一種欠壓脫扣器線圈溫度場計算與分析

羅錦華，伍開建，羅欣宇，祝 聰

一種欠壓脫扣器線圈溫度場計算與分析

羅錦華，伍開建，羅欣宇，祝 聰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文基于Ansys Workbench分析了一種直流長時工作制的欠壓脫扣器線圈溫升，并通過物理樣機實驗驗證了該分析的準確性。分析結果表明，通過仿真計算可以準確分析脫扣器線圈的溫升參數，為快速高效設計最優的線圈提供理論基礎。

欠壓脫扣器 線圈 溫升

0 引言

當低壓配電和用電電路因發生故障而使網絡電壓大幅度降低時，就會導致：1）減少發電機的出力；2）線路損耗增加；3）電動機出現疲勞、堵轉，電流增加，溫升升高；4）控制電路的電磁鐵吸力不足，操作控制失靈，觸頭燒損嚴重，使電動機無法啟動等。因此在回路中設計裝有欠壓脫扣器的保護電器，及時切斷故障電路，保護回路設備至關重要。欠壓脫扣器通常為不間斷工作制，工作時線圈發熱量大且散熱條件差是一個突出的問題。若線圈溫升過高，會導致絕緣老化，降低使用壽命，嚴重時甚至導致匝間擊穿、短路以致燒毀。因而其設計過程中對欠壓脫扣器線圈進行溫升設計至關重要[1～3]。

在欠壓脫扣器線圈溫升設計中，通常采用經驗公式校核初步設計的線圈，然后通過實驗調整設計參數[4]。為了保證設計效率，會留有較大設計裕度，增加產品成本，并且設計周期長。本文基于Ansys Workbench對欠壓脫扣器線圈進行溫度場仿真分析，從建立有限元模型，施加載荷、邊界條件和后處理分析結果方面介紹了整個分析流程，最后通過樣機實驗證明了該分析的正確性和可行性。

1 組成結構

圖1為該欠壓脫扣器線圈的組成結構示意圖。由于該脫扣器是直流驅動，無需考慮渦流的影響。脫扣器的動鐵芯和靜鐵芯都是由導磁材料硅鋼片通過鉚接而成，以便給線圈通電時形成磁場回路。由具有高結構強度的酚醛玻璃纖壓塑料壓制而成的線圈骨架固定在靜鐵芯中，而線圈纏繞在線圈骨架中。在線圈的外圓面用無堿帶和直紋布帶纏繞，加強線圈與相鄰零件之間的絕緣。當線圈通電后，動鐵芯將在磁場的作用下克服彈簧力順時針轉動與靜鐵芯接觸完成吸合動作。

圖1 欠壓脫扣器結構示意圖

2 理論分析

2.1 發熱分析

本欠壓脫扣器線圈為直流線圈，主要發熱來自于電流通過導體時產生的電阻損耗。發熱量表示如下：

然而，隨著線圈發熱，線圈溫度發生變化，導線的電阻率也隨之變化，從而影響線圈的發熱功率。對于長時工作制的線圈，發熱功率隨著通電時間的增大不停變化，因此，線圈的發熱是一個非線性過程，用傳統計算方法計算出線圈的發熱量的誤差非常大。本文根據網上相關數據得到銅的電阻率與溫度之間的關系如表1所示。

表1 不同溫度下同導線的電阻率

2.2 散熱分析

欠壓脫扣器線圈的散熱有三種方式，即傳導、輻射和對流。在實際工作中，這三種散熱方式共同存在，相互影響，因此在實際熱計算中，通常并不分別單獨考慮。為了簡約起見，常把三種散熱方式合并在一起計算，用一個綜合散熱系數考慮，如下：

上式就把一系列極其復雜的影響散熱過程的因素全部考慮在散熱系數中，因此，在用這種方法計算散熱時，最重要的問題在于散熱系數的選取。

散熱系數并不是常數，而與發熱體的溫度和周圍介質的溫度有關，對于線圈，可以用以下的經驗公式計算散熱系數。

通常還需要利用模型實驗重新校核散熱系數，才能得到相對準確的計算結果。

3 仿真分析

3.1 有限元模型

如下圖所示，在Ansys Workbench中建立有限元模型。為了簡化計算并貼近實際工況，本文只選擇與線圈繞組相關的零件進行熱分析。線圈繞組為主要發熱源，纏繞在線圈骨架上，線圈骨架為絕緣件，固定線圈繞組用，導熱系數較低。在線圈繞組的外面有一層外包絕緣，起絕緣保護作用，同時也妨礙了線圈繞組的散熱。骨架中間為欠壓脫扣器的靜鐵芯，導熱系數較高，有利于將線圈繞組內部的熱量輸送到空氣中。外包絕緣包括無堿帶和直紋布帶兩層，本文用一層0.5 mm后的絕緣層表示。因為線圈繞組的匝數太多，實際建模計算量太大，本文選擇用矩形螺旋彈簧等效，通過設置材料的電阻率使得等效后的電阻值與實際設計電阻值相同即可，如圖2（b）所示。

