基于ANSYS的继电器温升仿真分析

毛金平

(厦门宏发电声有限公司，福建厦门，361021)



试验与检测

基于ANSYS的继电器温升仿真分析

毛金平

(厦门宏发电声有限公司，福建厦门，361021)

温升是继电器工作时的一个重要指标，会直接决定继电器在高温下的吸合、释放电压，决定继电器的塑料选用，过高的温升甚至会导致继电器工作时烧毁。本文简要介绍了继电器温升计算机仿真分析的流程，并将计算结果与试验结果进行了对比，最后分析了误差产生的原因以及该仿真的意义。

继电器；温升；计算机仿真

1 引言

随着对继电器认识的不断深入，目前我们已经能够实现对继电器温升的仿真计算，并且能够确保较高的计算精度。今后，对于重要的产品，在研发设计阶段，我们就能准确实现对其温升的仿真计算，为产品的用料选择，优化设计提供理论依据。

2 继电器温升仿真分析流程说明

下面将HFV11温升仿真分析的计算结果与试验结果进行对比，进一步说明温升仿真分析的过程，并验证其准确性。

2.1 建立继电器温升仿真分析的程序文件

该过程是整个温升仿真分析分析的重点和难点，对相关的理论知识和有限元分析的技能水平要求较高，过程复杂，在此无法详细论述。

主要涉及以下方面的要求：

(1)传热学理论知识；

(2) 有限元分析理论知识；

(3)较高的ANSYS使用技能(需要进行一定的ANSYS编程,程序调试)；

(4)一定的工程实践经验及对继电器的理解。

以V11为例，建立起其温升仿真的程序文件，准备后续跟实际试验情况进行对比

建立:HFV11的温升仿真程序文件

2.2 输入所需的试验条件并进行运算

从之前HFV11做过的温升试验中随机抽取一份，将其试验条件作为HFV11的温升仿真程序文件的输入项，输入程序文件中并进行计算，将得到的仿真分析结果和试验进行对比。

样品信息：

夏门宏发/HONGFA夏门宏发/HONGFAHFV11/12-HTR(555)HFV11/12-HTR(555)//3只3只L28-A1～L28-A3L28-B1～L28-B3动簧厚0.15,并联电阻1000欧姆动簧厚0.2,并联电阻1000欧姆

说明：

两组样品动簧厚度略有差别，从实际试验情况看，0.2mm厚的动簧温升略低，但是区别不大。在本次ANSYS分析中以0.15mm的动簧厚度进行计算。

2.3 不同试验条件下的计算结果对比

把试验报告中不同的试验条件作为输入项输入到已经完成的HFV11温升仿真程序文件中，运行后得到以下结果：

试验条件一：触点负载0A、环境温度23℃，线圈电压13.5VDC时

参数样品初始温度测试t1初始温度下电阻值R1热平衡温度测试t2达到热平衡后的电阻值R2线圈温升Δt动簧脚温度动簧脚温升静簧脚温度静簧脚温升吸合电压Va释放电压Vb接触压降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-备注计算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1为试验开始时测试环境温度,t2为热平衡时测试环境温度,对于电解铜K=234.5;引脚温升=引脚温度-t2热平衡时测试环境温度。

样品编号热平衡后的线圈温度动簧脚温度静簧脚温度L28-A2初始环境温度24+线圈温升4.5=69.559.457.1

ANSYS仿真结果为：

触点负载0A、环境温度23℃，线圈电压13.5VDC时：

图1 外壳上的温度情况

图2 内部的温度情况

试验条件二：触点负载10A、环境温度23℃，线圈电压13.5VDC时：

参数样品初始温度测试t1初始温度下电阻值R1热平衡温度测试t2达到热平衡后的电阻值R2线圈温升Δt动簧脚温度动簧脚温升静簧脚温度静簧脚温升吸合电压Va释放电压Vb接触压降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备注计算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1为试验开始时测试环境温度,t2为热平衡时测试环境温度,对于电解铜K=234.5;引脚温升=引脚温度-t2热平衡时测试环境温度。

