基于ANSYS的繼電器溫升仿真分析

毛金平

(廈門(mén)宏發(fā)電聲有限公司，福建廈門(mén)，361021)

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試驗(yàn)與檢測(cè)

基于ANSYS的繼電器溫升仿真分析

毛金平

(廈門(mén)宏發(fā)電聲有限公司，福建廈門(mén)，361021)

溫升是繼電器工作時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)，會(huì)直接決定繼電器在高溫下的吸合、釋放電壓，決定繼電器的塑料選用，過(guò)高的溫升甚至?xí)?dǎo)致繼電器工作時(shí)燒毀。本文簡(jiǎn)要介紹了繼電器溫升計(jì)算機(jī)仿真分析的流程，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，最后分析了誤差產(chǎn)生的原因以及該仿真的意義。

繼電器；溫升；計(jì)算機(jī)仿真

1 引言

隨著對(duì)繼電器認(rèn)識(shí)的不斷深入，目前我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繼電器溫升的仿真計(jì)算，并且能夠確保較高的計(jì)算精度。今后，對(duì)于重要的產(chǎn)品，在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，我們就能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫升的仿真計(jì)算，為產(chǎn)品的用料選擇，優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 繼電器溫升仿真分析流程說(shuō)明

下面將HFV11溫升仿真分析的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步說(shuō)明溫升仿真分析的過(guò)程，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

2.1 建立繼電器溫升仿真分析的程序文件

該過(guò)程是整個(gè)溫升仿真分析分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)和有限元分析的技能水平要求較高，過(guò)程復(fù)雜，在此無(wú)法詳細(xì)論述。

主要涉及以下方面的要求：

(1)傳熱學(xué)理論知識(shí)；

(2) 有限元分析理論知識(shí)；

(3)較高的ANSYS使用技能(需要進(jìn)行一定的ANSYS編程,程序調(diào)試)；

(4)一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及對(duì)繼電器的理解。

以V11為例，建立起其溫升仿真的程序文件，準(zhǔn)備后續(xù)跟實(shí)際試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比

建立:HFV11的溫升仿真程序文件

2.2 輸入所需的試驗(yàn)條件并進(jìn)行運(yùn)算

從之前HFV11做過(guò)的溫升試驗(yàn)中隨機(jī)抽取一份，將其試驗(yàn)條件作為HFV11的溫升仿真程序文件的輸入項(xiàng)，輸入程序文件中并進(jìn)行計(jì)算，將得到的仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

樣品信息：

夏門(mén)宏發(fā)/HONGFA夏門(mén)宏發(fā)/HONGFAHFV11/12-HTR(555)HFV11/12-HTR(555)//3只3只L28-A1～L28-A3L28-B1～L28-B3動(dòng)簧厚0.15,并聯(lián)電阻1000歐姆動(dòng)簧厚0.2,并聯(lián)電阻1000歐姆

說(shuō)明：

兩組樣品動(dòng)簧厚度略有差別，從實(shí)際試驗(yàn)情況看，0.2mm厚的動(dòng)簧溫升略低，但是區(qū)別不大。在本次ANSYS分析中以0.15mm的動(dòng)簧厚度進(jìn)行計(jì)算。

2.3 不同試驗(yàn)條件下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

把試驗(yàn)報(bào)告中不同的試驗(yàn)條件作為輸入項(xiàng)輸入到已經(jīng)完成的HFV11溫升仿真程序文件中，運(yùn)行后得到以下結(jié)果：

試驗(yàn)條件一：觸點(diǎn)負(fù)載0A、環(huán)境溫度23℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)

參數(shù)樣品初始溫度測(cè)試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測(cè)試t2達(dá)到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動(dòng)簧腳溫度動(dòng)簧腳溫升靜簧腳溫度靜簧腳溫升吸合電壓Va釋放電壓Vb接觸壓降r℃Ω℃ΩK℃K℃KVDCVDCmVL28-A124.0131.528.6155.843.2----7.01.8-L28-A224.0131.728.6157.245.559.430.857.128.57.01.6-L25-A324.0131.928.6157.345.2----7.21.8-L28-B124.0131.528.6155.843.2----5.83.3-L28-B224.0132.028.6157.144.658.429.855.927.16.74.6-L28-B324.0131.528.6156.444.3----7.23.9-備注計(jì)算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,對(duì)于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度。

