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        基于ANSYS的繼電器溫升仿真分析

        2015-03-07 02:06:38毛金平
        機電元件 2015年6期
        關鍵詞:環(huán)境溫度溫升繼電器

        毛金平

        (廈門宏發(fā)電聲有限公司,福建廈門,361021)

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        試驗與檢測

        基于ANSYS的繼電器溫升仿真分析

        毛金平

        (廈門宏發(fā)電聲有限公司,福建廈門,361021)

        溫升是繼電器工作時的一個重要指標,會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,過高的溫升甚至會導致繼電器工作時燒毀。本文簡要介紹了繼電器溫升計算機仿真分析的流程,并將計算結果與試驗結果進行了對比,最后分析了誤差產生的原因以及該仿真的意義。

        繼電器;溫升;計算機仿真

        1 引言

        隨著對繼電器認識的不斷深入,目前我們已經能夠實現對繼電器溫升的仿真計算,并且能夠確保較高的計算精度。今后,對于重要的產品,在研發(fā)設計階段,我們就能準確實現對其溫升的仿真計算,為產品的用料選擇,優(yōu)化設計提供理論依據。

        2 繼電器溫升仿真分析流程說明

        下面將HFV11溫升仿真分析的計算結果與試驗結果進行對比,進一步說明溫升仿真分析的過程,并驗證其準確性。

        2.1 建立繼電器溫升仿真分析的程序文件

        該過程是整個溫升仿真分析分析的重點和難點,對相關的理論知識和有限元分析的技能水平要求較高,過程復雜,在此無法詳細論述。

        主要涉及以下方面的要求:

        (1)傳熱學理論知識;

        (2) 有限元分析理論知識;

        (3)較高的ANSYS使用技能(需要進行一定的ANSYS編程,程序調試);

        (4)一定的工程實踐經驗及對繼電器的理解。

        以V11為例,建立起其溫升仿真的程序文件,準備后續(xù)跟實際試驗情況進行對比

        建立:HFV11的溫升仿真程序文件

        2.2 輸入所需的試驗條件并進行運算

        從之前HFV11做過的溫升試驗中隨機抽取一份,將其試驗條件作為HFV11的溫升仿真程序文件的輸入項,輸入程序文件中并進行計算,將得到的仿真分析結果和試驗進行對比。

        樣品信息:

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

        說明:

        兩組樣品動簧厚度略有差別,從實際試驗情況看,0.2mm厚的動簧溫升略低,但是區(qū)別不大。在本次ANSYS分析中以0.15mm的動簧厚度進行計算。

        2.3 不同試驗條件下的計算結果對比

        把試驗報告中不同的試驗條件作為輸入項輸入到已經完成的HFV11溫升仿真程序文件中,運行后得到以下結果:

        試驗條件一:觸點負載0A、環(huán)境溫度23℃,線圈電壓13.5VDC時

        參數樣品初始溫度測試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測試t2達到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動簧腳溫度動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-備注計算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗開始時測試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時測試環(huán)境溫度,對于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時測試環(huán)境溫度。

        樣品編號熱平衡后的線圈溫度動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仿真結果為:

        觸點負載0A、環(huán)境溫度23℃,線圈電壓13.5VDC時:

        圖1 外殼上的溫度情況

        圖2 內部的溫度情況

        試驗條件二:觸點負載10A、環(huán)境溫度23℃,線圈電壓13.5VDC時:

        參數樣品初始溫度測試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測試t2達到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動簧腳溫度動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備注計算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗開始時測試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時測試環(huán)境溫度,對于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時測試環(huán)境溫度。

        L28-A2為0.15mm動簧厚度的繼電器,以ANSYS計算中所用的動簧厚度一致。

        整理后的試驗數據為:

        樣品編號熱平衡后的線圈溫度動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仿真結果為:

        觸點負載10A、環(huán)境溫度23℃,線圈電壓13.5VDC時:

        圖3 外殼上的溫度情況

        圖4 內部的溫度情況

        試驗條件三:觸點負載20A、環(huán)境溫度125℃,線圈電壓13.5VDC時:

        參數樣品初始溫度測試t1初始溫度下電阻值R1熱平衡溫度測試t2達到熱平衡后的電阻值R2線圈溫升Δt動簧腳溫度動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備注計算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1為試驗開始時測試環(huán)境溫度,t2為熱平衡時測試環(huán)境溫度,對于電解銅K=234.5;引腳溫升=引腳溫度-t2熱平衡時測試環(huán)境溫度。

