0 引言

    交流接觸器工作時，溫度逐漸升高，當升高到一定溫度時，會導致接觸器使用壽命降低，甚至損壞^[1-2]。而開關電器小型化的提出使得產品散熱面積減小，單位體積的發熱量增加。因此，對交流接觸器進行熱分析是當前亟需進行的關鍵技術。其目的在于通過研究各種工作狀態下接觸器的發熱和散熱情況，確保接觸器在產品小型化的基礎上滿足熱性能的要求。

    本文將ANSYS有限元熱分析應用到交流接觸器熱特性分析中，模仿其實際工作環境，構建交流接觸器三維穩態熱分析模型，確定熱源、導熱系數和表面散熱系數，對接觸器的穩態溫度場進行分析；改變施加的邊界條件，研究不同散熱方式下接觸器的溫度分布。最后對CJX2-0910型交流接觸器進行溫升試驗，將溫度場的仿真結果與試驗結果比較，驗證所建立熱分析模型的可行性。

1 交流接觸器三維熱分析模型

    交流接觸器的主要結構包括線圈、分磁環、觸頭和動靜鐵芯等。由于其結構的對稱性，在ANSYS中對其進行簡化處理，只對其四分之一進行建模。

1.1 基本假設

    交流接觸器熱分析的計算基于以下假設：(1)接觸器所處的空間無限大；(2)由于結構的對稱性，認為對稱面是絕熱的；(3)材料各向同性；(4)外表面的對流散熱只有自然對流散熱；(5)在分析過程中環境溫度為試驗時的溫度，本文試驗時溫度為25 ℃。

    在以上假設條件下，交流接觸器穩態熱分析中要遵循三維熱傳導方程^[3]：

式中：T為研究對象的溫度，λ為導熱系數，q為熱源單位體積內的生熱量。

1.2 邊界條件

    對于結構對稱的交流接觸器，其對稱面為絕熱邊界條件：

式中：α為散熱系數，T₀、T_f分別為研究對象溫度和環境溫度。

    式（1）、式（2）和式（3）就是所構建的交流接觸器穩態熱分析模型，對接觸器熱源和散熱分析后，利用ANSYS軟件對式（1）～（3）進行求解，就是對接觸器穩態溫度場的分析。

