Zobrazení: 0 Autor: Editor webu Čas publikování: 2026-08-11 Původ: místo
Přeloženo z: Electrical & Energy Management Technology (2021 č. 4) Autor: HU Jinli
Při návrhu vypínače usnadňují simulační metody výběr materiálů pro bimetalový plech a umožňují předběžné vyhodnocení, zda vypínací doba vypínače vyhovuje konstrukčním požadavkům, čímž se zvyšuje efektivita výroby a snižují se náklady na vývoj.
K získání přesného přechodového nárůstu teploty a deformace bimetalového plechu využívá tento článek software pro analýzu konečných prvků Ansys k provedení tepelné analýzy na bimetalovém prvku. Během simulace:
3D modelování: Nejprve je ke konstrukci bimetalového modelu plechu použit software Creo, který zahrnuje čtyři odlišné komponenty: aktivní vrstvu, pasivní vrstvu, mezivrstvu a svařovací bod.
Import & Přiřazení materiálu: Za druhé, vytvořený model je importován do modulu Ansys APDL, kde jsou definovány typy prvků, vlastnosti materiálu jsou přiřazeny každé příslušné součásti a je prováděna síť konečných prvků.
Okrajové podmínky a provedení: Nakonec je definována počáteční teplota bimetalového plechu. Na základě okolní teploty a použitého proudu se vypočítají a přiřadí koeficienty rozptylu tepla pro každý povrch. Pevná omezení a aktuální okrajové podmínky jsou aplikovány k provedení přechodové tepelně-mechanické vázané simulace. To poskytuje přechodové teplotní pole a rozložení deformací, ze kterých se určí přesný čas potřebný k tomu, aby bimetalový plech dosáhl vypínací polohy.
Miniaturní jistič (MCB) zkoumaný v této studii je znázorněn na obrázku 4. Obr . Bimetalový plech je umístěn na pravé straně vnitřku jističe. Jeho levá strana je připojena k pohyblivému kontaktu pomocí ohebného opletení, zatímco jeho pravá strana se připojuje k pravému externímu vodiči svorky. Jmenovitý proud tohoto jističe je In = 20 A.
Obrázek 4: Struktura testovaného miniaturního jističe (MCB)
Vnitřní uspořádání zobrazující mechanismus 20 A MCB, zhášecí komoru, pohyblivý kontakt a bimetalovou sestavu tepelného spouště umístěnou na pravé straně.
Se zaměřením na přechodový teplotní profil a dynamickou deformaci byl bimetalový model zkonstruován podle přesných rozměrů prototypu, jak je znázorněno na obrázku 5.
Obrázek 5: Bimetalický 3D simulační model
Strukturální model se skládá ze čtyř odlišných subdomén: aktivní vrstva, pasivní vrstva, střední vrstva a svařovací bod.
Jak je modelováno na obrázku 5, bimetalová sestava obsahuje čtyři části: aktivní vrstvu, mezivrstvu, pasivní vrstvu a svařovací bod. Když je pod napětím, spodní konec aktivní vrstvy slouží jako proudová plocha, zatímco svařovací bod funguje jako proudová výstupní plocha, jak je podrobně uvedeno na obrázku 6..
Obrázek 6: Aktuální vstupní a výstupní povrchy bimetalového plechu
Zobrazuje určené hranice elektrického kontaktu, kde proud vstupuje ve spodní části aktivní vrstvy a vystupuje přes horní svařovací podložku.
Aby byla zaručena vysoká věrnost simulace, byly každé oblasti přiřazeny materiálové parametry odpovídající fyzickému prototypu. Čtyři použité materiály odpovídají aktivní vrstvě, pasivní vrstvě, mezivrstvě a svařovacímu bodu jističe 20 A. Fyzikální a mechanické vlastnosti jsou shrnuty v tabulce 1.
Prostřednictvím simulace konečných prvků byla pomocí Ansys vypočtena přechodná tepelně-mechanická pole. Pro srovnání s empirickými testy bylo okolní prostředí nastaveno na 25 °C se zkušebním proudem 30 A （1,5násobek jmenovitého proudu In). Podle mechaniky prototypu se ovládací mechanismus vypne, když posunutí hrotu dosáhne 1,35 mm . Simulace předpovídala požadovanou dobu vypnutí 13 s. .Teplotní pole a deformační pole v okamžiku dosažení vypínací polohy jsou znázorněny na obrázku 7 a obrázku 8.
Obrázek 7 a 8: Výsledky simulace v okamžiku vypnutí (t = 13 s, I = 30 A, T amb = 25 °C)
• Obrázek 7 (Teplota): Maximální teplota se vyskytuje u kořene/spodu (73,54 °C), postupně klesá směrem k horní špičce (minimálně 70,51 °C).
Obrázek 8 (Deformace): Posunutí hrotu dosahuje 1,330 mm, čímž je splněna prahová hodnota mechanického uvolnění (~1,35 mm).
Jak je vidět na obrázku 7, v bodě vypnutí se nejvyšší teplota vyskytuje u spodního kořene bimetalu a dosahuje 73,54 °C . Celkově distribuce teploty vykazuje gradient, který je nejvyšší u základny a klesá směrem k horní špičce, s minimální teplotou 70,51 °C . Za těchto podmínek (obrázek 8) dosáhne posunutí horní špičky 1,330 mm , čímž se úspěšně aktivuje uvolňovací mechanismus. Při okolní teplotě 25 °C a přetížení 1,5 tedy I n se jistič vypne po 13 sekundách.
