摘要

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院、貴州振華群英電器股份有限公司的研究人員李茹瑤、楊文英等，在2018年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上撰文（論文標(biāo)題為“高壓直流繼電器線圈溫度場數(shù)值算法”）指出，高壓直流大功率繼電器是新能源汽車等領(lǐng)域中的關(guān)鍵器件，其中的多匝密繞電磁線圈是磁路中的關(guān)鍵部件，其工作溫升會(huì)嚴(yán)重影響繼電器的電磁參數(shù)。

此類線圈長時(shí)間工作或達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度較高且不均勻，而以往研究中大多將其考慮為單個(gè)部件或溫度分布均勻的區(qū)域，與實(shí)際中其較大的溫度差異分布不符，不能為熱設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的最高溫度等參考數(shù)值，而熱設(shè)計(jì)是影響繼電器壽命可靠性的關(guān)鍵步驟。

本文提出結(jié)合等效熱阻網(wǎng)絡(luò)與有限差分的多匝密繞線圈溫度場數(shù)值計(jì)算方法，考慮繞組內(nèi)部銅線、絕緣漆、空氣等材料屬性和線徑、漆層厚度、線間距離等尺寸參數(shù)對傳熱的影響，可以快速計(jì)算得到線圈內(nèi)部的溫度場。通過與有限元法和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對比，證明了該方法的可行性和高計(jì)算效率，為繼電器發(fā)熱設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，同時(shí)也能為繼電器多場耦合仿真中溫度的準(zhǔn)確計(jì)算提供了理論參考。

隨著新能源的大量投入使用，大功率直流繼電器開始廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、充電樁等用于接通大電流的場合中。多匝密繞線圈經(jīng)常應(yīng)用于繼電器、接觸器等開關(guān)電器中，作為電磁驅(qū)動(dòng)力的來源。此類線圈匝數(shù)較多，通常在千匝以上。由于多匝漆包線間緊密纏繞，并且長時(shí)間通過電流，以致多匝線圈通常為該類機(jī)構(gòu)的主要熱源之一，長時(shí)間工作后溫升較大。隨著此類直流繼電器的功率需求增大，溫升問題愈發(fā)明顯。

較高的溫度會(huì)影響到線圈電阻、鐵磁材料屬性，進(jìn)而影響到電磁線圈的電動(dòng)力，顯著影響設(shè)備的工作特性。隨著計(jì)算機(jī)性能的加強(qiáng)以及對仿真的準(zhǔn)確度的更高需求，在電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性仿真中開始考慮多物理場耦合的作用，其中溫度影響到材料的電、磁、機(jī)械等屬性，是較為重要的因素，需要盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算。

過高的溫升也會(huì)影響漆包線絕緣漆層的絕緣效果和壽命，導(dǎo)致匝間短路等情況的發(fā)生，影響其壽命和可靠性。本文實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果顯示，多匝密繞線圈內(nèi)部的溫度分布是不均勻的，這說明以往因?yàn)榫€圈內(nèi)部溫度難以測量而做出的內(nèi)部溫度均勻分布的假設(shè)和將線圈繞組部分以純銅作為材料的假設(shè)是不適用的。大功率直流繼電器的各類應(yīng)用環(huán)境對繼電器的耐環(huán)境溫度能力以及熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求，更準(zhǔn)確的線圈溫升計(jì)算方法對繼電器的多場耦合仿真和發(fā)熱設(shè)計(jì)具有重要意義。

在電機(jī)和電器等領(lǐng)域已經(jīng)有大量關(guān)于線圈溫度的研究和計(jì)算，例如從較早的熱路法到現(xiàn)在普遍使用的有限元法。席建中和黃琳敏分別采用牛頓溫升法和熱路法計(jì)算電磁鐵線圈的溫升，但這兩種方法都將線圈作為一個(gè)部件，計(jì)算的是其作為整體的一個(gè)數(shù)值，無法得到溫度的分布。

