交流接触器温度场仿真及试验验证

1、交流接触器温度场仿真及试验验证摘 要：将ANSYS有限元热分析应用到交流接触器热特性分析中，模仿其实际工作环境， 构建交流接触器三维稳态热分析模型，确定热源、导热系数和表面散热系数，对接触器的稳 态温度场进行分析；进一步改变施加的边界条件，研究不同散热方式下接触器的温度分布。 最后对CJX2-0910型交流接触器进行温升试验，将温度场的仿真结果与试验结果比较，误差 较小，表明所建立热分析模型的可行性。研究结果对接触器材料的选择、结构的设计及其性 能的优化有重要意义。关键词：交流接触器；有限元软件；温度场；散热方式；温升试验0引言交流接触器工作时，温度逐渐升高，当升高到一定温度时，会导致接触器使

2、用寿命降低， 甚至损坏1-2。而开关电器小型化的提出使得产品散热面积减小，单位体积的发热量增加。 因此，对交流接触器进行热分析是当前亟需进行的关键技术。其目的在于通过研究各种工作 状态下接触器的发热和散热情况，确保接触器在产品小型化的基础上满足热性能的要求。本文将ANSYS有限元热分析应用到交流接触器热特性分析中，模仿其实际工作环境，构 建交流接触器三维稳态热分析模型，确定热源、导热系数和表面散热系数，对接触器的稳态 温度场进行分析；改变施加的边界条件，研究不同散热方式下接触器的温度分布。最后对 CJX2-0910型交流接触器进行温升试验，将温度场的仿真结果与试验结果比较，验证所建立 热分析模

3、型的可行性。1交流接触器三维热分析模型交流接触器的主要结构包括线圈、分磁环、触头和动静铁芯等。由于其结构的对称性， 在ANSYS中对其进行简化处理，只对其四分之一进行建模。1.1基本假设交流接触器热分析的计算基于以下假设：（1）接触器所处的空间无限大；（2）由于结构的 对称性，认为对称面是绝热的；（3）材料各向同性；（4）外表面的对流散热只有自然对流散热； （5）在分析过程中环境温度为试验时的温度，本文试验时温度为25 C。在以上假设条件下，交流接触器稳态热分析中要遵循三维热传导方程3：式中：T为研究对象的温度，入为导热系数，q为热源单位体积内的生热量。1.2边界条件对于结构对称的交流接触器，

4、其对称面为绝热边界条件：式中：a为散热系数，T0、Tf分别为研究对象温度和环境温度。式（1）、式（2）和式（3）就是所构建的交流接触器稳态热分析模型，对接触器热源和 散热分析后，利用ANSYS软件对式（1）（3）进行求解，就是对接触器稳态温度场的分析。2 交流接触器热源分析交流接触器工作时，其主要热源是电磁系统和主回路4。2.1电磁系统热源计算线圈、分磁环以及铁芯是电磁系统的产热元件。2.1.1线圈与分磁环的发热功率利用ANSYS软件中电磁场分析模块计算线圈电流，线圈两端电压为交流电220 V，交流 电频率为50 Hz。线圈的发热功率为：分磁环可看作匝数为1的线圈，其发热功率的计算方法与线圈相

5、同。2.1.2铁芯损耗通过线圈的交流电流产生的交变磁通在铁芯内产生磁滞和涡流损耗，根据铁芯材料的铁 磁损耗曲线进行估算5。对铁芯施加的载荷公式为：式中：p为单位体积铁损，m为铁芯质量，Pt为铁芯发热功率。2.2主回路热源计算主回路产热器件有三部分：主回路导体、动静触头和接线端处接触电阻。主回路导体的发热功率：式中：I为触头回路流过的额定电流，Rcont为主回路导体电阻。计算动静触头接触处接触电阻经验公式1：式中：F为接触力。CJX2-0910型交流接触器触头材料为银触头，接触方式为面接触，K取60，对m取1。接线端视为通过螺栓固定连接，其接触电阻计算方法6-7为：式中：cp为常数，由接触材料决

6、定；Fk为接线端处的接触力，这里指螺纹连接的预紧力。3交流接触器散热计算交流接触器的散热方式主要考虑3种途径，内部主要考虑传导散热，外部主要考虑表面 对流和辐射散热8。内部传导散热给定导热面上热流密度相同时，热流量可表示为：式中：A为垂直热流方向截面面积。一般情况下，某些材料的热导率入与温度0可近似地 表示为线性关系，即：式中：入0为0 C时的热导率，0为温度，b为常数。热对流对于面积为A的接触面，其对流换热热流速率为：式中：为热流量； tm为接触面的平均温差。对流换热系数a con取经验公式1：式中：Tw、Tf分别为固体表面和周围流体的温度。热辐射把辐射换热量折合成对流换热量，得到的辐射换热

7、系数为9：式中：a为0.119X10-10 BTU/hin2K4，故取0.9。则外表面的复合散热系数：利用定义表格的形式，将复合散热系数作为热边界条件施加，实现不同温度之间相应换 热系数的计算。4仿真分析本设计基于有限元软件ANSYS，建立交流接触器三维热分析模型，利用热电耦合对 CJX2-0910额定电流为9 A的交流接触器进行温度场仿真分析，并讨论不同的散热方式对接 触器温度的影响。4.1接触器温度仿真结果交流接触器电磁铁和主回路的温度仿真结果分别，图中节点112取自交流接触器不同 的部位，便于将仿真结果与试验测量温度值进行对比。根据电磁铁温度场的仿真结果可知，静铁芯处的温度是最高的，这主

8、要是由于线圈是电 磁铁的主要热源，静铁芯处的散热空间远小于动铁芯的。对接触器主回路的温度场分布图分 析可知，由于接触电阻的存在使得触头系统的温度要高一些，特别是触头接触处，其温度最 高；接触器中间相两侧的热源不利于其散热，旁边相有一侧是外壳，使得中间相的温度(节 点9、10、11、12)比旁边相的温度(节点5、6、7、8)高一些。4.2 散热方式对接触器温度的影响为了研究不同的散热方式对交流接触器稳态温升的影响，本设计改变施加的边界条件， 根据CJX2-0910的工作环境温度，在环境温度为25 C时，对3种散热方式下接触器的温度 分布进行仿真，结果。由图35可知，对于3种散热方式而言，在有对流

9、有辐射的散热方式下，接触器的温度 最低。对于有辐射无对流和有对流无辐射这两种方式，环境温度为25 C时，前者对接触器 温度的影响低于后者。温升试验对交流接触器进行温升试验，主回路和线圈同时通电，主回路电流为额定电流，电磁线 圈通220 V的交流电，达到稳定温升后，利用电阻法来测量线圈温升，并对节点112的温 度进行测量。线圈平均温升仿真结果为63.8 C，试验测量温度为64.3 C，比仿真结果稍大。 将节点112的仿真结果与试验测量温度进行比较，结果。由图6可知，节点的测量温度与仿真结果相差不大，相比而言，主回路误差比电磁系统 的稍大，但最大误差也只有6.59%，出现在中间相的节点9,即触头接触处。这是由于建模时 的假设和接触电阻的简化计算造成的，最小误差几乎为0，因此验证了所建立热分析模型的 可行性。结论本文基于有限元软件ANSYS，建立交流接触器三维热分析模型；针对CJX2-0910型 接触器温度场进行仿真分析，得到接触器的温度分布图；对其进行温升试验，测量接触器不 同部位的温度；并将试验中测量温度与仿真结果比较，误差最高