热电耦合下的继电器温升特性研究

摘 要：

针对直流电磁继电器因温升过高导致寿命下降甚至失效的问题，首先对继电器的发热过程进行研究与分析并建立数学模型；然后利用ANSYS软件对继电器的热电耦合温度场进行仿真分析，得到温度场云图和不同激励电压下温升仿真数据；最后与电阻法温升测试试验值进行对比，结果验证了模型的有效性和温度场仿真分析的正确性。另外，由分析可知，继电器应用和设计时应重点关注温升较高的部分，以免因其温升过高导致继电器失效，这为继电器的设计和优化提供了理论和数据支持。

0引言

继电器的散热主要来源于两个部分，一部分来自于线圈电阻的热量，另一部分来自于动静触点接触电阻流过电流而产生的热量。在继电器相对密闭的环境中如果内部温升过高，带来簧片变形和底座结构破坏等影响和危害，极有可能导致继电器失效。苏秀苹等人[1]提出了通过建立继电器耦合模型并比较不同线圈电压条件下的平均温升，得到对应的温度云图；王文龙[2]通过建立数学模型，对继电器接触系统进行机—电—热耦合仿真，有助于继电器的优化设计；马海霞等人[3]通过建立继电器有限元模型，分析其静态特性并将结果应用于动态仿真。本文根据继电器实际工作场景，选取某一型号的直流电磁继电器为研究对象，建立该继电器的数学模型，整体建模后导入ANSYS得到热电耦合有限元分析模型，进而得到该电磁继电器的温度场云图，并将不同线圈电压条件下的仿真温升数据和试验温升数据进行对比分析，为改善和优化继电器的温升提供了数据支持。

1建立数学模型

继电器中热量的传递主要有三种形式，分别是热传导、热对流和热辐射。继电器的热源有两个部分：一部分来自于线圈电阻的热量，另一部分来自于动静触点接触电阻流过电流而产生的热量。当继电器处于热平衡稳定状态时，继电器的发热功率和散热功率是相等的。下面对三种热量传递形式进行理论分析，以建立继电器温度场的数学模型。

1.1热传导

在继电器的热量传递中，热传导是主要的形式。继电器中如果存在温度差异或温度梯度，就会产生热传导，即热量从温度高的地方传递至温度低的地方。热传导存在于同一物体的不同部分和相互接触的不同物体之间。根据傅里叶定律和能量守恒定律[4]，可以得到热传导的方程表达式为：

式中：ρ为物体的密度；c为物体的比热容；T为物体的温度；t为时间；λ为物体的导热系数；qv为物体内部热源的生热率。

继电器的内部热量主要是通过线圈和触点簧片部分向其他的部件传导出去，再通过散热孔、间隙和外壳等向外传导，同时部分热量通过继电器的引脚和与引脚相连的导线向外传导，随后以对流和辐射的形式把热量散发到环境当中。

1.2热对流

流体流过某一物体表面时的热量传递过程称为对流换热[5]。温度差异引起的固体表面和周围接触的流体之间的热量交换产生了对流换热，对流换热可以分为自然对流和强制对流。热对流的过程虽然复杂，但可以应用牛顿冷却公式[6]来简单描述对流换热，具体表达式为：

式中：φ为对流换热量；h为对流传热系数；A为换热面积；△t为固体表面和流体的温度差。

1.3热辐射

由于本身含有热量，物体发出辐射能的现象称为热辐射[7]，即发射电磁能并被其他物体或部件吸收转变为热的热量交换过程。物体表面温度越高，辐射换热越明显。可以利用斯蒂芬-玻耳兹曼方程[8]来表示辐射换热：

式中：q表示热流率；ε表示辐射率；σ表示斯蒂芬-玻耳兹曼常数[9]；A1为表面1的面积；F12为由表面1到表面2的形状系数；T1、T2、分别是表面1、2的绝对温度。

2有限元分析

利用Pro/E软件对研究对象进行整体建模并导入ANSYS中，首先设置继电器模型的材料属性，以继电器的主要元件为例，外壳、底座设置成PBT材质，衔铁、轭铁设置成DT4E材质，线圈设置成纯铜材质，触点设置成Ag材质，动静簧片设置成铍铜材质。接着进行网格划分，为适应继电器实体模型较复杂且边界形状不规则的条件，选用SOLID70单元将继电器模型设定为四面体形状，可以满足对网格精度的要求，得到该继电器的有限元分析模型，如图1所示。然后根据实际应用场景设置继电器侧面、顶部的对流散热系数[10]，最后将继电器线圈部分和触点簧片部分产生的热量转换为单位体积的生热率，加载在元件上。

