ANSYS热分析及电器电动力理论详解

瞬态热分析：

   在分析中，先进行稳态 热分析 ，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。分析流程如下图所示：

   用一个简单的案例进行瞬态热分析，熟悉热分析软件操作流程。

   在WorkBwnch 中新建Steady-State Thermal（稳态热分析）以及瞬态热分析。

   添加材料，在Thermal Materials中添加铜合金，


   导入几何模型：


   模型中添加材料分配，在所需要的材料上右键选择分配材料，选择几何结构：

添加约束条件，在模型的两个面上分别设置温度100℃默认为22℃

设置对流系数25

生成默认网格

在稳态热结果中查看温度，求解

   1S后的温度云图：

瞬态热设置温度：

在瞬态热结果中查看温度，求解

数据输出：

更改网格的大小，单元尺寸2mm,最大尺寸5mm；单元尺寸1mm,最大尺寸2mm

   分别求结果。

   网格划分如下：


   可以明显看出单元尺寸越小，划分网格越密，所得结果越精确。

   稳态结果：

由这两次结果及第一次网格结果可看出，网格越密，结果越精确，稳态热的平均温度变大，最小温度变小。

   瞬态热结果：

数据结果：

单元尺寸2mm,最大尺寸5mm 单元尺寸1mm,最大尺寸2mm

   由于瞬态热采用稳态热结果的初始值，所以瞬态热的结果比稳态热误差大，随着网格数量变多平均温度在在千分之一的量级发生改变。

   网格数量直接影响计算精度和 计算 时耗，网格数量增加会提高计算精度，但同时计算时耗也会增加。当网格数量较少时增加网格，计算精度可明显提高，但计算时耗不会有明显增加；当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高就很小，而计算时耗却大幅度增加。所以在确定网格数量时应权衡这两个因素综合考虑，应将计算时耗和计算精度都考虑在内。

   网格划分中单元阶次也是一个重要参数。高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值 函数 可更高精度地逼近复杂场函数，所以增加单元阶次可提高计算精度。但增加单元阶次的同时网格的节点数也会随之增加，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模相对较大。

理论学习：

   对开关电器来说，有五大理论作为它的技术支撑。这五大理论分别是：电器的发热理论、电器的电动力理论、电器的电接触理论、电器的电弧理论和电器的电磁 系统 理论。

   本周系统 学习 电器理论基础中的电器的电动力理论、电器的电接触理论。

   电动力理论

   磁场中的载流导体必然受到力的作用，而电流产生磁场，载流导体周围又有磁场存在，因此，两个或几个相互有电磁耦合的导体之间必有相互作用的力。载流导体之间的这种作用力称为“电动力”。电动力的本质仍是安培力（洛伦兹力)。在铁磁体附近的载流导体也会受到作用力，该力总是使载流导体力图向铁磁体靠近。

   有些情况下电动力也可以被利用。例如：

   (1)、在隔离开关中，设计适当的触头回路结构，使电动力的方向是增加触头压力，而不是削弱触头压力。

   (2)、在限流式开关中，可利用触头回路电动斥力快速断开触头，以实现开关限流的特殊功能。

   (3)、在开关电器中，广泛采用触头回路电动力吹弧，使电孤迅速运动而熄灭。

   当电流流过时，各导体之间就有电动力的作用。电动力的大小与导体间的相互位置以及通过它们的电流的大小有关。

   正常工作时，断路器的长期工作电流不大，作用在导体上的电动力很小，常常忽略不计。

   短路时，短路电流很大，就会产生很大的电动力，大的电动力可能使断路器的一些结构零件变形或断裂，使原来处于关合位置的触头被推开，产生电弧，导致触头熔焊;或者使断路器在关合过程中不能顺利关合，以至造成断路器爆炸等严重事故。

   电动力计算有两种。毕奧-沙伐定律和能量平衡法计算电动力

   毕奧-沙伐定律

   采用毕奥-沙伐定律计算电动力，是工程上常常采用的方法之一。

能量平衡法

   在几个载流导体系统中，如果只有一个导体因受电动力的作用在某一方向产生元位移,则根据能量平衡原理，当外 电源 提供的能量为零时，此导体所作的功应等于系统储能的变化，由此可以推导出电动力的另一个公式：

通过比奥-沙伐定律和能量平衡原理都可以对电器中的电动力进行计算，两者本质相同，可以分别选择。毕奥-沙伐定律推导过程麻烦，但是，只要求出其回路系数和截面系数，就可以很方便地计算出导体之间的电动力;能量平衡原理 公式 结构简单,但是，某种情况下，计算其自感系数和互感系数难度较大，计算难度大。

   交流电动力的计算方法与直流相同。单相稳态电动力以2倍电源频率在零和峰值之间变化。交流单相短路最大电动力是稳态最大电动力的3.24倍。交流三相直列导体的稳态电动力，中间相受力最大，并以2倍电源频率在吸力和斥力之间变化，交流三相直列导体短路时中间相所受电动力是单相稳态最大电动力的2.8倍。

   触头间的电动力

   当大电流通过触头时，在触头回路将产生强大的电动力，这种电动力的作用如果试图将触头弹开，使触头在不应该分闸的时候分闸，就有可能造成误动作，破坏触头的工作。这种电动力由两部分组成:①触头回路产生的电动力;②触头接触点附近电流线收缩产生的电动力。

   触头回路产生的电动力，可以通过改变触头系统导体的相互位置和形状以及改变电动力。

   一对闭合的触头，接触表面不可能是理想的平面，两个触头间真正接触的面积很小，实际上只有几个点在接触。下图所示为触头间电流线收缩示意。由图可见，在离接触点较远处，各电流线趋于平行，在接触点附近，电流线收缩。大小相等方向相反的电流线之间将产生电动斥力。

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