CN103970947A - 一种基于有限元分析的低压电器电磁***实时温升测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有限元分析的低压电器的电磁***实时温升测量方法，包括以下步骤：利用有限元仿真分析软件得到电磁***的温度场分布图，并计算得到不同控制电压下，线圈内部最高温度和线圈表面温度的稳态平均值；通过与给定控制电压试验中测得的线圈表面温度的稳态值对比，验证模型的正确性；建立不同控制电压下低压电器电磁***线圈内部最高温度和线圈表面温度的数学模型，找出对应关系；测量一台低压电器产品的电磁***的控制电压，并测量电磁***的线圈表面温度，调取该控制电压下的线圈内部最高温度和线圈表面温度的对应关系，计算出线圈内部的最高温度。本发明能够获得电磁***线圈的最高温升，直接对产品的运行状态进行判定，突破了现有测量方法只能测表面温度和平均温度的局限。

Description

一种基于有限元分析的低压电器电磁***实时温升测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于有限元分析的低压电器电磁***实时温升测量方法。

背景技术

温度测试是低压电器安全测试中应用最广，也是最复杂，最容易出现测试误差的部分，很多产品都会在涉及温度的测试中出现这样那样的问题，其测量的方法和精度会对产品的合格性评定产生决定性的影响。低压电器电磁***的温升测量，则更为复杂。电器工作时，电流透过线圈并在线圈中产生热量。对于交流电器，由于交变电磁场的作用还会在铁芯中产生涡流和磁滞损耗，并在绝缘体内产生介质损耗。所有的损耗几乎全部变成热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热电器，导致整个设备的温度升高。温度达到一定的高度，会使电器中使用的金属和绝缘材料的机械强度和绝缘强度明显下降，工作温度过高会使产品的使用寿命降低损坏，甚至发生火灾。

根据国家标准的规定：主电路不通电，线圈绕组在额定频率（交流时）下，应能承受根据其断续工作制级别所规定施加的额定控制电源电压（若为某一范围值，则取最高额定控制电源电压)，而其温升不超过相应规定的极限值，A级绝缘材料所对应的线圈极限温升为85K。

现有技术中，对于电磁***线圈温升测量采用的是电阻法，电阻法是利用线圈在发热时电阻的变化，来测量线圈的温度，具体方法是利用线圈的直流电阻，在温度升高后电阻值相应增大的关系来确定线圈的温度，其测得是线圈温度的平均值。在一定的温度范围内，电磁***线圈的电阻值将随着温度的上升而相应的增加，而且其阻值与温度之间存在着一定的函数关系。

对于铜线圈来说，线圈的热态温度t2的计算公式是：

式中

R₁：冷态线圈电阻，单位是欧姆，

R₂：断电瞬时热态线圈电阻，单位是欧姆，

t₁：冷态温度，一般等同于测量的冷态线圈电阻R₁时的环境温度，单位是摄氏度，

根据以上公式求出线圈的热态温度t₂后，若要求得到温升t₂ ^’，将计算得到的温度t₂,与试验结束时环境空气温度t₃之差即可得到，即温升t₂ ^’为

冷态时的电阻和热态时的电阻必须在同一出线端测得。线圈冷态时的温度在一般情况下，可以认为与周围环境温度相等。这样就可以计算出线圈在热态的温度。

使用电阻法，无法直接带电测量线圈的电阻而得到其温升，因为带电测线圈电阻在目前的技术条件下尚无法到达所需要的精确度。因此我们没办法得到断电瞬间时刻的线圈电阻值。只能通过间接的方法来得出，因导体电阻随温度变化呈现某一规律，所以，推算出断电瞬时的电阻值就可推算出线圈温升。线圈断开电源后，温度逐渐下降，所以测得的电阻值并不是线圈断电瞬时的电阻值。

由于温升对低压电器乃至配电***至关重要，如果温升上升过快不仅会导致电器的损坏，造成配电的中断，更有可能对电器本身造成火灾隐患。因此，对于一些重要的配电场合，需要实时监控电器的温升。现在通常的做法是采用人工巡视，配备简单的红外线测试温度测试工具测得进出线端子的温度。这种方法耗费大量的人力物力，也无法获得线圈的最高温度。如果有一种实时测量电磁***最高温度的方法，将很好的解决电阻法测量的弊端，并彻底改变人工巡视的做法。