        L28-A2為0.15mm動簧厚度的繼電器,以ANSYS計算中所用的動簧厚度一致。

        整理后的試驗數據為:

        樣品編號熱平衡后的線圈溫度動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仿真結果為:

        觸點負載20A、環(huán)境溫度125℃,線圈電壓13.5VDC時

        圖5 外殼上的溫度情況

        圖6 內部的溫度情況

        因篇幅所限,在此不將所有ANSYS計算與試驗的對比數值一一列舉,僅以表格形式進行統計。

        表1 不同負載,不同環(huán)境溫度下仿真值與實際測試值對比

        3 仿真結果分析

        總體而言,仿真分析的結果與實測值非常接近,總體平均誤差不超過8%。進一步分析其數據,發(fā)現如下規(guī)律:

        不管是動簧腳還是靜簧腳:

        (1)在0A負載時,仿真計算值略大于實際測試值;

        (2)在10A左右負載時,仿真計算值與實際測試值最為接近;

        (3)在20A負載時,仿真計算值略小于實際測試值。

        下圖表示不同溫度、不同負載下動簧腳溫度實測值與計算值對比。

        (a)

        (b)

        (c)圖7 不同溫度、不同負載下動簧腳溫度實測值與計算值對比

        結合實際測試情況,認為出現此種情況的原因在于動、靜簧腳所連接的外接導線對引腳溫升存在影響。

        在進行ANSYS分析的時候,由于我們考慮的是繼電器本身的發(fā)熱,對于繼電器負載引腳所連接的導線對試驗結果的影響考慮得較少。而實際測試時,不管繼電器引腳有沒有通負載,動、靜簧腳處均接有4 直徑的導線,因此:

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

        (2)在10A負載附近,導線由于通有電流,導線本身發(fā)熱,在10A負載左右,導線由于自身發(fā)熱所達到的溫度接近該情況下繼電器引腳的溫度,所以導線對繼電器引腳的溫升影響較小,實測值與計算值最為接近;

        (3)在20A負載時,導線由于通電發(fā)熱所達到的溫度高于繼電器引腳的溫度,此時導線相當于連接到繼電器引腳上的一個“發(fā)熱源”,進一步提高了繼電器引腳的溫度,所以實測值略高于仿真計算值。

        證明如下:

        另取3只HFV11繼電器,置于123℃環(huán)境溫度下,做觸點負載0A下溫升試驗,其中:

        編號為1、2的繼電器做0A負載試驗時負載引腳不接導線;

        編號為3的繼電器做0A負載試驗時引腳接有4 直徑的導線。

        試驗結果如下表所示:

        樣品編號t1t2R1R2ΔT線圈溫度動簧腳溫度動簧腳溫度℃℃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

        由該試驗可知,繼電器負載引腳所接導線對試驗測試結果有較大影響,在123℃0A負載下,繼電器負載引腳是否接導線對于測試的結果影響最大可以達到203℃。

        因此,考慮到不同的試驗方法對實際測試結果有一定的影響,今后如果需要使仿真計算值的預測更加接近實際測試值,可以根據不同的試驗方法對仿真計算結果進行適當的系統誤差修正。

        4 結束語

        考慮到不同的試驗方法及實際繼電器產品的參數(如線圈電阻、接觸電阻、材料等)與理論預想值不完全相同等因素對實際的測試結果有一定的影響,因此,仿真計算值會與實際測試值會存在一些誤差。一般認為,仿真計算值如果與實際測試值能控制在10%左右,則該仿真模型已經較好地體現了實際的物理情況。今后,對于全新的產品,我們在設計完成初期就能對其進行溫升仿真計算,并且基本可以確保其仿真計算值與實際測試值的平均誤差不大于10%,完全能夠滿足實際的工程精度要求。

        [1] 張冠生.最新經典ANSYS教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

        [2] 張榴晨,徐松.有限元法在電磁計算中的應用[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

        [3] 王海峰,任一章.ANSYS在繼電器設計中的應用[J].溫度場分析,2008,36(6):126-129.

        [4] 李志博,朱瑪.ANSYS在電連接器溫升分析中的應用.計算機應用與軟件.2011,28(5).

        2015-09-18

        10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.010

        TN784

        A

        1000-6133(2015)06-0044-06

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