L28-A2为0.15mm动簧厚度的继电器，以ANSYS计算中所用的动簧厚度一致。

整理后的试验数据为：

样品编号热平衡后的线圈温度动簧脚温度静簧脚温度L28-A2初始环境温度24+线圈温升49.7=76.767.466.6

ANSYS仿真结果为：

触点负载10A、环境温度23℃，线圈电压13.5VDC时：

图3 外壳上的温度情况

图4 内部的温度情况

试验条件三：触点负载20A、环境温度125℃，线圈电压13.5VDC时：

参数样品初始温度测试t1初始温度下电阻值R1热平衡温度测试t2达到热平衡后的电阻值R2线圈温升Δt动簧脚温度动簧脚温升静簧脚温度静簧脚温升吸合电压Va释放电压Vb接触压降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备注计算公式:Δt=[(R2-R1÷R1]×(K+t1)-(t2-t1),公式中t1为试验开始时测试环境温度,t2为热平衡时测试环境温度,对于电解铜K=234.5;引脚温升=引脚温度-t2热平衡时测试环境温度。

L28-A2为0.15mm动簧厚度的继电器，以ANSYS计算中所用的动簧厚度一致。

整理后的试验数据为：

样品编号热平衡后的线圈温度动簧脚温度静簧脚温度L28-A2初始环境温度24+线圈温升49.7=76.767.466.6

ANSYS仿真结果为：

触点负载20A、环境温度125℃，线圈电压13.5VDC时

图5 外壳上的温度情况

图6 内部的温度情况

因篇幅所限，在此不将所有ANSYS计算与试验的对比数值一一列举，仅以表格形式进行统计。

表1 不同负载，不同环境温度下仿真值与实际测试值对比

3 仿真结果分析

总体而言，仿真分析的结果与实测值非常接近，总体平均误差不超过8%。进一步分析其数据，发现如下规律：

不管是动簧脚还是静簧脚：

(1)在0A负载时，仿真计算值略大于实际测试值；

(2)在10A左右负载时，仿真计算值与实际测试值最为接近；

(3)在20A负载时，仿真计算值略小于实际测试值。

下图表示不同温度、不同负载下动簧脚温度实测值与计算值对比。

(a)

(b)

(c)图7 不同温度、不同负载下动簧脚温度实测值与计算值对比

结合实际测试情况，认为出现此种情况的原因在于动、静簧脚所连接的外接导线对引脚温升存在影响。

在进行ANSYS分析的时候，由于我们考虑的是继电器本身的发热，对于继电器负载引脚所连接的导线对试验结果的影响考虑得较少。而实际测试时，不管继电器引脚有没有通负载，动、静簧脚处均接有4 直径的导线，因此：

(1)在0A时，导线中不通电流，导线不发热，此时导线相当于连接在引脚上的“散热片”，从引脚上传走了一部分热量，于是，实际测试温度略低于仿真计算值；

(2)在10A负载附近，导线由于通有电流，导线本身发热，在10A负载左右，导线由于自身发热所达到的温度接近该情况下继电器引脚的温度，所以导线对继电器引脚的温升影响较小，实测值与计算值最为接近；

(3)在20A负载时，导线由于通电发热所达到的温度高于继电器引脚的温度，此时导线相当于连接到继电器引脚上的一个“发热源”，进一步提高了继电器引脚的温度，所以实测值略高于仿真计算值。

证明如下：

另取3只HFV11继电器，置于123℃环境温度下，做触点负载0A下温升试验，其中:

编号为1、2的继电器做0A负载试验时负载引脚不接导线；

编号为3的继电器做0A负载试验时引脚接有4 直径的导线。

试验结果如下表所示：

样品编号t1t2R1R2ΔT线圈温度动簧脚温度动簧脚温度℃℃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

由该试验可知，继电器负载引脚所接导线对试验测试结果有较大影响，在123℃0A负载下，继电器负载引脚是否接导线对于测试的结果影响最大可以达到203℃。

因此，考虑到不同的试验方法对实际测试结果有一定的影响，今后如果需要使仿真计算值的预测更加接近实际测试值，可以根据不同的试验方法对仿真计算结果进行适当的系统误差修正。

4 结束语

考虑到不同的试验方法及实际继电器产品的参数(如线圈电阻、接触电阻、材料等)与理论预想值不完全相同等因素对实际的测试结果有一定的影响，因此，仿真计算值会与实际测试值会存在一些误差。一般认为，仿真计算值如果与实际测试值能控制在10%左右，则该仿真模型已经较好地体现了实际的物理情况。今后，对于全新的产品，我们在设计完成初期就能对其进行温升仿真计算，并且基本可以确保其仿真计算值与实际测试值的平均误差不大于10%，完全能够满足实际的工程精度要求。

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2015-09-18

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.010

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