2 交流接觸器熱源分析

    交流接觸器工作時，其主要熱源是電磁系統和主回路^[4]。

2.1 電磁系統熱源計算

    線圈、分磁環以及鐵芯是電磁系統的產熱元件。

2.1.1 線圈與分磁環的發熱功率

    利用ANSYS軟件中電磁場分析模塊計算線圈電流，線圈兩端電壓為交流電220 V，交流電頻率為50 Hz。

    線圈的發熱功率為：

    分磁環可看作匝數為1的線圈，其發熱功率的計算方法與線圈相同。

2.1.2 鐵芯損耗

    通過線圈的交流電流產生的交變磁通在鐵芯內產生磁滯和渦流損耗，根據鐵芯材料的鐵磁損耗曲線進行估算^[5]。

    對鐵芯施加的載荷公式為：

式中：p為單位體積鐵損，m為鐵芯質量，P_t為鐵芯發熱功率。

2.2 主回路熱源計算

    主回路產熱器件有三部分：主回路導體、動靜觸頭和接線端處接觸電阻。

    主回路導體的發熱功率：

式中：I為觸頭回路流過的額定電流，R_cont為主回路導體電阻。

    計算動靜觸頭接觸處接觸電阻經驗公式^[1]：

式中：F為接觸力。

    CJX2-0910型交流接觸器觸頭材料為銀觸頭，接觸方式為面接觸，K取60，對m取1。

    接線端視為通過螺栓固定連接，其接觸電阻計算方法^[6-7]為：

式中：c·ρ為常數，由接觸材料決定；F_k為接線端處的接觸力，這里指螺紋連接的預緊力。

3 交流接觸器散熱計算

    交流接觸器的散熱方式主要考慮3種途徑，內部主要考慮傳導散熱，外部主要考慮表面對流和輻射散熱^[8]。

3.1 內部傳導散熱

    給定導熱面上熱流密度相同時，熱流量可表示為：

式中：A為垂直熱流方向截面面積。一般情況下，某些材料的熱導率λ與溫度θ可近似地表示為線性關系，即：

式中：λ₀為0 ℃時的熱導率，θ為溫度，b為常數。

3.2 熱對流

    對于面積為A的接觸面，其對流換熱熱流速率為：

式中：φ為熱流量；Δt_m為接觸面的平均溫差。

    對流換熱系數α_con取經驗公式^[1]：

式中：T_w、T_f分別為固體表面和周圍流體的溫度。

3.3 熱輻射

    把輻射換熱量折合成對流換熱量，得到的輻射換熱系數為^[9]：

式中：σ為0.119×10^-10 BTU/h·in²·K⁴，故ε取0.9。則外表面的復合散熱系數：

    利用定義表格的形式，將復合散熱系數作為熱邊界條件施加，實現不同溫度之間相應換熱系數的計算。

4 仿真分析

    本設計基于有限元軟件ANSYS，建立交流接觸器三維熱分析模型，利用熱電耦合對CJX2-0910額定電流為9 A的交流接觸器進行溫度場仿真分析，并討論不同的散熱方式對接觸器溫度的影響。

4.1 接觸器溫度仿真結果

    交流接觸器電磁鐵和主回路的溫度仿真結果分別如圖1和圖2所示，圖中節點1～12取自交流接觸器不同的部位，便于將仿真結果與試驗測量溫度值進行對比。

    根據電磁鐵溫度場的仿真結果可知，靜鐵芯處的溫度是最高的，這主要是由于線圈是電磁鐵的主要熱源，靜鐵芯處的散熱空間遠小于動鐵芯的。對接觸器主回路的溫度場分布圖分析可知，由于接觸電阻的存在使得觸頭系統的溫度要高一些，特別是觸頭接觸處，其溫度最高；接觸器中間相兩側的熱源不利于其散熱，旁邊相有一側是外殼，使得中間相的溫度（節點9、10、11、12）比旁邊相的溫度(節點5、6、7、8)高一些。

4.2 散熱方式對接觸器溫度的影響

    為了研究不同的散熱方式對交流接觸器穩態溫升的影響，本設計改變施加的邊界條件，根據CJX2-0910的工作環境溫度，在環境溫度為25 ℃時，對3種散熱方式下接觸器的溫度分布進行仿真，結果如圖3～5所示。

    由圖3～5可知，對于3種散熱方式而言，在有對流有輻射的散熱方式下，接觸器的溫度最低。對于有輻射無對流和有對流無輻射這兩種方式，環境溫度為25 ℃時，前者對接觸器溫度的影響低于后者。

5 溫升試驗

    對交流接觸器進行溫升試驗，主回路和線圈同時通電，主回路電流為額定電流，電磁線圈通220 V的交流電，達到穩定溫升后，利用電阻法來測量線圈溫升，并對節點1～12的溫度進行測量。線圈平均溫升仿真結果為63.8 ℃，試驗測量溫度為64.3 ℃，比仿真結果稍大。將節點1～12的仿真結果與試驗測量溫度進行比較，結果如圖6所示。

    由圖6可知，節點的測量溫度與仿真結果相差不大，相比而言，主回路誤差比電磁系統的稍大，但最大誤差也只有6.59%，出現在中間相的節點9，即觸頭接觸處。這是由于建模時的假設和接觸電阻的簡化計算造成的，最小誤差幾乎為0，因此驗證了所建立熱分析模型的可行性。

6 結論

    （1）本文基于有限元軟件ANSYS，建立交流接觸器三維熱分析模型；針對CJX2-0910型接觸器溫度場進行仿真分析，得到接觸器的溫度分布圖；對其進行溫升試驗，測量接觸器不同部位的溫度；并將試驗中測量溫度與仿真結果比較，誤差最高僅6.59%，驗證了仿真結果的正確性。

    （2）不管是對流散熱還是輻射散熱，它們對接觸器溫升的影響較大，工程上在對接觸器進行溫升分析時，二者都不可忽視。

    （3）在產品設計過程中，可以利用有限元軟件對產品的溫度場仿真，驗證參數的設計是否合理，輔助接觸器參數的優化設計，這對降低接觸器研制費用、縮短開發周期有指導意義。

參考文獻

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