过载继电器三维温度场的分析

摘要

过载继电器广泛应用于各种电动机的故障保护，其性能直接影响电动机的运行状态。过载继电器是利用电流的热效应原理进行工作的，因此过载继电器的热分析至关重要。利用传统的工程计算方法进行热分析较为困难，依靠数值分析技术进行不同工作条件下的温度场仿真，可以直观的体现过载继电器的工作特性，对过载继电器生命周期内的性能研究具有非常重要的意义。
　　本文以典型过载继电器为研究对象，主要研究内容如下：
　　1、根据过载继电器的工作原理和总体结构，探讨了等效热路计算方法，建立了等效热路模型；理论研究了过载继电器温度场的有限元分析方法，能更好的、更精确的分析过载继电器的温度分布情况；此外，阐述了过载继电器内部关键部件热双金属片的曲率、挠度、以及热弹性变形时产生的推力的理论计算方法。
　　2、利用ANSYS仿真软件建立了过载继电器的有限元模型，采用电—热—结构耦合分析方法，研究了关键部件热双系统在不同电流激励下的温度分布规律、应力分布情况和位移变化情况等关键特性；设计了温度采集系统，进行了热双系统温度的实时采集；进行了仿真、实验和理论求解结果的对比分析，结果基本吻合，验证了仿真方法的正确性，并找出了误差原因，为过载继电器的设计提供依据。
　　3、研究了带壳情况下过载继电器热双系统的热仿真方法，分析了温度场分布情况，并与不带壳情况下的结果进行了对比。由于壳内空间较小，空气流动性差，热双系统远远没有整体在空气环境的散热好，所以带壳情况下比不带壳情况下的温升要高。
　　4、研究了环境温度、位置布置对过载继电器热双系统温度场分布的影响。在过载继电器允许的工作环境温度范围内，环境温度对热双系统的温升分布影响较小；在整体设计空间限制（铜片和镍铬合金之间的夹角及镍铬合金和双金属片之间的夹角不会超过30o）的情况下，热双系统的温升随角度的增加而升高。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2过载继电器工作原理

1.3研究的目的与意义

1.4国内外仿真软件和电器热分析研究现状

1.5论文研究内容

第二章 过载继电器传热理论分析及特性计算方法研究

2.1传热理论分析

2.2过载继电器热计算方法

2.3双金属片曲率和挠度的计算

2.4双金属片推力和内应力的计算

2.5双金属片尺寸的计算

第三章 过载继电器热双系统温度场的分析

3.1热双系统温度场仿真整体步骤

3.2热双系统模型的建立

3.3单元类型的选择和网格的划分

3.4双金属元件材料属性的施加

3.5边界条件及其载荷的施加

3.6仿真结果及分析

3.7过载继电器温度采集实验系统设计

3.8结果对比分析

第四章带壳情况下过载继电器的温度场分析

4.1带壳情况下过载继电器的三维有限元模型

4.2带壳情况下过载继电器有限元的分析方法

4.3 一极带壳情况下过载继电器温度场的仿真分析

4.4过载继电器整体的温度场仿真分析

4.5过载继电器温度分析结果对比

第五章环境温度、结构位置对过载继电器热双系统温度的影响分析

5.1环境温度对双金属片温升的影响

5.2结构位置对双金属片温升的影响

第六章结论

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