利用仿真優化看似簡單的電子開關

上海安世亞太

2021年11月5日 01:05

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作者：Arunvel Thangamani and Alok Pande, Schneider Electric

翻譯：上海安世亞太

多物理模擬方法在電氣工業中運用于預測產品性能、識別故障條件和執行設計優化。由于產品試驗非常昂貴，所以不鼓勵重復試驗。因此，在設計過程的早期，首選方法是會使用模擬來優化產品。模擬對于這些行業的產品設計人員在達到諸如Underwriters實驗室（UL?）和國際電工委員會（IEC?）等組織要求的標準方面可以大有裨益。電氣和熱模擬在產品領域廣泛的產品開發中起著至關重要的作用。

施耐德電氣（Schneider Electric）著手于精簡部分產品的設計流程。該公司是全球能源管理專家，業務遍及100多個國家，專注于使能源安全、可靠和高效。本組織設在印度班加羅爾的全球技術中心（GTC）致力于產品開發和資源提升，由此產生的創新產品和技術可在全球市場上銷售。

為了在產品開發過程中降低成本和爭取時間，GTC使用了ANSYS Icepak、ANSYS Multiphysics、ANSYS FLUENT和ANSYS Workbench等技術。在最近的一個項目中，研究人員使用ANSYS Icepak對一個布線系統開關裝置組件（安裝和控制開關）進行熱和電模擬，來確定焦耳加熱產生的溫度，以及定義導體和絕緣體規格，以便有效地管理熱量。該研究擴展到分析電-熱接觸電阻的影響，緊湊型電氣設備中輻射傳熱的影響，以及過電流和高環境溫度對產品熱性能的影響。工程小組將模擬結果與實驗結果進行了比較。

圖1 開關裝置組件原型和顯示仿真重點區域的示意圖

圖2 材料、尺寸和輻射涂層優化實驗設計結果

安裝和控制開關廣泛應用于超低壓領域。這些開關的電流范圍為10安培至60安培，并作為通斷機構的家居照明，工業機器和其他設備。研究的開關裝置組件由多個固定端子組件和一個控制觸點閉合或斷開的移動端子組成。模擬幫助團隊獲得了有效的材料和涂層。該軟件還有助于滿足接觸壓力的設計規范。實驗設計(DOE)研究涉及尺寸變化、材料選擇和輻射涂層，以及接觸電阻對產品溫度的影響。把接觸電阻模擬為一個微米量級厚度的連通薄板。所使用的材料假定為銀。用I2R計算觸點的總功率，其中I是產品的電流規格，R是通過實驗計算的觸點上的有效歐姆電阻。R計算為測量的毫伏降除以I。用實驗室試驗得到的接觸電阻數值常數對有限體積模型進行標定，可以保證計算的穩健性。

圖3 開關組件的ANSYS Icepak簡化模型

工程師們利用ANSYS Icepak軟件的焦耳加熱能力，給出了電阻率、電流規格和電阻率熱系數等電學性質和邊界條件。該系列產品的歷史數據以接觸區和輸入輸出端的毫伏降測量形式提供。利用這些信息，工程小組改變了這些特定地點的邊界條件，大大提高了溫度結果的準確性。對于輻射換熱，采用了面-面輻射模型和ANSYS Icepak自動視圖因子計算功能。

利用接觸電阻數據對模型進行標定后，利用ANSYS ICEPAK中的參數化試驗模塊對模型進行優化設計。以導體合金類型、輻射涂層發射率和導體尺寸等關鍵設計參數作為優化的獨立變量。

DOE包括12個試驗，采用全析因設計。工程團隊的結論是，材料的影響要比其他參數大得多。例如，輻射涂層和厚度造成接觸溫度差不到5攝氏度(C)，但通過使用高銅含量合金，溫度降低了大約15攝氏度。該小組能夠確定最具成本效益和熱效率的材料以及用于封閉環境加熱的輻射涂層的適當規格。通過原型來完成這項廣泛的研究是非常昂貴和耗費時間的。

圖4 過載電流和環境高氣溫研究的DOE結果

此外，工程師進行了一項DOE研究來分析接觸電阻對升溫的影響。在這樣的緊湊型產品中，導體尺寸較小，而對流氣流非常有限，接觸電阻引起的發熱是導致整體溫度升高的主要原因。由于觸點數量較多（大多數情況下超過兩個），接觸電阻發熱顯著。

圖5 接觸電阻的研究結果

兩個獨立的輸入參數分別是在端子（導線插入）接頭處的運動接觸區中的接觸電阻和致動機構接觸接頭的接觸電阻。能源部依舊包括12個試驗和一個完全析因設計。這項研究幫助工程團隊決定哪個接觸區域是對溫度升高的影響最大。基于這些結果，研究小組建議在該區域使用適當的接觸壓力和高導電軟化材料。這份DOE還提供了關于毫伏降增加的接觸區溫度升高的洞察力，這有助于確定接觸老化的具體設計限制。