发明内容

为此，本发明所要解决的是电阻法无法测量低压电器电磁***的最高温升，并且测量时间周期较长不准确的技术问题，提供一种基于有限元的低压电器电磁***实时温升测量的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于有限元分析的低压电器的电磁***实时温升测量方法，包括以下步骤：

步骤一：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立低压电器电磁***三维热场模型，即选择模型的单元类型和定义模型的材料属性；建立电磁***几何模型；选择分网精度，划分网格；计算线圈生热及电磁铁的涡流损耗、磁滞损耗生热，分析热交换的条件；设置边界条件，施加热载荷；设定求解的类型并进行稳态热力学仿真分析；计算不同控制电压下，输出电磁***的温度场分布图，线圈内部最高温度、线圈表面温度的稳态值和随时间变化的曲线；

步骤二：对仿真得到的线圈内部所有节点温度和线圈表面所有节点温度进行数据处理，得到不同控制电压下，线圈内部最高温度和线圈表面温度的稳态平均值；

步骤三：通过与给定控制电压试验中测得的线圈表面温度的稳态值对比，验证模型的正确性；

步骤四：通过曲线拟合，建立不同控制电压下低压电器电磁***线圈内部最高温度和线圈表面温度的数学模型，找出对应关系；

步骤五：测量一台低压电器产品的电磁***的控制电压，并测量电磁***的线圈表面温度，调取该控制电压下的线圈内部最高温度和线圈表面温度的对应关系，计算出线圈内部的最高温度；

步骤六：根据低压电器产品线圈材料允许温升值和给定判据，对低压电器产品进行评估，判断是否正常运行，能否继续使用。

本发明中，步骤一所述利用有限元仿真分析软件ANSYS建立低压电器电磁***三维热场模型具体为：

(1)定义仿真过程中的材料性能参数和热参数，所述材料性能参数如不同材料的热导率、电阻率和线圈规格等，热参数如表面散热系数等；

（2）选择单元类型为SOLID70热力学三维六面体单元，根据测量得到的尺寸，在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Create Volumes命令，建立电磁***的三维有限元模型；

(1)定义仿真过程中的材料性能参数和热参数，所述材料性能参数如不同材料的热导率、电阻率和线圈规格等，热参数如表面散热系数等；

（2）选择单元类型为SOLID70热力学三维六面体单元，根据测量得到的尺寸，在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Create Volumes命令，建立电磁***的三维有限元模型；

（3）根据线圈尺寸中的线径、匝数、线圈高度尺寸，通过热力学相关定理计算线圈单位体积的生热率；计算给定控制电压下的交变电流，根据交变电流在铁芯内产生涡流损耗和磁滞损耗的原理，以及铁芯的参数，计算得到铁芯的单位体积的生热率；

（4）分别赋予三维有限元模型各部分的材料性能参数和热参数；

（5）选择分网精度为6的自由分网方式，对CPS产品电磁***的三维有限元模型进行划分网格操作；

（6）设置温度边界条件为试验时测得的初始室温值，表面综合对流散热系数（综合考虑热对流和热辐射）根据散热条件的不同分别设定；

（7）设定仿真方式选择为稳态热力学仿真；

（8）进行仿真计算；

（9）输出CPS电磁***的温度场分布图，电磁***线圈表面和线圈内部的最大值和随时间变化的曲线；

（10）调整控制电压为220*110%，计算给定控制电压下的交变电流，重复步骤（3）-（9）；

（11）调整控制电压为220*85%，计算给定控制电压下的交变电流，重复步骤（3）-（9）；

（12）在220V的20%-150%之间依次选择电压，计算给定电压下的交变电流，重复步骤（3)-(9)。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明基于有限元分析的低压电器电磁***实时温升测量方法，能够获得电磁***线圈的最高温升，直接对产品的运行状态进行判定，突破了现有测量方法只能测表面温度和平均温度的局限。

