CN110390172B - 多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，包括如下步骤：基于理想等效法，使用UG建模软件构建密封电磁继电器整机实体模型；将该模型导入ANSYS有限元分析软件的热电耦合仿真模块中，通过设置各组件材料的物理参数、仿真计算时的单元类型以及网格的划分方法建立出密封电磁继电器的理想等效仿真模型；分别对密封电磁继电器的主要热源组件控制线圈和接触系统进行产热分析计算，基于传热学原理对密封电磁继电器进行散热分析，完成热电耦合仿真计算时载荷与边界条件的施加。基于已设置好载荷与边界条件的理想等效仿真模型，计算得到环境温度与电流强度对继电器长期工作制下的稳态温度场和短时工作制下的瞬态温度场的影响情况。

Description

多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法
技术领域
本发明属于继电器热性能保护领域，特别涉及在多物理场环境中研究环境温度和电流强度对密封电磁继电器温度影响的仿真方法，具体涉及多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法。
背景技术
目前密封电磁继电器朝着小型化方向不断发展，小型化相伴而生的是继电器整体空间体积缩小，有效散热面积减少，这使得单位体积热量增大，由此引起组成电磁继电器的各元件温度升高，温度会对绝缘材料的绝缘性能、金属材料的接触电阻及各类材料的机械强度产生一定影响，温度一旦超过允许范围会使继电器内部元件受损，由此造成继电器寿命缩减或直接失效，降低继电器的可靠性和工作寿命。因此研究密封电磁继电器的温度场对提高继电器的可靠性和工作寿命是十分重要的。
传统继电器的发热特性计算主要分为两种：理论法、实验法。但由于影响继电器发热特性的因素十分复杂，涉及到力、热、电、磁等多种物理场的耦合，理论分析方法常常需要进行大量的简化才能够实施，且得到的结果往往和真实值存在一定的差距，因此只适合做定性的分析研究；实验分析方法是基于实验样品的，受加工工艺等因素的影响，由于继电器样品的一致性通常较低，故实验分析的数据并不精确，无法准确的分析和排查问题。
目前，开关电器有两种常用的热分析方法，分别是有限元法和热网络法。其中热网络法是根据热路和电路相似的性提出的，该方法通过分析研究对象的热传递路径建立出与电路相似的热路模型，实际使用过程中会对热场问题进行一定程度的简化处理，着重考虑问题的主要矛盾、忽略一些次要因素，具有概念清晰、计算工作量小等优点，但由于密封电磁继电器的组成结构比较复杂，在进行传热路径分析时容易出现遗漏情况，由此带来的误差将直接影响最终的分析结果，故使其有时难以满足实际工程的需要。
发明内容
本发明的目的是要提供一种多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，以克服现有技术存在的进行传热路径分析时容易出现遗漏情况，由此带来的误差将直接影响最终的分析结果，难以满足实际工程的需要的缺陷。
为了达到上述目的,本发明提供一种多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，包括以下步骤：
步骤一：基于理想等效法，使用UG建模软件构建密封电磁继电器整机实体模型，主要组件包括线圈、绕线骨架、铁芯、衔铁、轭铁、线圈引脚、主回路引脚、动触头、静触头、簧片、底座。其中线圈的材料为漆包铜线，绕向骨架的材料为PET，铁芯、轭铁和衔铁的材料为DT4，线圈引脚和主回路引脚的材料为黄铜，动触点和静触点材料为AgMgNi，簧片材料为铍青铜，底座材料为PPO；
步骤二：将整机实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，设置各组件材料的物理参数、划分的单元类型以及网格的划分方法；
步骤三：分别对密封电磁继电器的主要热源组件：控制线圈和接触系统进行产热分析。控制线圈的发热功率为P1＝U2/R1，生热率为q1＝P1/V1，式中U为线圈电压，R1为线圈电阻，V1为线圈的近似体积；接触系统的发热功率为P2＝I2R2，式中I为接触系统导电回路加载的电流，R2接触系统导电回路的电阻；
步骤四：对密封电磁继电器进行散热分析。对流换热系数为Q＝αA(Tw-Tf)；辐射换热系数为