樣品編號(hào)熱平衡后的線圈溫度動(dòng)簧腳溫度靜簧腳溫度L28-A2初始環(huán)境溫度24+線圈溫升4.5=69.559.457.1

ANSYS仿真結(jié)果為：

觸點(diǎn)負(fù)載0A、環(huán)境溫度23℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)：

圖1 外殼上的溫度情況

圖2 內(nèi)部的溫度情況

試驗(yàn)條件二：觸點(diǎn)負(fù)載10A、環(huán)境溫度23℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)：

參數(shù)樣品初始溫度測(cè)試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測(cè)試t2達(dá)到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動(dòng)簧腳溫度動(dòng)簧腳溫升靜簧腳溫度靜簧腳溫升吸合電壓Va釋放電壓Vb接觸壓降r℃Ω℃ΩK℃K℃KVDCVDCmVL28-A124.0131.530.6158.746.9----7.11.914.1L28-A224.0131.730.6160.449.767.436.866.636.07.11.714.6L25-A324.0131.930.6160.349.1----7.31.816.0L28-B124.0131.530.6158.446.3----6.03.511.6L28-B224.0132.030.6160.048.265.534.964.333.77.04.611.7L28-B324.0131.530.6159.147.7----7.83.810.9備注計(jì)算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,對(duì)于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度。

L28-A2為0.15mm動(dòng)簧厚度的繼電器，以ANSYS計(jì)算中所用的動(dòng)簧厚度一致。

整理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

樣品編號(hào)熱平衡后的線圈溫度動(dòng)簧腳溫度靜簧腳溫度L28-A2初始環(huán)境溫度24+線圈溫升49.7=76.767.466.6

ANSYS仿真結(jié)果為：

觸點(diǎn)負(fù)載10A、環(huán)境溫度23℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)：

圖3 外殼上的溫度情況

圖4 內(nèi)部的溫度情況

試驗(yàn)條件三：觸點(diǎn)負(fù)載20A、環(huán)境溫度125℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)：

參數(shù)樣品初始溫度測(cè)試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測(cè)試t2達(dá)到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動(dòng)簧腳溫度動(dòng)簧腳溫升靜簧腳溫度靜簧腳溫升吸合電壓Va釋放電壓Vb接觸壓降r℃Ω℃ΩK℃K℃KVDCVDCmVL28-A1123.1172.4126.8194.943.0----9.12.429.0L28-A2123.1172.6126.8196.746.2169.042.2171.544.78.82.233.7L25-A3123.1172.9126.8196.745.5----9.12.232.1L28-B1123.1172.5126.8195.042.9----9.84.233.0L28-B2123.1173.2126.8197.346.1168.842.0173.246.48.14.832.8L28-B31223.1172.5126.8195.644.2----9.04.533.4備注計(jì)算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度,對(duì)于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時(shí)測(cè)試環(huán)境溫度。

L28-A2為0.15mm動(dòng)簧厚度的繼電器，以ANSYS計(jì)算中所用的動(dòng)簧厚度一致。

整理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

樣品編號(hào)熱平衡后的線圈溫度動(dòng)簧腳溫度靜簧腳溫度L28-A2初始環(huán)境溫度24+線圈溫升49.7=76.767.466.6

ANSYS仿真結(jié)果為：

觸點(diǎn)負(fù)載20A、環(huán)境溫度125℃，線圈電壓13.5VDC時(shí)

圖5 外殼上的溫度情況

圖6 內(nèi)部的溫度情況

因篇幅所限，在此不將所有ANSYS計(jì)算與試驗(yàn)的對(duì)比數(shù)值一一列舉，僅以表格形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 不同負(fù)載，不同環(huán)境溫度下仿真值與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比

3 仿真結(jié)果分析

總體而言，仿真分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)值非常接近，總體平均誤差不超過(guò)8%。進(jìn)一步分析其數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

不管是動(dòng)簧腳還是靜簧腳：

(1)在0A負(fù)載時(shí)，仿真計(jì)算值略大于實(shí)際測(cè)試值；

(2)在10A左右負(fù)載時(shí)，仿真計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值最為接近；

(3)在20A負(fù)載時(shí)，仿真計(jì)算值略小于實(shí)際測(cè)試值。

下圖表示不同溫度、不同負(fù)載下動(dòng)簧腳溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比。