本发明的基于有限元的低压电器电磁***实时温升测量方法，能够通过低压电器的控制电压和线圈表面温度，实时获得线圈的最高温升。现有技术的电阻测试法中需要较长的时间让***达到热稳态才能测得，大大缩短了测试时间，提高了测试效率，并能够迅速提供决策依据。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施实例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本发明基于有限元分析的低压电器电磁***实时温升测量方法，包括以下内容：

（1）利用有限元仿真分析软件ANSYS建立低压电器电磁***三维热场模型，并进行稳态热力学仿真分析，包括选择模型的单元类型和定义模型的材料属性；建立电磁***几何模型；选择分网精度，划分网格；计算线圈生热及电磁铁的涡流损耗、磁滞损耗生热，分析热交换的条件；设置边界条件，施加热载荷；设定求解的类型并进行稳态热力学仿真分析；输出电磁***的温度场分布图，电磁***线圈内部温度、线圈表面温度的稳态值和随时间变化的曲线。

（2）对仿真得到的线圈内部所有节点温度和线圈表面所有节点温度进行数据处理，得到不同控制电压下，线圈内部最高温度和线圈表面温度的稳态平均值。

（3）通过与给定控制电压试验中测得的线圈表面温度的稳态值对比，验证模型的正确性，验证模型的正确性；

（4）通过曲线拟合，建立不同控制电压下低压电器电磁***线圈内部最高温度和线圈表面温度的数学模型，找出对应关系；

（5）测量一台低压电器产品的电磁***的控制电压，并测量电磁***的线圈表面温度，调取该控制电压下的线圈内部最高温度和线圈表面温度的对应关系，计算出线圈内部的最高温度；

根据本发明所述的基于三维热场有限元分析的低压电器电磁***温升测量方法，给出一个低压电器产品电磁***温升测量实例如下：

测量实例中所用的浙江中凯KB0系列控制与保护开关电器产品（以下简称CPS）的工作电压为220V(AC50Hz)。测量步骤如下：

步骤一：确定测量所用的CPS电磁***部分的尺寸、各部分材料属性。CPS电磁***部分的主要材料有50W470硅钢片和漆包铜线，需要确定的材料属性包括密度、比热容、导热系数和电阻率等。

步骤二：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立CPS电磁***三维有限元热场模型，包括以下部分：

（1）定义仿真过程中的材料性能参数，如不同材料的热导率、电阻率、线圈规格，热参数如表面散热系数等；

（2）选择单元类型为SOLID70热力学三维六面体单元，根据测量得到的尺寸，在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Create Volumes命令，建立电磁***的三维有限元模型；

（3）根据线圈尺寸中的线径、匝数、线圈高度尺寸，通过热力学相关定理计算线圈单位体积的生热率；根据交变电流在铁芯内产生涡流损耗和磁滞损耗的原理，以及铁芯的参数，计算得到铁芯的单位体积的生热率；

（4）分别赋予三维有限元模型各部分的材料性能参数和热参数；

（5）选择分网精度为6的自由分网方式，对CPS产品电磁***的三维有限元模型进行划分网格操作；

（6）设置温度边界条件为试验时测得的初始室温值，表面综合对流散热系数（综合考虑热对流和热辐射）根据散热条件的不同分别设定；

（7）设定仿真方式选择为稳态热力学仿真；

（8）进行仿真计算；

（9）输出CPS电磁***的温度场分布图，电磁***线圈表面和线圈内部的最大值和随时间变化的曲线；

（10）调整控制电压为220*110%，计算仿真需要相关参数，重复步骤（1）-（9）；

（11）调整控制电压为220*85%，计算仿真需要相关参数，重复步骤（1）-（9）；

（12）在220V的20%-150%之间依次选择电压，计算相关仿真需要参数，重复步骤（1)-(9)。

步骤三：在MATLAB中对有限元仿真软件ANSYS中输出的线圈表面所有节点温度进行数据处理，分别得到不同控制电压下线圈表面温度，线圈内部平均温度，线圈内部最高温度。