Zatímco v praktickém provozu se jistič otevře okamžitě, jakmile je dosaženo prahové hodnoty vypnutí, vyhodnocení ustálené teploty a konečného vychýlení poskytuje zásadní pohled na optimalizaci bimetalického materiálu a geometrie. Rozložení teploty a deformace v ustáleném stavu je uvedeno na obrázku 9 a obrázku 10.
Obrázek 9 a 10: Rozložení teploty a deformace v ustáleném stavu (I = 30 A)
Obrázek 9 (Stabilní teplota): Maximální teplota dosahuje 86,06 °C na základně a minimální teplota je 83,07 °C na špičce.
Obrázek 10 (Stálé posunutí): Maximální maximální posunutí hrotu se stabilizuje na $1,558 ext{ mm}$.
Jak ukazují obrázky 9 a 10, při trvalém vystavení proudu 30 A při okolní teplotě 25 °C, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy, maximální teplota dosáhne 86,06 °C a nejnižší teplota je 83,07 °C . Tepelný vzor zůstává konzistentní s přechodovým profilem (teplejší na základně, chladnější na špičce) a maximální prohnutí špičky dosahuje 1,558 mm.
Časové dynamické odezvy jsou vyneseny na obrázku 11 (krátkodobé: 1 – 13 s) a na obrázku 12 (dlouhodobé: 0 – 200 s). Tyto křivky znázorňují časově závislé chování průhybu. Jak čas postupuje, deformace se rychle hromadí během počátečního zahřívání a asymptoticky se blíží tepelné stabilitě přibližně za 160 s , přičemž dosahuje konečné plató 1,558 mm.
Obrázek 11
Obrázek 12
Pro zvýšení spolehlivosti návrhu tepelného vypínání a účinnosti tovární kalibrace byly provedeny empirické vypínací testy na 20 vzorových skupinách jističů za podmínek shodných s numerickou simulací (25 °C okolní teplota, 30 A zkušební proud). Experimentální uspořádání je znázorněno na obrázku 13.
Obrázek 13: Experimentální zkušební zařízení pro tepelné vypínání MCB
Přesná zkušební stolice konfigurovaná se zdroji konstantního proudu, automatickým časovacím zařízením a regulací okolní teploty.
Každý vzorek jističe prošel 6 po sobě jdoucími vypínacími testovacími cykly při proudovém zatížení 30 A. Zaznamenané doby vypnutí napříč všemi testovacími běhy jsou vyneseny na obrázku 14 , přičemž maximální a minimální doby vypnutí pro každý vzorek jsou shrnuty v tabulce 2.
Obrázek 14
Jak je uvedeno v tabulce 2, v důsledku malých výrobních tolerancí a odchylek jednotlivých součástí se vypínací časy mezi různými jističi mírně liší. Ve všech 20 vzorových skupinách:
Průměrná maximální doba jízdy je 14,9 s.
Průměrná minimální doba jízdy je 13,5 s.
Tyto experimentální hodnoty výjimečně dobře korelují s výsledkem simulace FEA 13,0 s , což potvrzuje přesnost a praktickou využitelnost metody konečných prvků.
Naměřené maximální deformace hrotu bimetalových plechů napříč 20 zkušebními vzorky lámače jsou zaznamenány v tabulce 3.
Jak je podrobně uvedeno v tabulce 3, naměřené průhyby hrotu se pohybují mezi 0,9 mm a 2,0 mm , což odráží znatelný rozptyl způsobený tolerancí fyzické montáže při hromadné výrobě.
Simulace a analýza přechodové deformace bimetalických prvků v miniaturních jističích hraje klíčovou roli při predikci vypínacích časů a zlepšování stability mechanismů tepelné ochrany.
Integrované numerické modelování: Kombinací 3D CAD modelování (Creo) s analýzou konečných prvků (Ansys APDL) byl vytvořen zdokonalený simulační model tepelně-mechanické vazby, zachycující přesné konstrukční vrstvy (aktivní, střední, pasivní, svařovací bod) a elektrické/tepelné okrajové podmínky.
Předpovědi přechodného a ustáleného stavu: Pro 20 A MCB vystavený proudu 30 A při okolní teplotě 25 °C simulace ukázala, že bimetal dosáhne prahu mechanického vypnutí 1,35 mm za 13 sekund (teplota: 70,51 – 73,54 °C). Při trvalém zatížení je tepelné rovnováhy dosaženo v blízkosti 160 s s maximální teplotou 86,06 °C a posunutím 1,558 mm.
Experimentální ověření: Empirické testy na 20 skupinových vzorcích (každý 6 vypínacích cyklů) poskytly průměrnou dobu vypínání 13,5 – 14,9 s, což ukazuje na vynikající shodu se simulačním výpočtem 13,0 s.
Navrhovaný simulační pracovní postup poskytuje spolehlivou, nákladově efektivní a efektivní metodologii pro optimalizaci tepelných spouštěcích jednotek, snížení vývojových cyklů a vedení automatizované tovární kalibrace pro miniaturní jističe.