(a)

(b)

(c)圖7 不同溫度、不同負(fù)載下動(dòng)簧腳溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

結(jié)合實(shí)際測(cè)試情況，認(rèn)為出現(xiàn)此種情況的原因在于動(dòng)、靜簧腳所連接的外接導(dǎo)線對(duì)引腳溫升存在影響。

在進(jìn)行ANSYS分析的時(shí)候，由于我們考慮的是繼電器本身的發(fā)熱，對(duì)于繼電器負(fù)載引腳所連接的導(dǎo)線對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響考慮得較少。而實(shí)際測(cè)試時(shí)，不管繼電器引腳有沒(méi)有通負(fù)載，動(dòng)、靜簧腳處均接有4 直徑的導(dǎo)線，因此：

(1)在0A時(shí)，導(dǎo)線中不通電流，導(dǎo)線不發(fā)熱，此時(shí)導(dǎo)線相當(dāng)于連接在引腳上的“散熱片”，從引腳上傳走了一部分熱量，于是，實(shí)際測(cè)試溫度略低于仿真計(jì)算值；

(2)在10A負(fù)載附近，導(dǎo)線由于通有電流，導(dǎo)線本身發(fā)熱，在10A負(fù)載左右，導(dǎo)線由于自身發(fā)熱所達(dá)到的溫度接近該情況下繼電器引腳的溫度，所以導(dǎo)線對(duì)繼電器引腳的溫升影響較小，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值最為接近；

(3)在20A負(fù)載時(shí)，導(dǎo)線由于通電發(fā)熱所達(dá)到的溫度高于繼電器引腳的溫度，此時(shí)導(dǎo)線相當(dāng)于連接到繼電器引腳上的一個(gè)“發(fā)熱源”，進(jìn)一步提高了繼電器引腳的溫度，所以實(shí)測(cè)值略高于仿真計(jì)算值。

證明如下：

另取3只HFV11繼電器，置于123℃環(huán)境溫度下，做觸點(diǎn)負(fù)載0A下溫升試驗(yàn)，其中:

編號(hào)為1、2的繼電器做0A負(fù)載試驗(yàn)時(shí)負(fù)載引腳不接導(dǎo)線；

編號(hào)為3的繼電器做0A負(fù)載試驗(yàn)時(shí)引腳接有4 直徑的導(dǎo)線。

試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

樣品編號(hào)t1t2R1R2ΔT線圈溫度動(dòng)簧腳溫度動(dòng)簧腳溫度℃℃ΩΩK℃℃℃1123.9124.9176.6194.735.7159.6156.2154.12123.9124.9171.3189.737.5161.4156.8154.23123.9124.9172.6186.628.1152138.9134.5

由該試驗(yàn)可知，繼電器負(fù)載引腳所接導(dǎo)線對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果有較大影響，在123℃0A負(fù)載下，繼電器負(fù)載引腳是否接導(dǎo)線對(duì)于測(cè)試的結(jié)果影響最大可以達(dá)到203℃。

因此，考慮到不同的試驗(yàn)方法對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)果有一定的影響，今后如果需要使仿真計(jì)算值的預(yù)測(cè)更加接近實(shí)際測(cè)試值，可以根據(jù)不同的試驗(yàn)方法對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)誤差修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到不同的試驗(yàn)方法及實(shí)際繼電器產(chǎn)品的參數(shù)(如線圈電阻、接觸電阻、材料等)與理論預(yù)想值不完全相同等因素對(duì)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果有一定的影響，因此，仿真計(jì)算值會(huì)與實(shí)際測(cè)試值會(huì)存在一些誤差。一般認(rèn)為，仿真計(jì)算值如果與實(shí)際測(cè)試值能控制在10%左右，則該仿真模型已經(jīng)較好地體現(xiàn)了實(shí)際的物理情況。今后，對(duì)于全新的產(chǎn)品，我們?cè)谠O(shè)計(jì)完成初期就能對(duì)其進(jìn)行溫升仿真計(jì)算，并且基本可以確保其仿真計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值的平均誤差不大于10%，完全能夠滿足實(shí)際的工程精度要求。

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[2] 張榴晨，徐松.有限元法在電磁計(jì)算中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

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2015-09-18

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.010

TN784

A

1000-6133(2015)06-0044-06