毛瑩瑩， 王明娣

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們生產(chǎn)生活對電力系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的依賴也越來越大。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),異步電動機(jī)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(hù)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(chǎn)品體積越大，需要占用機(jī)柜的尺寸也就越大?；诖吮尘跋略O(shè)計(jì)開發(fā)一款寬度為27 mm的熱繼電器，相比傳統(tǒng)45 mm寬的產(chǎn)品，寬度減少了40%，但寬度方向的變化也對雙金導(dǎo)電系統(tǒng)產(chǎn)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(dǎo)電系統(tǒng)并借助ANSYS軟件對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真和改進(jìn)。

1 設(shè)計(jì)方案的提出

1.1 雙金導(dǎo)電系統(tǒng)的工作原理

作為導(dǎo)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件雙金屬片，當(dāng)電流流過產(chǎn)生熱量后引起其彎曲變形從而產(chǎn)生位移及一定的推力實(shí)現(xiàn)對熱繼電器的斷開和接通。當(dāng)電流增大時，推力推開機(jī)構(gòu)；當(dāng)電流恢復(fù)后，雙金屬片恢復(fù)為正常的狀態(tài)，可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位。雙金屬片的發(fā)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(chǎn)生的熱量經(jīng)過空氣傳播給雙金屬片，加熱元件通常為絲狀或帶狀，環(huán)繞在雙金屬片周圍。3）復(fù)合加熱式。直接加熱與間接加熱兩種形式的結(jié)合。4）電流互感器加熱式。電流通過不同比數(shù)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(fā)的熱繼電器額定電流為0.1～32 A，因此采用復(fù)合加熱式的設(shè)計(jì)，6 A以下加熱元件為絲狀，6 A以上采用帶狀，環(huán)繞在雙金屬片周圍。

1.2 熱量傳遞方式

雙金發(fā)熱產(chǎn)生的熱量在熱繼電器內(nèi)部的空間內(nèi)同樣也進(jìn)行著熱量的傳遞，熱量傳遞方式主要有以下三種[3]：

1）傳導(dǎo)。計(jì)算公式如下：

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

式中，hc為對流系數(shù)，W/（m2·K）。3）輻射。計(jì)算公式如下：

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

熱量傳遞的過程又會對雙金系統(tǒng)的位移產(chǎn)生影響，仿真時這些因素都需要考慮進(jìn)去。

1.3 方案的確定

熱繼寬度的變化直接影響到雙金導(dǎo)電系統(tǒng)的工作特性，寬度變窄雖然減小了產(chǎn)品體積，節(jié)省了安裝空間,但傳統(tǒng)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(guān)的解決方案，同時結(jié)合前面的雙金導(dǎo)電系統(tǒng)的工作原理與熱量傳遞的三種方式，利用以下兩個發(fā)明原理提出初步的設(shè)計(jì)方案：1）發(fā)明原理17?？臻g維數(shù)變化，將傳統(tǒng)的雙金由橫排方式變?yōu)榭v排。2）發(fā)明原理4。非對稱，將三相的出線端子采用不對稱的結(jié)構(gòu)，克服三相發(fā)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(fù)合加熱式的設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的計(jì)算公式無法得到一些準(zhǔn)確的數(shù)值,參考文獻(xiàn)[5-6]借助有限元仿真的方式得到我們需要的一些參數(shù)。將確定設(shè)計(jì)方案的3D模型做一些簡化處理后導(dǎo)入ANSYS仿真軟件，根據(jù)表1中的參數(shù)設(shè)置材料屬性。

表1 材料物性參數(shù)設(shè)置

將各個零件屬性設(shè)置完成后，進(jìn)行劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、仿真計(jì)算及最后的后處理得到圖1的仿真等溫線。

2.2 ANSYS仿真結(jié)果及改進(jìn)

第一次仿真結(jié)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(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此將L3端子做如圖2所示的改進(jìn)。

圖1 雙金導(dǎo)電系統(tǒng)的仿真等溫線

重新仿真得到表2所示第二次的仿真結(jié)果，結(jié)果顯示有點(diǎn)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(jié)果，此時三相的溫升已經(jīng)非常接近。

圖2 改進(jìn)前后出線端子（右側(cè)為改進(jìn)后）

圖3 熱繼內(nèi)部L3增加隔墻

表2 三次溫升仿真結(jié)果

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及模型修正

方案基本確定后，打樣相關(guān)零件組裝成樣機(jī)后如圖4所示，采用熱電偶法進(jìn)行測試。測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB14048.1通入1.0In的電流,直到溫升穩(wěn)定差異在±1 ℃[7]。

實(shí)測結(jié)果如表3所示，樣機(jī)三相實(shí)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(shù)值要低得多，經(jīng)過仔細(xì)分析，仿真模型原先未加入輻射條件，重新設(shè)置仿真條件后再次進(jìn)行仿真計(jì)算，得到兩者的溫升數(shù)值已經(jīng)非常接近。

圖4 樣機(jī)測試

表3 溫升仿真與樣機(jī)實(shí)測對比表

4 結(jié)語

基于TRIZ理論通過改變常規(guī)的雙金導(dǎo)電系統(tǒng)的排布，得到新的排布方式，并借助ANSYS分析軟件仿真和調(diào)整模型，最后結(jié)合樣機(jī)的實(shí)測結(jié)果再次修正模型，最終得到比較接近的結(jié)果。為后續(xù)類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及仿真提供了參考，新產(chǎn)品開發(fā)成功后利于設(shè)備制造商及設(shè)計(jì)師減小機(jī)柜尺寸，降低對環(huán)境的影響。