文獻(xiàn)[3-5]分別使用熱阻網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算了電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的溫度，都是將線圈部分作為均勻整體進(jìn)行分割，沒有考慮線圈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5-12]采用有限元法計(jì)算了繼電器、電機(jī)定子等部分的溫度，文章主要集中在熱損耗的計(jì)算，忽略了線圈內(nèi)部散熱的復(fù)雜性。其線圈繞組被認(rèn)為是均勻的整體，其區(qū)域材料熱導(dǎo)率被設(shè)置為較高的數(shù)值，甚至有的直接設(shè)置為銅的熱導(dǎo)率，導(dǎo)致繞組部分溫度幾乎沒有差異。

這幾篇文獻(xiàn)的仿真結(jié)果顯示，線圈部分的溫度差異小于1℃，有的甚至小于0.1℃，這不符合實(shí)際線圈內(nèi)部的較大溫度差分布。線圈溫度分布的差異不受關(guān)注與其內(nèi)部溫度難以獲取有關(guān)，并且線圈繞組中主要材料是熱導(dǎo)率很高的銅，容易使人產(chǎn)生其內(nèi)部綜合熱導(dǎo)率也同樣高的主觀印象，而忽略了熱導(dǎo)率很低的漆包線漆層和內(nèi)部空氣的影響。

文獻(xiàn)[13,14]計(jì)算器件整體溫度時(shí)考慮了線圈部分溫度的分布，但采用方法為按照材料分層占據(jù)的比例來計(jì)算綜合熱導(dǎo)率，其分層模型沒有考慮繞組內(nèi)部的漆線和空氣等結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[15,16]采用測量線圈電流隨溫度變化的方式推測線圈內(nèi)部的溫度，但得到的也是平均值而且不是實(shí)際測量值。

以往使用熱路法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法、有限元法等得到線圈的溫度基本為平均溫度，主要原因?yàn)闆]有考慮到線圈繞組內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和材料分布對溫度分布的影響而假設(shè)其內(nèi)部為熱導(dǎo)率值高且均勻的材料。然而發(fā)熱設(shè)計(jì)需要的溫度最高值等參數(shù)與平均溫度差異較大，但多匝線圈內(nèi)部溫度測量難度大，在電器實(shí)際工作過程中更難以測量，故亟需可以計(jì)算多匝線圈內(nèi)部溫度分布的方法。

本文根據(jù)多匝繞組內(nèi)的銅、漆層、空氣的分布，考慮材料屬性和尺寸參數(shù)，通過熱阻網(wǎng)絡(luò)的思想構(gòu)建有限差分矩陣方程，較為快速準(zhǔn)確地得到繞組的溫度場計(jì)算結(jié)果，并且通過內(nèi)置傳感器探頭的方式測量得到線圈內(nèi)部溫升數(shù)據(jù)，與該計(jì)算方法得出數(shù)值相符，證實(shí)了本文方法的可行性。該方法可以為繼電器熱設(shè)計(jì)提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，并為繼電器多場耦合中的溫度場精確計(jì)算做鋪墊。

圖1直流高壓繼電器整體及線圈剖面示意圖

圖2線圈繞制及探頭放置過程

圖3溫度測量裝置

結(jié)論

本文針對大功率直流繼電器中的多匝密繞線圈溫升問題，采用了結(jié)合等效熱路思想與有限差分法求解溫度矩陣的方式，得到多匝密繞線圈溫度場。該方法計(jì)算得到的示例線圈內(nèi)部繞組部分最高與最低穩(wěn)態(tài)溫度差值達(dá)50℃以上，更符合線圈實(shí)際工作狀況的溫度，與實(shí)測結(jié)果對比，計(jì)算精度在1.75%～8.01%之間。

該方法中采用線圈對齊排列方式計(jì)算溫度場比交錯(cuò)排列方式更符合實(shí)際的線圈溫升測量結(jié)果，通用性更好。計(jì)算時(shí)間在1s以內(nèi)，通過與有限元法對比可知，計(jì)算效率很高，適用于大功率直流繼電器產(chǎn)品中涉及溫度的多物理場仿真計(jì)算和產(chǎn)品耐環(huán)境溫度與壽命設(shè)計(jì)。

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