Figure GDA0003994113660000021
式中ε为发射率，σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数；
步骤五：设置温度场仿真计算的载荷与边界条件，施加载荷前应对模型进行以下假设：认为材料的属性为各向同性；仿真过程中外界环境保持不变；各组件表面对流传热方式分为有限空间自然对流传热和大空间自然对流传热；
步骤六：仿真分析不同环境温度和电流强度下继电器长期工作制时的稳态温度场和短时工作制时的瞬态温度场。
进一步地，在对密封电磁继电器的主要热源组件进行产热分析的步骤三中，电磁线圈的电阻率随温度变化进而其生热率随温度变化，将随温度变化的生热率以体载荷的形式施加在线圈上；接触系统导电回路采用直接热电耦合方法进行分析，将静触点处所有节点的电压设置为0，耦合动触点处所有节点的节点电压，获取集中节点并施加不同等级的电流。
进一步地，在对密封电磁继电器进行散热分析的步骤四中，以表格的方式定义密封电磁继电器随温度变化的综合散热系数，将该散热系数作为一个面载荷施加在内部元件表面及整机外表面上，模拟继电器各部分与周围气体之间的热量交换，其中内部元件表面属于有限空间自然对流传热，整机外表面属于大空间自然对流传热。
进一步地，步骤六中，利用ANSYS仿真软件对密封电磁继电器进行热电耦合仿真，在仿真过程中通过改变建立在触点间隙处小圆柱体和磁间隙间填充物的材料属性来实现用一个有限元模型模拟密封电磁继电器的两种工作状态，仿真分析不同环境温度和电流强度下电磁继电器不同工作制下的温度场，绘制出静触点、动触点、簧片、线圈、线圈骨架、轭铁温度变化规律的折线图。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明针对密封电磁继电器的接触系统有分断与闭合两种工作状态，提出使用理想等效法来建立整机的三维有限元模型，与进行热计算的传统计算模型相比该模型在进行热分析时具有更高的计算效率和准确度；
2、建立仿真模型时设置线圈和触头元件为solid227三维十节点单元类型，该单元提供焦耳热输出的功能，适用于热电耦合场分析(包括瞬态和稳态)，因为采用高阶单元形式，所以在同类型的分析单元中具有较高的分析精度；模型的其余组件只具有传热作用，设置为solid70三维八节点单元类型，该单元在网络划分时能设定为四面体和六面体形状，继电器实体模型比较复杂，边界形状很不规则，四面体划分更能适应不规则的几何边界条件；选择自由网格划分方法进行网格划分，将触头、线圈、簧片和引出脚处的剖分单元尺寸设置为极端细化、其余各部件单元尺寸均设为标准，能够在增加仿真结果精度的同时减少非必要计算量、提高计算效率。
3、密封电磁继电器的接触系统有分断与闭合两种工作状态，对其整机进行热分析时传统的热计算方法是建立两个整机模型，一个是接触系统分断状态的模型，另一是接触系统闭合状态的模型。在每次闭合过程计算完成后，将计算结果手工读出后作为初始条件赋值给分断模型反之亦然，该方法存在两个缺陷，分别是：由于两个模型的有限元剖分网格不同而导致在相互赋值期间各温度点难以全部对应从而造成数据误差；赋值过程是通过手工操作故容易出错且效率极低。为解决上述问题在步骤一和步骤二中使用理想等效法进行建模，此模型在后续仿真分析时能够实现用一种仿真模型模拟继电器分断与闭合两种工作状态且能实现两种状态数据的自动赋值，从而极大地提高计算效率和准确度。
附图说明
图1是一种基于多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法流程图
图2是某型号密封电磁继电器热电耦合仿真实体模型。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
参见图1，一种基于多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，具体包括以下步骤：
步骤一：基于理想等效法，使用UG建模软件构建密封电磁继电器整机实体模型，主要组件包括线圈、绕线骨架、铁芯、衔铁、轭铁、线圈引脚、主回路引脚、动触头、静触头、簧片、底座。其中线圈的材料为漆包铜线，绕向骨架的材料为PET，铁芯、轭铁和衔铁的材料为DT4，线圈引脚和主回路引脚的材料为黄铜，动触点和静触点材料为AgMgNi，簧片材料为铍青铜，底座材料为PPO；