3温度场云图

利用ANSYS软件，设定线圈激励电压为额定电压12 V，接触电阻为0.6 Ω，设定触点负载回路的电流为10 A，在保留外壳和不保留外壳的两种情况下，分别得出继电器线圈部分和触点簧片部分的温度场分布图，如图2和图3所示。为方便观察温度场分布，图2中把外壳做了隐藏处理。该型号继电器的外壳上设有散热气孔，如果不保留外壳意味着继电器直接暴露在环境当中，因此在这种情况下最高温度和最低温度有明显差异。保留外壳时继电器内部线圈发热和触点负载回路发热明显要高于不保留外壳时的发热，这主要是由空气对流散热造成的，继电器外壳阻止了内部大部分热量与外部环境的换热。

从上述温度场云图中可以看到，在线圈通电和触点接触接通负载回路后，继电器的热量主要聚集在线圈本体和触点簧片部分，不保留外壳的情况下继电器两部分的温升较低，说明有无外壳对继电器的温升影响较大，但保留外壳情况下继电器的温升仍在可承受范围之内。继电器的线圈散热主要有两个方向，一是通过线圈本体向轭铁、衔铁传递热能，二是通过线圈向周围环境和空气传递热量，即主要有对流和传导两种形式。衔铁的热量主要来自于轭铁传递的热量，所以线圈的散热主要是经过轭铁、衔铁、线圈引脚传递热量，再传递到底座，最终将热量传递至空气当中，周围环境温度受此影响略微升高。继电器的触点负载回路散热主要是通过簧片引脚、底座以及塑料推块传递热量，也是以对流和传导的形式为主。因此，线圈散热和触点负载回路散热相互作用和影响，由此形成继电器整体温度场分布。

4分析与结论

通过给线圈加上不同的激励电压，使用ANSYS进行热电耦合分析，可以得到线圈的仿真温升值。在保留继电器外壳的前提下，采用经典的电阻法进行温升测试，采集线圈发热时对应电阻变化的数据，计算得到平均温升值，由此即得到试验测试值。试验中激励电压设定的范围为9.6～18 V。表1为保留外壳的情况下继电器的线圈平均温升数据，同时用仿真温升值与试验测试值差值的绝对值除以试验测试值得到百分比，即表1中的误差率。

综合比较线圈的仿真平均温升值和试验测试值可以看出，仿真温升值相较于试验测试值偏小，两者之间最大的差值为4.4 K，误差率在8%以内，故经过简化建立的继电器内部结构模型是有效的，误差率在合理范围之内。

误差的来源主要在于：

（1）仿真中环境温度是恒定不变的，但实际测试时环境温度是会受到外部因素影响变化的；

（2）简化了对发热功率和散热功率影响较小的零部件；

（3）在设置零部件材料属性时存在一些小的偏差。

因此，在继电器应用和设计分析时应重点关注温升较高的部分，以免因其温升过高导致继电器结构被破坏从而失效。另外，研发设计继电器时，在确保机械强度和绝缘强度的前提下，应尽量选择传导系数大的塑料材质来制作底座、外壳和塑料块。

5结语

本文对继电器的发热过程进行了详细分析，基于热传导、热对流、热辐射原理分析建立了数学模型，然后利用ANSYS软件建立直流电磁继电器的有限元分析模型，对模型进行网格划分，设置材料、对流系数、传导系数等参数并进行热电耦合温度场分析，对仿真温升值和试验测试温升值进行比较，发现两者误差较小，验证了模型的有效性和温度场仿真分析的正确性。从温度云图中发现继电器发热主要聚集在线圈部分和触点接触部分，在继电器的设计开发中需要特别关注这两部分的温升变化，以保障继电器性能指标正常。分析结果可以为同类型的直流电磁继电器的优化设计提供一定的依据和思路，也可为研发设计新型继电器产品提供理论和数据支持。

审核编辑：汤梓红