交流接触器温度场仿真及试验验证*

夏浩瑄，刘子胥，王景芹，王 丽

（河北工业大学 电磁场和电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

0 引言

交流接触器工作时，温度逐渐升高，当升高到一定温度时，会导致接触器使用寿命降低，甚至损坏[1-2]。而开关电器小型化的提出使得产品散热面积减小，单位体积的发热量增加。因此，对交流接触器进行热分析是当前亟需进行的关键技术。其目的在于通过研究各种工作状态下接触器的发热和散热情况，确保接触器在产品小型化的基础上满足热性能的要求。

本文将ANSYS有限元热分析应用到交流接触器热特性分析中，模仿其实际工作环境，构建交流接触器三维稳态热分析模型，确定热源、导热系数和表面散热系数，对接触器的稳态温度场进行分析；改变施加的边界条件，研究不同散热方式下接触器的温度分布。最后对CJX2-0910型交流接触器进行温升试验，将温度场的仿真结果与试验结果比较，验证所建立热分析模型的可行性。

1 交流接触器三维热分析模型

交流接触器的主要结构包括线圈、分磁环、触头和动静铁芯等。由于其结构的对称性，在ANSYS中对其进行简化处理，只对其四分之一进行建模。

1.1 基本假设

交流接触器热分析的计算基于以下假设：(1)接触器所处的空间无限大；(2)由于结构的对称性，认为对称面是绝热的；(3)材料各向同性；(4)外表面的对流散热只有自然对流散热；(5)在分析过程中环境温度为试验时的温度，本文试验时温度为25℃。

在以上假设条件下，交流接触器稳态热分析中要遵循三维热传导方程[3]：

式中：T为研究对象的温度，λ为导热系数，q为热源单位体积内的生热量。

1.2 边界条件

对于结构对称的交流接触器，其对称面为绝热边界条件：

交流接触器外壳外表面、主回路静触头、导电回路外壳部分、接线端外表面为散热边界条件：

式中：α为散热系数，T0、Tf分别为研究对象温度和环境温度。

式（1）、式（2）和式（3）就是所构建的交流接触器稳态热分析模型，对接触器热源和散热分析后，利用ANSYS软件对式（1）～（3）进行求解，就是对接触器稳态温度场的分析。

