熱電耦合下的繼電器溫升特性研究

摘要：針對(duì)直流電磁繼電器因溫升過(guò)高導(dǎo)致壽命下降甚至失效的問(wèn)題，首先對(duì)繼電器的發(fā)熱過(guò)程進(jìn)行研究與分析并建立數(shù)學(xué)模型；然后利用ANSYS軟件對(duì)繼電器的熱電耦合溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到溫度場(chǎng)云圖和不同激勵(lì)電壓下溫升仿真數(shù)據(jù)；最后與電阻法溫升測(cè)試試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性和溫度場(chǎng)仿真分析的正確性。另外，由分析可知，繼電器應(yīng)用和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫升較高的部分，以免因其溫升過(guò)高導(dǎo)致繼電器失效，這為繼電器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：ANSYS；電磁繼電器；熱電耦合仿真；溫度場(chǎng)云圖

中圖分類號(hào)：TM581.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）08-0009-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.003

0" " 引言

繼電器的散熱主要來(lái)源于兩個(gè)部分，一部分來(lái)自于線圈電阻的熱量，另一部分來(lái)自于動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸電阻流過(guò)電流而產(chǎn)生的熱量。在繼電器相對(duì)密閉的環(huán)境中如果內(nèi)部溫升過(guò)高，帶來(lái)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(píng)等人[1]提出了通過(guò)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(duì)應(yīng)的溫度云圖；王文龍[2]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)繼電器接觸系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)—電—熱耦合仿真，有助于繼電器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；馬海霞等人[3]通過(guò)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(dòng)態(tài)仿真。本文根據(jù)繼電器實(shí)際工作場(chǎng)景，選取某一型號(hào)的直流電磁繼電器為研究對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)流和熱輻射。繼電器的熱源有兩個(gè)部分：一部分來(lái)自于線圈電阻的熱量，另一部分來(lái)自于動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸電阻流過(guò)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(duì)三種熱量傳遞形式進(jìn)行理論分析，以建立繼電器溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。

1.1" " 熱傳導(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(huì)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[4]，可以得到熱傳導(dǎo)的方程表達(dá)式為：

式中：ρ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；λ為物體的導(dǎo)熱系數(shù)；qV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(guò)線圈和觸點(diǎn)簧片部分向其他的部件傳導(dǎo)出去，再通過(guò)散熱孔、間隙和外殼等向外傳導(dǎo)，同時(shí)部分熱量通過(guò)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(duì)流和輻射的形式把熱量散發(fā)到環(huán)境當(dāng)中。

1.2" " 熱對(duì)流

流體流過(guò)某一物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程稱為對(duì)流換熱[5]。溫度差異引起的固體表面和周?chē)佑|的流體之間的熱量交換產(chǎn)生了對(duì)流換熱，對(duì)流換熱可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流的過(guò)程雖然復(fù)雜，但可以應(yīng)用牛頓冷卻公式[6]來(lái)簡(jiǎn)單描述對(duì)流換熱，具體表達(dá)式為：

式中：φ為對(duì)流換熱量；h為對(duì)流傳熱系數(shù)；A為換熱面積；Δt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[7]，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(guò)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[8]來(lái)表示輻射換熱：

式中：q表示熱流率；ε表示輻射率；σ表示斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)[9]；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(duì)溫度。

2" " 有限元分析

利用Pro/E軟件對(duì)研究對(duì)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、軛鐵設(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(dòng)靜簧片設(shè)置成鈹銅材質(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(duì)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(chǎng)景設(shè)置繼電器側(cè)面、頂部的對(duì)流散熱系數(shù)[10]，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(chǎng)云圖

利用ANSYS軟件，設(shè)定線圈激勵(lì)電壓為額定電壓12 V，接觸電阻為0.6 Ω，設(shè)定觸點(diǎn)負(fù)載回路的電流為10 A，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(chǎng)分布圖，如圖2和圖3所示。為方便觀察溫度場(chǎng)分布，圖2中把外殼做了隱藏處理。該型號(hào)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(duì)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(chǎng)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(shuō)明有無(wú)外殼對(duì)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(guò)線圈本體向軛鐵、銜鐵傳遞熱能，二是通過(guò)線圈向周?chē)h(huán)境和空氣傳遞熱量，即主要有對(duì)流和傳導(dǎo)兩種形式。銜鐵的熱量主要來(lái)自于軛鐵傳遞的熱量，所以線圈的散熱主要是經(jīng)過(guò)軛鐵、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?chē)h(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(guò)簧片引腳、底座以及塑料推塊傳遞熱量，也是以對(duì)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(chǎng)分布。

4" " 分析與結(jié)論

通過(guò)給線圈加上不同的激勵(lì)電壓，使用ANSYS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(cè)試，采集線圈發(fā)熱時(shí)對(duì)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(cè)試值。試驗(yàn)中激勵(lì)電壓設(shè)定的范圍為9.6～18 V。表1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(cè)試值差值的絕對(duì)值除以試驗(yàn)測(cè)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(cè)試值可以看出，仿真溫升值相較于試驗(yàn)測(cè)試值偏小，兩者之間最大的差值為4.4 K，誤差率在8%以內(nèi)，故經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(lái)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(cè)試時(shí)環(huán)境溫度是會(huì)受到外部因素影響變化的；

（2）簡(jiǎn)化了對(duì)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(guò)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(lái)制作底座、外殼和塑料塊。

5" " 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)繼電器的發(fā)熱過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，基于熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射原理分析建立了數(shù)學(xué)模型，然后利用ANSYS軟件建立直流電磁繼電器的有限元分析模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料、對(duì)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(chǎng)分析，對(duì)仿真溫升值和試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)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(kāi)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。

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收稿日期：2022-12-14

作者簡(jiǎn)介：張華楨（1993—），男，江西于都人，碩士，助教，研究方向：智能化技術(shù)及應(yīng)用。