熱繼電器中一種特殊雙金導電系統的開發與研究

毛瑩瑩， 王明娣

（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著現代工業的發展，人們生產生活對電力系統和工業控制系統的依賴也越來越大。據調查發現,異步電動機的故障中90%以上是定子繞組因過熱而損壞,其中近60%是因斷相故障引起[1]，因此作為接觸器配套保護附件的熱繼電器得到了大量使用。由于熱繼電器采用外掛的裝配方式，產品體積越大，需要占用機柜的尺寸也就越大。基于此背景下設計開發一款寬度為27 mm的熱繼電器，相比傳統45 mm寬的產品，寬度減少了40%，但寬度方向的變化也對雙金導電系統產生很大的影響，為此利用TRIZ理論提出一種全新排布方式的雙金導電系統并借助ANSYS軟件對設計方案進行仿真和改進。

1 設計方案的提出

1.1 雙金導電系統的工作原理

作為導電系統中的關鍵零部件雙金屬片，當電流流過產生熱量后引起其彎曲變形從而產生位移及一定的推力實現對熱繼電器的斷開和接通。當電流增大時，推力推開機構；當電流恢復后，雙金屬片恢復為正常的狀態，可以對機構進行復位。雙金屬片的發熱方式主要有以下4種[2]：1）直接加熱式。雙金屬片作為熱元件，電流直接通過它。2）間接加熱式。利用加熱元件產生的熱量經過空氣傳播給雙金屬片，加熱元件通常為絲狀或帶狀，環繞在雙金屬片周圍。3）復合加熱式。直接加熱與間接加熱兩種形式的結合。4）電流互感器加熱式。電流通過不同比數的電流互感器得到，通常用于大容量的熱繼電器以及重載起動的熱繼電器。

我們開發的熱繼電器額定電流為0.1～32 A，因此采用復合加熱式的設計，6 A以下加熱元件為絲狀，6 A以上采用帶狀，環繞在雙金屬片周圍。

1.2 熱量傳遞方式

雙金發熱產生的熱量在熱繼電器內部的空間內同樣也進行著熱量的傳遞，熱量傳遞方式主要有以下三種[3]：

1）傳導。計算公式如下：

式中：q為熱流量，W/m2；λ為傳導率，W/（m·K）。2）對流。計算公式如下：

式中，hc為對流系數，W/（m2·K）。3）輻射。計算公式如下：

式中：ε為發射系數；σ為玻爾茲曼常數，σ=5.67×10－8W/（m2·K4）。

熱量傳遞的過程又會對雙金系統的位移產生影響，仿真時這些因素都需要考慮進去。

1.3 方案的確定

熱繼寬度的變化直接影響到雙金導電系統的工作特性，寬度變窄雖然減小了產品體積，節省了安裝空間,但傳統排布中雙金的動作空間減少了40%。正如TRIZ理論里提到的物理矛盾，兩個矛盾都是由于寬度這個空間尺寸變化引起，于是基于空間的分離[4]查找相關的解決方案，同時結合前面的雙金導電系統的工作原理與熱量傳遞的三種方式，利用以下兩個發明原理提出初步的設計方案：1）發明原理17。空間維數變化，將傳統的雙金由橫排方式變為縱排。2）發明原理4。非對稱，將三相的出線端子采用不對稱的結構，克服三相發熱和散熱條件的差異。

2 模型仿真和比較

2.1 ANSYS仿真分析過程

由于雙金采用復合加熱式的設計,傳統的計算公式無法得到一些準確的數值,參考文獻[5-6]借助有限元仿真的方式得到我們需要的一些參數。將確定設計方案的3D模型做一些簡化處理后導入ANSYS仿真軟件，根據表1中的參數設置材料屬性。

表1 材料物性參數設置

將各個零件屬性設置完成后，進行劃分網格、設置邊界條件、仿真計算及最后的后處理得到圖1的仿真等溫線。

2.2 ANSYS仿真結果及改進

第一次仿真結果如表2所示，其中L3的溫升為180 K，與其它兩相相比，溫度偏差比較大，不利于機構的穩定性，因此將L3端子做如圖2所示的改進。

圖1 雙金導電系統的仿真等溫線

重新仿真得到表2所示第二次的仿真結果，結果顯示有點改善，但仍然偏差較大，再次從散熱的方式入手，在L3附近增加一面墻（如圖3所示），再次仿真得到表2中第三次的結果，此時三相的溫升已經非常接近。

圖2 改進前后出線端子（右側為改進后）

圖3 熱繼內部L3增加隔墻

表2 三次溫升仿真結果

3 樣機實驗及模型修正

方案基本確定后，打樣相關零件組裝成樣機后如圖4所示，采用熱電偶法進行測試。測試標準參照GB14048.1通入1.0In的電流,直到溫升穩定差異在±1 ℃[7]。

實測結果如表3所示，樣機三相實測的溫升與之前仿真三相之間的差異基本一致，但溫升的數值要低得多，經過仔細分析，仿真模型原先未加入輻射條件，重新設置仿真條件后再次進行仿真計算，得到兩者的溫升數值已經非常接近。

圖4 樣機測試

表3 溫升仿真與樣機實測對比表

4 結語

基于TRIZ理論通過改變常規的雙金導電系統的排布，得到新的排布方式，并借助ANSYS分析軟件仿真和調整模型，最后結合樣機的實測結果再次修正模型，最終得到比較接近的結果。為后續類似產品的設計及仿真提供了參考，新產品開發成功后利于設備制造商及設計師減小機柜尺寸，降低對環境的影響。