2 交流接触器热源分析

交流接触器工作时，其主要热源是电磁系统和主回路[4]。

2.1 电磁系统热源计算

线圈、分磁环以及铁芯是电磁系统的产热元件。

2.1.1 线圈与分磁环的发热功率

利用ANSYS软件中电磁场分析模块计算线圈电流，线圈两端电压为交流电220 V，交流电频率为50 Hz。

线圈的发热功率为：

电阻与温度的关系式为：

式中：R0为0℃时的电阻，θ为温度，α为电阻温度系数。

热生成载荷计算式为：

分磁环可看作匝数为1的线圈，其发热功率的计算方法与线圈相同。

2.1.2 铁芯损耗

通过线圈的交流电流产生的交变磁通在铁芯内产生磁滞和涡流损耗，根据铁芯材料的铁磁损耗曲线进行估算[5]。

对铁芯施加的载荷公式为：

式中：p为单位体积铁损，m为铁芯质量，Pt为铁芯发热功率。

2.2 主回路热源计算

主回路产热器件有三部分：主回路导体、动静触头和接线端处接触电阻。

主回路导体的发热功率：

式中：I为触头回路流过的额定电流，Rcont为主回路导体电阻。

计算动静触头接触处接触电阻经验公式[1]：

式中：F为接触力。

CJX2-0910型交流接触器触头材料为银触头，接触方式为面接触，K取60，对 m取 1。

接线端视为通过螺栓固定连接，其接触电阻计算方法[6-7]为：

式中：c·ρ为常数，由接触材料决定；Fk为接线端处的接触力，这里指螺纹连接的预紧力。

3 交流接触器散热计算

交流接触器的散热方式主要考虑3种途径，内部主要考虑传导散热，外部主要考虑表面对流和辐射散热[8]。

3.1 内部传导散热

给定导热面上热流密度相同时，热流量可表示为：

式中：A为垂直热流方向截面面积。一般情况下，某些材料的热导率λ与温度θ可近似地表示为线性关系，即：

式中：λ0为 0℃时的热导率，θ为温度，b为常数。

3.2 热对流

对于面积为A的接触面，其对流换热热流速率为：

式中：φ为热流量；Δtm为接触面的平均温差。

对流换热系数αcon取经验公式[1]：

式中：Tw、Tf分别为固体表面和周围流体的温度。

3.3 热辐射

把辐射换热量折合成对流换热量，得到的辐射换热系数为[9]：

式中：σ为 0.119×10-10BTU/h·in2·K4，故 ε 取 0.9。 则 外表面的复合散热系数：

利用定义表格的形式，将复合散热系数作为热边界条件施加，实现不同温度之间相应换热系数的计算。

4 仿真分析

本设计基于有限元软件ANSYS，建立交流接触器三维热分析模型，利用热电耦合对CJX2-0910额定电流为9 A的交流接触器进行温度场仿真分析，并讨论不同的散热方式对接触器温度的影响。

4.1 接触器温度仿真结果

交流接触器电磁铁和主回路的温度仿真结果分别如图1和图2所示，图中节点1～12取自交流接触器不同的部位，便于将仿真结果与试验测量温度值进行对比。

图1 电磁铁温度云图

图2 主回路温度云图

根据电磁铁温度场的仿真结果可知，静铁芯处的温度是最高的，这主要是由于线圈是电磁铁的主要热源，静铁芯处的散热空间远小于动铁芯的。对接触器主回路的温度场分布图分析可知，由于接触电阻的存在使得触头系统的温度要高一些，特别是触头接触处，其温度最高；接触器中间相两侧的热源不利于其散热，旁边相有一侧是外壳，使得中间相的温度（节点 9、10、11、12）比旁边相的温度(节点 5、6、7、8)高一些。

4.2 散热方式对接触器温度的影响

为了研究不同的散热方式对交流接触器稳态温升的影响，本设计改变施加的边界条件，根据CJX2-0910的工作环境温度，在环境温度为25℃时，对3种散热方式下接触器的温度分布进行仿真，结果如图3～5所示。

由图 3～5可知，对于 3种散热方式而言，在有对流有辐射的散热方式下，接触器的温度最低。对于有辐射无对流和有对流无辐射这两种方式，环境温度为25℃时，前者对接触器温度的影响低于后者。

5 温升试验

图3 25℃有对流无辐射

图4 25℃有辐射无对流

图5 25℃有对流有辐射

对交流接触器进行温升试验，主回路和线圈同时通电，主回路电流为额定电流，电磁线圈通220 V的交流电，达到稳定温升后，利用电阻法来测量线圈温升，并对节点1～12的温度进行测量。线圈平均温升仿真结果为63.8℃，试验测量温度为64.3℃，比仿真结果稍大。将节点1～12的仿真结果与试验测量温度进行比较，结果如图6所示。

由图6可知，节点的测量温度与仿真结果相差不大，相比而言，主回路误差比电磁系统的稍大，但最大误差也只有6.59%，出现在中间相的节点9，即触头接触处。这是由于建模时的假设和接触电阻的简化计算造成的，最小误差几乎为0，因此验证了所建立热分析模型的可行性。

图6 温度场仿真结果与试验结果比较

6 结论

（1）本文基于有限元软件 ANSYS，建立交流接触器三维热分析模型；针对CJX2-0910型接触器温度场进行仿真分析，得到接触器的温度分布图；对其进行温升试验，测量接触器不同部位的温度；并将试验中测量温度与仿真结果比较，误差最高仅6.59%，验证了仿真结果的正确性。

（2）不管是对流散热还是辐射散热，它们对接触器温升的影响较大，工程上在对接触器进行温升分析时，二者都不可忽视。

（3）在产品设计过程中，可以利用有限元软件对产品的温度场仿真，验证参数的设计是否合理，辅助接触器参数的优化设计，这对降低接触器研制费用、缩短开发周期有指导意义。

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