2有限元分析

利用Pro/E軟件對研究對象進(jìn)行整體建模并導(dǎo)入ANSYS中,首先設(shè)置繼電器模型的材料屬性,以繼電器的主要元件為例,外殼、底座設(shè)置成PBT材質(zhì),銜鐵、輒鐵設(shè)置成DT4E材質(zhì),線圈設(shè)置成純銅材質(zhì),觸點(diǎn)設(shè)置成Ag材質(zhì),動靜簧片設(shè)置成皺銅材質(zhì)。接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為適應(yīng)繼電器實(shí)體模型較復(fù)雜且邊界形狀不規(guī)則的條件,選用SoLID70單元將繼電器模型設(shè)定為四面體形狀,可以滿足對網(wǎng)格精度的要求,得到該繼電器的有限元分析模型,如圖1所示。然后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景設(shè)置繼電器側(cè)面、頂部的對流散熱系數(shù),最后將繼電器線圈部分和觸點(diǎn)簧片部分產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換為單位體積的生熱率,加載在元件上。

3溫度場云圖

利用ANSYS軟件,設(shè)定線圈激勵(lì)電壓為額定電壓12v,接觸電阻為0.6Q,設(shè)定觸點(diǎn)負(fù)載回路的電流為10A,在保留外殼和不保留外殼的兩種情況下,分別得出繼電器線圈部分和觸點(diǎn)簧片部分的溫度場分布圖,如圖2和圖3所示。為方便觀察溫度場分布,圖2中把外殼做了隱藏處理。該型號繼電器的外殼上設(shè)有散熱氣孔,如果不保留外殼意味著繼電器直接暴露在環(huán)境當(dāng)中,因此在這種情況下最高溫度和最低溫度有明顯差異。保留外殼時(shí)繼電器內(nèi)部線圈發(fā)熱和觸點(diǎn)負(fù)載回路發(fā)熱明顯要高于不保留外殼時(shí)的發(fā)熱,這主要是由空氣對流散熱造成的,繼電器外殼阻止了內(nèi)部大部分熱量與外部環(huán)境的換熱。

從上述溫度場云圖中可以看到,在線圈通電和觸點(diǎn)接觸接通負(fù)載回路后,繼電器的熱量主要聚集在線圈本體和觸點(diǎn)簧片部分,不保留外殼的情況下繼電器兩部分的溫升較低,說明有無外殼對繼電器的溫升影響較大,但保留外殼情況下繼電器的溫升仍在可承受范圍之內(nèi)。繼電器的線圈散熱主要有兩個(gè)方向,一是通過線圈本體向輒鐵、銜鐵傳遞熱能,二是通過線圈向周圍環(huán)境和空氣傳遞熱量,即主要有對流和傳導(dǎo)兩種形式。銜鐵的熱量主要來自于輒鐵傳遞的熱量,所以線圈的散熱主要是經(jīng)過輒鐵、銜鐵、線圈引腳傳遞熱量,再傳遞到底座,最終將熱量傳遞至空氣當(dāng)中,周圍環(huán)境溫度受此影響略微升高。繼電器的觸點(diǎn)負(fù)載回路散熱主要是通過簧片引腳、底座以及塑料推塊傳遞熱量,也是以對流和傳導(dǎo)的形式為主。因此,線圈散熱和觸點(diǎn)負(fù)載回路散熱相互作用和影響,由此形成繼電器整體溫度場分布。

4分析與結(jié)論

通過給線圈加上不同的激勵(lì)電壓,使用ANSSS進(jìn)行熱電耦合分析,可以得到線圈的仿真溫升值。在保留繼電器外殼的前提下,采用經(jīng)典的電阻法進(jìn)行溫升測試,采集線圈發(fā)熱時(shí)對應(yīng)電阻變化的數(shù)據(jù),計(jì)算得到平均溫升值,由此即得到試驗(yàn)測試值。試驗(yàn)中激勵(lì)電壓設(shè)定的范圍為Y9.6~1V。表~為保留外殼的情況下繼電器的線圈平均溫升數(shù)據(jù),同時(shí)用仿真溫升值與試驗(yàn)測試值差值的絕對值除以試驗(yàn)測試值得到百分比,即表1中的誤差率。

綜合比較線圈的仿真平均溫升值和試驗(yàn)測試值可以看出,仿真溫升值相較于試驗(yàn)測試值偏小,兩者之間最大的差值為494K,誤差率在1%以內(nèi),故經(jīng)過簡化建立的繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型是有效的,誤差率在合理范圍之內(nèi)。

誤差的來源主要在于:

(1)仿真中環(huán)境溫度是恒定不變的,但實(shí)際測試時(shí)環(huán)境溫度是會受到外部因素影響變化的:

(2)簡化了對發(fā)熱功率和散熱功率影響較小的零部件:

(3)在設(shè)置零部件材料屬性時(shí)存在一些小的偏差。

因此,在繼電器應(yīng)用和設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫升較高的部分,以免因其溫升過高導(dǎo)致繼電器結(jié)構(gòu)被破壞從而失效。另外,研發(fā)設(shè)計(jì)繼電器時(shí),在確保機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度的前提下,應(yīng)盡量選擇傳導(dǎo)系數(shù)大的塑料材質(zhì)來制作底座、外殼和塑料塊。

5結(jié)語

本文對繼電器的發(fā)熱過程進(jìn)行了詳細(xì)分析,基于熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射原理分析建立了數(shù)學(xué)模型,然后利用ANSSS軟件建立直流電磁繼電器的有限元分析模型,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置材料、對流系數(shù)、傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)并進(jìn)行熱電耦合溫度場分析,對仿真溫升值和試驗(yàn)測試溫升值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小,驗(yàn)證了模型的有效性和溫度場仿真分析的正確性。從溫度云圖中發(fā)現(xiàn)繼電器發(fā)熱主要聚集在線圈部分和觸點(diǎn)接觸部分,在繼電器的設(shè)計(jì)開發(fā)中需要特別關(guān)注這兩部分的溫升變化,以保障繼電器性能指標(biāo)正常。分析結(jié)果可以為同類型的直流電磁繼電器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)和思路,也可為研發(fā)設(shè)計(jì)新型繼電器產(chǎn)品提供理論和數(shù)據(jù)支持。