一種基于有限元分析的低壓電器電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有限元分析的低壓電器的電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法，包括以下步驟：利用有限元仿真分析軟件得到電磁系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布圖，并計(jì)算得到不同控制電壓下，線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的穩(wěn)態(tài)平均值；通過(guò)與給定控制電壓試驗(yàn)中測(cè)得的線圈表面溫度的穩(wěn)態(tài)值對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性；建立不同控制電壓下低壓電器電磁系統(tǒng)線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的數(shù)學(xué)模型，找出對(duì)應(yīng)關(guān)系；測(cè)量一臺(tái)低壓電器產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)的控制電壓，并測(cè)量電磁系統(tǒng)的線圈表面溫度，調(diào)取該控制電壓下的線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出線圈內(nèi)部的最高溫度。本發(fā)明能夠獲得電磁系統(tǒng)線圈的最高溫升，直接對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，突破了現(xiàn)有測(cè)量方法只能測(cè)表面溫度和平均溫度的局限。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于有限元分析的低壓電器電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于有限元分析的低壓電器電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度測(cè)試是低壓電器安全測(cè)試中應(yīng)用最廣，也是最復(fù)雜，最容易出現(xiàn)測(cè)試誤差的部分，很多產(chǎn)品都會(huì)在涉及溫度的測(cè)試中出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題，其測(cè)量的方法和精度會(huì)對(duì)產(chǎn)品的合格性評(píng)定產(chǎn)生決定性的影響。低壓電器電磁系統(tǒng)的溫升測(cè)量，則更為復(fù)雜。電器工作時(shí)，電流透過(guò)線圈并在線圈中產(chǎn)生熱量。對(duì)于交流電器，由于交變電磁場(chǎng)的作用還會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，并在絕緣體內(nèi)產(chǎn)生介質(zhì)損耗。所有的損耗幾乎全部變成熱能，一部分散失到周?chē)橘|(zhì)中，一部分加熱電器，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的溫度升高。溫度達(dá)到一定的高度，會(huì)使電器中使用的金屬和絕緣材料的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度明顯下降，工作溫度過(guò)高會(huì)使產(chǎn)品的使用壽命降低損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)。
[0003]根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定:主電路不通電,線圈繞組在額定頻率(交流時(shí))下,應(yīng)能承受根據(jù)其斷續(xù)工作制級(jí)別所規(guī)定施加的額定控制電源電壓(若為某一范圍值，則取最高額定控制電源電壓)，而其溫升不超過(guò)相應(yīng)規(guī)定的極限值，A級(jí)絕緣材料所對(duì)應(yīng)的線圈極限溫升為 85K。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于電磁系統(tǒng)線圈溫升測(cè)量采用的是電阻法，電阻法是利用線圈在發(fā)熱時(shí)電阻的變化，來(lái)測(cè)量線圈的溫度，具體方法是利用線圈的直流電阻，在溫度升高后電阻值相應(yīng)增大的關(guān)系來(lái)確定線圈的溫度，其測(cè)得是線圈溫度的平均值。在一定的溫度范圍內(nèi)，電磁系統(tǒng)線圈的電阻值將隨著溫度的上升而相應(yīng)的增加，而且其阻值與溫度之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。
[0005]對(duì)于銅線圈來(lái)說(shuō)，線圈的熱態(tài)溫度t2的計(jì)算公式是:
【權(quán)利要求】
1.一種基于有限元分析的低壓電器的電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:利用有限元仿真分析軟件ANSYS建立低壓電器電磁系統(tǒng)三維熱場(chǎng)模型，即選擇模型的單元類(lèi)型和定義模型的材料屬性；建立電磁系統(tǒng)幾何模型；選擇分網(wǎng)精度，劃分網(wǎng)格；計(jì)算線圈生熱及電磁鐵的渦流損耗、磁滯損耗生熱，分析熱交換的條件；設(shè)置邊界條件，施加熱載荷；設(shè)定求解的類(lèi)型并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)仿真分析；計(jì)算不同控制電壓下，輸出電磁系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布圖，線圈內(nèi)部最高溫度、線圈表面溫度的穩(wěn)態(tài)值和隨時(shí)間變化的曲線.步驟二:對(duì)仿真得到的線圈內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)溫度和線圈表面所有節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同控制電壓下，線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的穩(wěn)態(tài)平均值； 步驟三:通過(guò)與給定控制電壓試驗(yàn)中測(cè)得的線圈表面溫度的穩(wěn)態(tài)值對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性； 步驟四:通過(guò)曲線擬合，建立不同控制電壓下低壓電器電磁系統(tǒng)線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的數(shù)學(xué)模型，找出對(duì)應(yīng)關(guān)系； 步驟五:測(cè)量一臺(tái)低壓電器產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)的控制電壓，并測(cè)量電磁系統(tǒng)的線圈表面溫度，調(diào)取該控制電壓下的線圈內(nèi)部最高溫度和線圈表面溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出線圈內(nèi)部的最高溫度； 步驟六:根據(jù)低壓電器產(chǎn)品線圈材料允許溫升值和給定判據(jù)，對(duì)低壓電器產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，判斷是否正常運(yùn)行，能否繼續(xù)使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的低壓電器的電磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫升測(cè)量方法，其特征在于步驟一所述利用有限元仿真分析軟件ANSYS建立低壓電器電磁系統(tǒng)三維熱場(chǎng)模型具體為: (O定義仿真過(guò)程中的材料性能參數(shù)和熱參數(shù)； (2)選擇單元類(lèi)型為S0LID70熱力學(xué)三維六面體單元，根據(jù)測(cè)量得到的尺寸，在有限元軟件ANSYS的Preprocessor菜單下的Modeling子菜單中選擇Create Volumes命令,建立電磁系統(tǒng)的三維有限元模型； (3)根據(jù)線圈尺寸中的線徑、匝數(shù)、線圈高度尺寸，通過(guò)熱力學(xué)相關(guān)定理計(jì)算線圈單位體積的生熱率；計(jì)算給定控制電壓下的交變電流，根據(jù)交變電流在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗的原理，以及鐵芯的參數(shù)，計(jì)算得到鐵芯的單位體積的生熱率； (4)分別賦予三維有限元模型各部分的材料性能參數(shù)和熱參數(shù)； (5)選擇分網(wǎng)精度為6的自由分網(wǎng)方式，對(duì)CPS產(chǎn)品電磁系統(tǒng)的三維有限元模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格操作； (6)設(shè)置溫度邊界條件為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的初始室溫值，表面綜合對(duì)流散熱系數(shù)(綜合考慮熱對(duì)流和熱輻射)根據(jù)散熱條件的不同分別設(shè)定； (7)設(shè)定仿真方式選擇為穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)仿真； (8)進(jìn)行仿真計(jì)算； (9)輸出CPS電磁系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布圖，電磁系統(tǒng)線圈表面和線圈內(nèi)部的最大值和隨時(shí)間變化的曲線； (10)調(diào)整控制電壓為220*110%，計(jì)算給定控制電壓下的交變電流，重復(fù)步驟(3)-(9)；(11)調(diào)整控制電壓為220*85%，計(jì)算給定控制電壓下的交變電流，重復(fù)步驟(3)-(9);(12)在220 V的20%-150%之間依次選擇電壓，計(jì)算給定電壓下的交變電流，重復(fù)步驟(3)-(9)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103970947SQ201410185219
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】黃世澤, 郭其一, 李凡璋, 陳聰 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)