具体做法是：按照所述继电器的工程图纸的尺寸信息，在UG软件中建立所述继电器的三维模型。建模期间在动静触点之间建立一个小圆柱体来模拟触点吸合时的接触电阻，圆柱的半径为α＝ρ/2R，其中ρ为材料的电阻率，R为动静触点闭合时两引脚之间电阻实测值，圆柱体的高度为l＝απ/2，并在在铁心和衔铁的磁间隙之间填充一定体积的材料；得到整机实体模型，参见图2。
步骤二：将整机实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，设置各组件材料的物理参数、划分的单元类型以及网格的划分方法；
在步骤一和步骤二中，建立包含电磁系统和接触系统的密封电磁继电器整机仿真模型时，为实现用一个网格剖分模型模拟继电器闭合与分断两种工作状态，是按所述密封电磁继电器的工程图纸，在UG建模软件中建立其三维实体模型，并基于理想等效法在触点间隙处建立一个小圆柱体来模拟触点吸合时的接触电阻，以及在磁间隙处填充一定体积的材料；将所建模型导入ANSYS仿真软件的热电耦合模块中，添加继电器各组件材料的密度、热导率、比热容及电阻率参数，设置线圈和触头元件为solid227单元类型、其余组件为solid70单元类型，选择自由网格划分方法进行网格划分，将触头和线圈处的剖分单元尺寸设置为极端细化、其余各部件单元尺寸均设为标准以提高仿真精度，完成有限元仿真模型的建立。
步骤三：分别对密封电磁继电器的主要热源组件：控制线圈和接触系统进行产热分析。控制线圈的发热功率为P1＝U2/R1，生热率为q1＝P1/V1，式中U为线圈电压，R1为线圈电阻，V1为线圈的近似体积；接触系统的发热功率为P2＝I2R2，式中I为接触系统导电回路加载的电流，R2接触系统导电回路的电阻；将随温度变化的生热率以体载荷的形式施加在线圈上，接触系统导电回路采用直接热电耦合方法进行分析，将静触点引出脚端部所有节点的电压设置为0，耦合动触点引出脚端部所有节点的节点电压，获取集中节点并施加不同等级的电流；
步骤四：对密封电磁继电器进行散热分析。对流换热系数为Q＝αA(Tw-Tf)，式中λa为空气的导热系数，Nu为努赛尔数，l为定型尺寸；辐射换热系数为
Figure GDA0003994113660000051
式中ε为发射率，σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数；将综合散热系数(αt＝αcon+αrad，式中αcon为对流换热系数，αrad为辐射换热系数)以面载荷的形式施加在内部元件表面及整机外表面上，模拟继电器各部分与周围气体之间的热量交换；
步骤五：设置温度场仿真计算的载荷与边界条件，施加载荷前应对模型进行以下假设：认为材料的属性为各向同性；仿真过程中外界环境保持不变；材料表面为有限空间自然对流传热和大空间自然对流传热；
步骤六：仿真分析不同环境温度和电流强度下继电器长期工作制时的稳态温度场和短时工作制时瞬态温度场；
下面通过具体的实验对本发明的方法进行验证：
密封电磁继电器的工作区域不同导致工作的环境温度存在较大差异，可以通过改变仿真的起始温度条件，来模拟其在不同的环境温度下的温度场分布情况，从而得到对应环境温度下元件表面的温度变化规律。要求密封电磁继电器在-30℃～+60℃的较大环境温度变化范围内能够可靠地工作，将主回路电流设置为10A，生热率以体载荷的形式施加在热源元件上，对流散热系数以面载荷的形式施加在各元件表面上，分别在初始环境温度为-30℃、-10℃、20℃、40℃和60℃时对密封电磁继电器进行热电耦合仿真分析，得到其长期工作制下稳态温度场分布情况。为进一步研究环境温度对继电器内部温度场分布的影响，选取静触点、动触点、簧片、线圈、线圈骨架和轭铁这六个关键点，读取它们在不同环境温度下的温度值；
由于受到密封电磁继电器控制的负载类型及在控制电路中所处位置的影响，流过触点负载的电流大小存在差异。本实例将环境温度设为20℃，研究触点负载电流分别10A、20A、30A和40A时继电器长期工作制下稳态温度场的分布情况，同样选取静触点、动触点、簧片、线圈、线圈骨架和轭铁这六个关键点，读取它们在不同电流等级下的温度值；
