小规格断路器的热分析优化

2025-09-29 百科知识版权反馈

【摘要】：三相断路器有三个极，这里分析一个极的发热。图5-10是由仿真结果获得的断路器产生的热量通过各部分散出的分配比例，由图可以看出总的热量是3.10W，其中差不多有三分之二的热量由对流散出，而一半以上的热量是由连接导线散出，由此可见，对断路器的热分析，必须考虑连接导线的作用。图5-7 电动机断路器图5-8 样机的模型图5-9 计算结果的导电回路温度分布图5-10 由仿真结果获得的各部分热量散失的分配比例

瑞士Rockwell公司的Frei和Weicher对电动机断路器进行了热分析^[4]，图5-7为额定电流为25A的断路器单极结构图，它的导电回路包括进出线端、静触头和桥式动触头、热元件和冲击电磁铁线圈。三相断路器有三个极，这里分析一个极的发热。在建立仿真的模型时，对操作机构作了简化，因为它是由几个形状复杂的小零件组成，并且本身并不是热源，仿真时用一个简单的几何体来代替，考虑到这些零件是由金属、塑料所组成，并且包括不少容积的空气，因而其热导系数取三种材料的加权平均值，考虑到金属的热导系数为12～38Wm^-1K^-1，塑料为0.09～0.33Wm^-1K^-1，空气为0.025～0.035Wm^-1K^-1，取平均值为0.1Wm^-1K^-1。

仿真模型的传热作用如图5-8所示，由于小规格的电动机断路器内部空间很小，忽略机壳内的辐射和对流，仅考虑各部分的传导，即金属导体部分（CD1），塑料部分（CD2）和空气部分（CD3），在外表面的散热则同时考虑对流（CV）和辐射（R）。

应用三维有限元法进行上述断路器的热分析，采用第三类边界条件，同时考虑表面的对流和辐射，若断路器是安装在开关柜上，多台并列，对散热表面仅需求上下面和前端面，若单独安装则还需计算三相开关的两个侧面，如5.5节所示，按国家标准规定的连接导体，也作为边界条件处理。计算中考虑了导热系数和电阻系数随温度的变化，计算获得的沿导电回路温度分布如图5-9所示，由图可看出，双金属片顶端是有最高温度，由于双金属片和冲击电磁铁两个热源作用，靠近这两个热源的进线端静触头温升较出线端静触头的温升高。图5-9中仿真曲线和实验曲线的对比，也说明仿真结果有相当的准确性，但图中简化的仿真结果是指仅考虑导电部分发热与散热，忽略外壳的散热作用得到的仿真结果，其温度分布曲线与测量结果误差较大，图5-9中a、b和c三点分别指进线端、触桥和出线端的温升。

图5-10是由仿真结果获得的断路器产生的热量通过各部分散出的分配比例，由图可以看出总的热量是3.10W，其中差不多有三分之二的热量由对流散出，而一半以上的热量是由连接导线散出，由此可见，对断路器的热分析，必须考虑连接导线的作用。