电子开关仿真优化：看似简单实则不凡

多物理模拟方法在电气工业中运用于预测产品性能、识别故障条件和执行设计优化。由于产品试验非常昂贵，所以不鼓励重复试验。因此，在设计过程的早期，首选方法是会使用模拟来优化产品。模拟对于这些行业的产品设计人员在达到诸如Underwriters实验室（UL®）和国际电工委员会（IEC®）等组织要求的标准方面可以大有裨益。电气和热模拟在产品领域广泛的产品开发中起着至关重要的作用。

施耐德电气（Schneider Electric）着手于精简部分产品的设计流程。该公司是全球能源管理专家，业务遍及100多个国家，专注于使能源安全、可靠和高效。本组织设在印度班加罗尔的全球技术中心（GTC）致力于产品开发和资源提升，由此产生的创新产品和技术可在全球市场上销售。

为了在产品开发过程中降低成本和争取时间，GTC使用了ANSYS Icepak、ANSYS Multiphysics、ANSYS FLUENT和ANSYS Workbench等技术。在最近的一个项目中，研究人员使用ANSYS Icepak对一个布线系统开关装置组件（安装和控制开关）进行热和电模拟，来确定焦耳加热产生的温度，以及定义导体和绝缘体规格，以便有效地管理热量。该研究扩展到分析电-热接触电阻的影响，紧凑型电气设备中辐射传热的影响，以及过电流和高环境温度对产品热性能的影响。工程小组将模拟结果与实验结果进行了比较。

图1 开关装置组件原型和显示仿真重点区域的示意图

图2 材料、尺寸和辐射涂层优化实验设计结果

安装和控制开关广泛应用于超低压领域。这些开关的电流范围为10安培至60安培，并作为通断机构的家居照明，工业机器和其他设备。研究的开关装置组件由多个固定端子组件和一个控制触点闭合或断开的移动端子组成。

模拟帮助团队获得了有效的材料和涂层。该软件还有助于满足接触压力的设计规范。实验设计(DOE)研究涉及尺寸变化、材料选择和辐射涂层，以及接触电阻对产品温度的影响。把接触电阻模拟为一个微米量级厚度的连通薄板。

所使用的材料假定为银。用I2R计算触点的总功率，其中I是产品的电流规格，R是通过实验计算的触点上的有效欧姆电阻。R计算为测量的毫伏降除以I。用实验室试验得到的接触电阻数值常数对有限体积模型进行标定，可以保证计算的稳健性。

图3 开关组件的ANSYS Icepak简化模型

工程师们利用ANSYS Icepak软件的焦耳加热能力，给出了电阻率、电流规格和电阻率热系数等电学性质和边界条件。该系列产品的历史数据以接触区和输入输出端的毫伏降测量形式提供。利用这些信息，工程小组改变了这些特定地点的边界条件，大大提高了温度结果的准确性。对于辐射换热，采用了面-面辐射模型和ANSYS Icepak自动视图因子计算功能。

利用接触电阻数据对模型进行标定后，利用ANSYS ICEPAK中的参数化试验模块对模型进行优化设计。以导体合金类型、辐射涂层发射率和导体尺寸等关键设计参数作为优化的独立变量。

DOE包括12个试验，采用全析因设计。工程团队的结论是，材料的影响要比其他参数大得多。例如，辐射涂层和厚度造成接触温度差不到5摄氏度(C)，但通过使用高铜含量合金，温度降低了大约15摄氏度。该小组能够确定最具成本效益和热效率的材料以及用于封闭环境加热的辐射涂层的适当规格。通过原型来完成这项广泛的研究是非常昂贵和耗费时间的。

图4 过载电流和环境高气温研究的DOE结果

此外，工程师进行了一项DOE研究来分析接触电阻对升温的影响。在这样的紧凑型产品中，导体尺寸较小，而对流气流非常有限，接触电阻引起的发热是导致整体温度升高的主要原因。由于触点数量较多（大多数情况下超过两个），接触电阻发热显著。

图5 接触电阻的研究结果

两个独立的输入参数分别是在端子（导线插入）接头处的运动接触区中的接触电阻和致动机构接触接头的接触电阻。能源部依旧包括12个试验和一个完全析因设计。 这项研究帮助工程团队决定哪个接触区域是对温度升高的影响最大。基于这些结果，研究小组建议在该区域使用适当的接触压力和高导电软化材料。这份DOE还提供了关于毫伏降增加的接触区温度升高的洞察力，这有助于确定接触老化的具体设计限制。

图6 优化材料、尺寸和辐射涂层的温度分布

所有DOE都产生了传递函数，这些传递函数在该产品系列的最新设计周期中非常有用。对传递函数进行了验证，确保数学关联的数据点与ANSYS Icepak结果匹配良好。

后来，同样的模型用于预测更高的环境温度的影响以及从线路流向负载的更高电流的影响。这些结果帮助设计团队确定了配电线路中的最大操作点。

ANSYS Icepak的结果让施耐德电气团队相信，同样的建模方法可以应用于整个产品系列。这一过程减少了原型和测试的数量，并将产品开发的时间减少了30%至40%，原型的成本减少了大约30%。

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