3.2 載荷及邊界條件

對欠壓脫扣器溫度場進行仿真，定義各部分材料的基本物理參數如表2所示。材料的熱傳導率隨著溫度變化而變化，但是變化率非常小，對最終計算結果的影響小，可以忽略不計。

圖2 線圈有限元模型

表2 材料屬性

考慮到該欠壓脫扣器的線圈為直流長時工作制，主要的熱源就是線圈電阻發熱，而線圈電阻發熱與線圈阻值和輸入電壓有關，考慮到輸入電壓為定值，因此只需設置好線圈繞組阻值即可。線圈的電阻率與溫度的關系如表1所示，根據電阻率可以準確計算線圈在各個溫度下的電阻值。

在穩定狀態下，線圈中由于通過電流產生的電阻損耗全部從表面散出，即線圈的發熱應等于散熱。因此，線圈與空氣之間的對流散熱系數的設置也至關重要。根據前面所述，可由式（3）計算出各個溫度下的散熱系數，如圖3所示，作為該仿真分析的邊界條件。

圖3 散熱系數與溫度之間的關系

3.3 計算結果

根據上述載荷和邊界條件，對欠壓脫扣器的線圈進行溫度場仿真計算，環境溫度為22℃，為了更加接近實際工況，加載的載荷和邊界條件都是隨溫度變化的，所以進行的熱計算是非線性的，計算時間較長，最終得到線圈的穩態溫度場分析結果如下。

圖4 線圈溫度場分布云圖

由圖4線圈溫度場分布云圖可知，線圈繞組為發熱源，溫度最高，處于線圈中心的鐵芯溫度與線圈相近，熱量從線圈表面散發空氣中，所以離線圈越遠，空氣溫度越低，并且最終穩態溫度為92.6℃，環境溫度為22℃，所以線圈最終溫升為70.6℃，滿足GJB 5A-1999中對線圈溫升規定的要求。

4 實驗研究

按照圖1所示的結構加工了物理樣機，如下圖所示。其中圖4（a）為欠壓脫扣器的實物照片，圖4（b）為線圈的實物照片。

圖4 欠壓脫扣器實物照片

對欠壓脫扣器線圈進行發熱試驗。根據標準所述采用電阻法測量線圈的溫升，即給線圈施加DC220V直流電壓，測量線圈的電阻，然后根據公式（5）來計算線圈的溫升[5]，結果如表3所示。

表3 線圈溫升實驗結果

從表2可以知道，實驗結果與仿真計算結果基本一致。其中實驗測量的結果略高于計算結果，分析可能存在以下原因：分析模型簡化了動鐵芯，實物樣機中動鐵芯零件完整，總體表面散熱面積較大，散熱較好；材料屬性設計與實際參數有誤差；人為測量有誤差。實驗證明理論計算基本與實驗一致。

5 結論

本文結合仿真分析和樣機實驗，分析了一種欠壓脫扣器線圈的溫升，結果證明，仿真計算可以準確分析線圈的溫度場，從而可以獲得線圈設計時溫升方面的參數，為線圈的優化設計提供基礎。

[1] 張冠生. 電器學[M]. 中國工業出版社, 1961.

[2] 連理枝. 低壓斷路器及其應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[3] 寶齡. 電磁電器設計基礎[M]. 北京: 國防工業出版社, 1989．

[4] 王曉峰, 唐武進, 耿英三. 利用ANSYS軟件進行直流螺管式電磁鐵溫度場分析[J]. 電機電器技術, 2002, (6): 45-47.

[5] 王春民, 沙超, 孫磊,等. 基于ANSYS的直流電磁鐵溫度場仿真分析[J]. 液壓與氣動, 2015(12):4.

Simulation and analysis of the coil’s temperature field of an under-voltage release

Luo Jinhua, Wu Kaijian, Luo Xinyu, Zhu Cong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）08-0012-04

2022-05-27

羅錦華（1966-），男，研究員。研究方向：開關電器。E-mail:15971501722@139.com