一种欠压脱扣器线圈温度场计算与分析

2022-08-17罗锦华伍开建罗欣宇

船电技术 2022年8期

关键词：铁芯温升温度场

罗锦华，伍开建，罗欣宇，祝聪

一种欠压脱扣器线圈温度场计算与分析

罗锦华，伍开建，罗欣宇，祝聪

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文基于Ansys Workbench分析了一种直流长时工作制的欠压脱扣器线圈温升，并通过物理样机实验验证了该分析的准确性。分析结果表明，通过仿真计算可以准确分析脱扣器线圈的温升参数，为快速高效设计最优的线圈提供理论基础。

欠压脱扣器线圈温升

0 引言

当低压配电和用电电路因发生故障而使网络电压大幅度降低时，就会导致：1）减少发电机的出力；2）线路损耗增加；3）电动机出现疲劳、堵转，电流增加，温升升高；4）控制电路的电磁铁吸力不足，操作控制失灵，触头烧损严重，使电动机无法启动等。因此在回路中设计装有欠压脱扣器的保护电器，及时切断故障电路，保护回路设备至关重要。欠压脱扣器通常为不间断工作制，工作时线圈发热量大且散热条件差是一个突出的问题。若线圈温升过高，会导致绝缘老化，降低使用寿命，严重时甚至导致匝间击穿、短路以致烧毁。因而其设计过程中对欠压脱扣器线圈进行温升设计至关重要[1～3]。

在欠压脱扣器线圈温升设计中，通常采用经验公式校核初步设计的线圈，然后通过实验调整设计参数[4]。为了保证设计效率，会留有较大设计裕度，增加产品成本，并且设计周期长。本文基于Ansys Workbench对欠压脱扣器线圈进行温度场仿真分析，从建立有限元模型，施加载荷、边界条件和后处理分析结果方面介绍了整个分析流程，最后通过样机实验证明了该分析的正确性和可行性。

1 组成结构

图1为该欠压脱扣器线圈的组成结构示意图。由于该脱扣器是直流驱动，无需考虑涡流的影响。脱扣器的动铁芯和静铁芯都是由导磁材料硅钢片通过铆接而成，以便给线圈通电时形成磁场回路。由具有高结构强度的酚醛玻璃纤压塑料压制而成的线圈骨架固定在静铁芯中，而线圈缠绕在线圈骨架中。在线圈的外圆面用无碱带和直纹布带缠绕，加强线圈与相邻零件之间的绝缘。当线圈通电后，动铁芯将在磁场的作用下克服弹簧力顺时针转动与静铁芯接触完成吸合动作。

图1 欠压脱扣器结构示意图

2 理论分析

2.1 发热分析

本欠压脱扣器线圈为直流线圈，主要发热来自于电流通过导体时产生的电阻损耗。发热量表示如下：

然而，随着线圈发热，线圈温度发生变化，导线的电阻率也随之变化，从而影响线圈的发热功率。对于长时工作制的线圈，发热功率随着通电时间的增大不停变化，因此，线圈的发热是一个非线性过程，用传统计算方法计算出线圈的发热量的误差非常大。本文根据网上相关数据得到铜的电阻率与温度之间的关系如表1所示。

表1 不同温度下同导线的电阻率

2.2 散热分析

欠压脱扣器线圈的散热有三种方式，即传导、辐射和对流。在实际工作中，这三种散热方式共同存在，相互影响，因此在实际热计算中，通常并不分别单独考虑。为了简约起见，常把三种散热方式合并在一起计算，用一个综合散热系数考虑，如下：

上式就把一系列极其复杂的影响散热过程的因素全部考虑在散热系数中，因此，在用这种方法计算散热时，最重要的问题在于散热系数的选取。

散热系数并不是常数，而与发热体的温度和周围介质的温度有关，对于线圈，可以用以下的经验公式计算散热系数。

通常还需要利用模型实验重新校核散热系数，才能得到相对准确的计算结果。

3 仿真分析

3.1 有限元模型

如下图所示，在Ansys Workbench中建立有限元模型。为了简化计算并贴近实际工况，本文只选择与线圈绕组相关的零件进行热分析。线圈绕组为主要发热源，缠绕在线圈骨架上，线圈骨架为绝缘件，固定线圈绕组用，导热系数较低。在线圈绕组的外面有一层外包绝缘，起绝缘保护作用，同时也妨碍了线圈绕组的散热。骨架中间为欠压脱扣器的静铁芯，导热系数较高，有利于将线圈绕组内部的热量输送到空气中。外包绝缘包括无碱带和直纹布带两层，本文用一层0.5 mm后的绝缘层表示。因为线圈绕组的匝数太多，实际建模计算量太大，本文选择用矩形螺旋弹簧等效，通过设置材料的电阻率使得等效后的电阻值与实际设计电阻值相同即可，如图2（b）所示。