通过改变填充层材料参数来模拟继电器触点分合两状态，当触点处于断开状态时，触点间隙和磁间隙的填充层材料参数设置成实际内部气体参数；当触点处于闭合状态时，令填充层材料处于热短路及零吸热状态，以模拟动静触点接触在一起；
设定环境电流强度为10A，工作周期为20s，占空比为12/20，分别施以-30℃、-10℃、20℃、40℃和60℃的环境温度，循环工作40个周期，每隔5个工作周期选取一次触点闭合末、断开末时继电器各关键点的温度值，研究环境温度对密封电磁继电器短时工作试下瞬态温度场的影响情况
设定环境温度为20℃，工作周期为20s，占空比为12/20，分别施以10A、20A、30A和40A的电流，循环工作40个周期，每隔5个工作周期选取一次触点闭合末、断开末时继电器各关键点的温度值，研究电流强度对密封电磁继电器短时工作试下瞬态温度场的影响情况。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基于理想等效法，使用UG建模软件构建密封电磁继电器整机实体模型，主要组件包括线圈、绕线骨架、铁芯、衔铁、轭铁、线圈引脚、主回路引脚、动触头、静触头、簧片、底座； 其中线圈的材料为漆包铜线，绕向骨架的材料为PET，铁芯、轭铁和衔铁的材料为DT4，线圈引脚和主回路引脚的材料为黄铜，动触点和静触点材料为AgMgNi，簧片材料为铍青铜，底座材料为PPO；
步骤二：将整机实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，设置各组件材料的物理参数、划分的单元类型以及网格的划分方法；
步骤三：分别对密封电磁继电器的主要热源组件：控制线圈和接触系统进行产热分析，控制线圈的发热功率为P1＝U2/R1，生热率为q1＝P1/V1，式中U为线圈电压，R1为线圈电阻，V1为线圈的近似体积；接触系统的发热功率为P2＝I2R2，式中I为接触系统导电回路加载的电流，R2接触系统导电回路的电阻；
步骤四：对密封电磁继电器进行散热分析，对流换热系数为Q＝αA(Tw-Tf)；辐射换热系数为
Figure FDA0003994113650000011
式中ε为发射率，σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数；
步骤五：设置温度场仿真计算的载荷与边界条件，施加载荷前应对模型进行以下假设：认为材料的属性为各向同性；仿真过程中外界环境保持不变；各组件表面对流传热方式分为有限空间自然对流传热和大空间自然对流传热；
步骤六：仿真分析不同环境温度和电流强度下继电器长期工作制时的稳态温度场和短时工作制时的瞬态温度场。
2.根据权利要求1所述的多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，其特征在于，在对密封电磁继电器的主要热源组件进行产热分析的步骤三中，电磁线圈的电阻率随温度变化进而其生热率随温度变化，将随温度变化的生热率以体载荷的形式施加在线圈上；接触系统导电回路采用直接热电耦合方法进行分析，将静触点处所有节点的电压设置为0，耦合动触点处所有节点的节点电压，获取集中节点并施加不同等级的电流。
3.根据权利要求1或2所述的多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，其特征在于，在对密封电磁继电器进行散热分析的步骤四中，以表格的方式定义密封电磁继电器随温度变化的综合散热系数，将该散热系数作为一个面载荷施加在内部元件表面及整机外表面上，模拟继电器各部分与周围气体之间的热量交换，其中内部元件表面属于有限空间自然对流传热，整机外表面属于大空间自然对流传热。
4.根据权利要求3所述的多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法，其特征在于，步骤六中，利用ANSYS仿真软件对密封电磁继电器进行热电耦合仿真，在仿真过程中通过改变建立在触点间隙处小圆柱体和磁间隙间填充物的材料属性来实现用一个有限元模型模拟密封电磁继电器的两种工作状态，仿真分析不同环境温度和电流强度下电磁继电器不同工作制下的温度场，绘制出静触点、动触点、簧片、线圈、线圈骨架、轭铁温度变化规律的折线图。
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