步骤四：调整电磁***控制电压为220V，利用电阻法测量线圈的平均温度53度，利用电偶法测量线圈的表面温度为51度，利用MATLAB绘制线圈温度测量值的曲线。

步骤五：经比较，在控制电压220V下，仿真曲线与试验曲线基本一致。测温电路测得的线圈及铁芯表面温度的稳态值为50.8℃，仿真得到的线圈内部温度的稳态值为52.6℃，线圈内部最高温度为63度。稳态偏差为1.8℃，为稳态值的3.7%，验证了模型的正确性。

步骤六：通过MATLAB中的曲线拟合命令，将线圈表面温度作为X值，线圈内部最高温度作为Y值，建立线圈内部最高温度和线圈表面温度的数学模型和绘制拟合曲线，同理绘制其他控制电压下的拟合曲线，得到一个曲线族。

步骤七：测量一台CPS的控制电压，并测量线圈表面温度，同时测量环境温度为18度。

步骤八：测得CPS的控制电压为225V，测得的表面温度为52度，选取控制电压为220V的仿真曲线，当表面温度为52度时，线圈内部最高温度为65度，减去环境温度18度，线圈内部最高温升为47K，符合标准相关规定，且最高温度也远远低于线圈漆包线的极限温升，CPS运行正常。

显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于有限元分析的低压电器的电磁***实时温升测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立低压电器电磁***三维热场模型，即选择模型的单元类型和定义模型的材料属性；建立电磁***几何模型；选择分网精度，划分网格；计算线圈生热及电磁铁的涡流损耗、磁滞损耗生热，分析热交换的条件；设置边界条件，施加热载荷；设定求解的类型并进行稳态热力学仿真分析；计算不同控制电压下，输出电磁***的温度场分布图，线圈内部最高温度、线圈表面温度的稳态值和随时间变化的曲线；

步骤二：对仿真得到的线圈内部所有节点温度和线圈表面所有节点温度进行数据处理，得到不同控制电压下，线圈内部最高温度和线圈表面温度的稳态平均值；

步骤三：通过与给定控制电压试验中测得的线圈表面温度的稳态值对比，验证模型的正确性；

步骤四：通过曲线拟合，建立不同控制电压下低压电器电磁***线圈内部最高温度和线圈表面温度的数学模型，找出对应关系；

步骤五：测量一台低压电器产品的电磁***的控制电压，并测量电磁***的线圈表面温度，调取该控制电压下的线圈内部最高温度和线圈表面温度的对应关系，计算出线圈内部的最高温度；

步骤六：根据低压电器产品线圈材料允许温升值和给定判据，对低压电器产品进行评估，判断是否正常运行，能否继续使用。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的低压电器的电磁***实时温升测量方法，其特征在于步骤一所述利用有限元仿真分析软件ANSYS建立低压电器电磁***三维热场模型具体为：

（1）定义仿真过程中的材料性能参数和热参数；

（2）选择单元类型为SOLID70热力学三维六面体单元，根据测量得到的尺寸，在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Create Volumes命令，建立电磁***的三维有限元模型；

（3）根据线圈尺寸中的线径、匝数、线圈高度尺寸，通过热力学相关定理计算线圈单位体积的生热率；计算给定控制电压下的交变电流，根据交变电流在铁芯内产生涡流损耗和磁滞损耗的原理，以及铁芯的参数，计算得到铁芯的单位体积的生热率；

（4）分别赋予三维有限元模型各部分的材料性能参数和热参数；

（5）选择分网精度为6的自由分网方式，对CPS产品电磁***的三维有限元模型进行划分网格操作；

（6）设置温度边界条件为试验时测得的初始室温值，表面综合对流散热系数（综合考虑热对流和热辐射）根据散热条件的不同分别设定；

（7）设定仿真方式选择为稳态热力学仿真；

（8）进行仿真计算；

（9）输出CPS电磁***的温度场分布图，电磁***线圈表面和线圈内部的最大值和随时间变化的曲线；

（10）调整控制电压为220*110%，计算给定控制电压下的交变电流，重复步骤（3）-（9）；

（11）调整控制电压为220*85%，计算给定控制电压下的交变电流，重复步骤（3）-（9）；

（12）在220V的20%-150%之间依次选择电压，计算给定电压下的交变电流，重复步骤（3)-(9)。