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电器与能效管理技术（2021No.4）-电器设计与探讨-基于双金属片精细建模的小型断路器仿真及研究胡金利（上海西门子线路保护系统有限公司，上海201514）摘要：热脱扣特性是小型断路器的一项重要指标。
大多数小型断路器采用双金属片元件进行断的热脱扣，双属片的形变断 热脱扣器的工作。
分双金属片温升以及形变对小型断的重要意义。
利用Coe软件以及有限元仿真软件Ansys建立了双金属片模型，进行有限元仿真分析,双金属片的瞬态温度分布以及形变分布。
，20断 进行脱扣实验，实验与仿真第果相吻合,验证了仿真方法的准确性。
关键词：小型器；双金属片；脱扣时间；有限元仿真中图分类号：TM561文献标志码：A文章编号：2095-8188（2021）04-0034-06 DO*：10.16628/ki.2095-8188.2021.04.007胡金利（1975-）,男，高级工程师，主要从事电器的研究和开发。
Simulation and Experimental Sridy on Thermal Trip of MCBH0Jinli(Siemens Circuit Protection Systems Co.，Ltd.，Shanghai201514，China) Abstract:Thermal trip characteristic is an impoCant indec of miniature circuit breaker(MCB).Nowadays，most MCBs use bimetallic elementr for thermal tripping of circuit breakers.The deformation of bimetallic sheet directly affectr the operation of thermal release of MCB.It is veo important I analyee the temperature rise and deformation of bimetallic sheet for the desian of MCB.At the same time，20youps of circuit boakerr are tested for tripping.The experimental resultr are in good ayoement with the simulation results.The accuocy of the simulation meihod osveeoooed.Key words:miniature circhip breaker（element simulation0引言断作为关电地应用在低配电线用电，在电能以及分断正常电路状态时的电流，能和分断一定条件下非正常状态的电流。
影响 片 作特性的参胡建国，王景凯，黄和平(浙江正泰电器股份有限公司，浙江温州 325603)摘 要：为了提高双金属片式产品动作特性性能的可靠性，综合各因素设计，以产品稳定电 空行程余量与动作电 程余量 作为设计余量，建立了双金属片式 作特性输岀y 值数学；利用参数设计方法,通过分析双金属片式动作特性数学 中的影响。
结果表明：主双 曲 、辅双 曲 、校生的不误差、动作特性输岀 ；结合作特性y 值数学 ，可为动作特性性能 性的设计优化、工 改 供有效的方向和依据。
关键词：双金属片；动作特性；设计余量；参数设计中图分类号：TM 561 文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2020)06-0030-06DOI ： 10. 16628// cnki. 2095-8188. 2020. 06. 007胡建国(1970―), 男，工程师,主要从 事 与 开关、电动机起动器继电器的研究 开发设计。
Factor s Affecting Performancc Characteristics of BimetallicStrin Products and Parameter DesignHU Jianguo ， WANG Jingkai ， HUANG Heping(Chint Electric Co.，Ltd.，Wenzhou 325603，China )Abstract : To make the performance characteristict of bimetallic strip productr more stable ，a mathematicalmodel of the output characteristic value y of the bimetallic product was established considering verious factorr and taking the sum of the idle stroke margin under the stable current of the product and the stroke margin under theoperating current as the desin margin ； the parameter desin method is used ta analyze the influencing factorr in the mathematical model of the operating characteristict of the bimetallic product. The resultr show that : the larger themain double-specific bending value ，the smaller the auxiliars double-specific bending value ，the smaller the out-oO- synchronization ecor generated after verification ，the better the output of the operating characteristics. The mathematical model of the operating characteCstics value y can provide an elective diection and basis for thedesin optimization and process improvement of the stability of operating characteristict of the motor starter.Key words : bimetallic ； performancc characteristics ； design margin ； parametric design0引言双金属片式作为一种 用的电电器，过 作特性 性的优劣，直接影响到 的可靠性和生产过程的 性。
塑料外壳式断路器过载特性试验中气动夹具的设计气动技术具有洁净、小型轻量化、集成化等优点，与电子技术相结合，广泛应用于自动化生产线、生产系统与工艺装备。
下文将介绍到的是塑料外壳式断路器过载特性试验中气动夹具的设计。
1.影延时特性试验可靠性的因素分析延时特性调试的内容是试验断路器的过载特性。
调试工人按照技术规定要求，让断路器通以额定倍数的电流，使双金属片发热弯曲，通过调节断路器上双金属片下面的调节螺钉，使产品在规定时间内脱扣。
这里有两个关键参数：时间、电流。
2.气动夹具的特点气动夹具可以克服压力不恒定的缺点。
气动夹具的压力可以根据需要设定气压的大小，通过气动三联件（将过滤器、减压阀、油雾器组合在一起称为三联件）可以方便地调节，三联件可以为气缸工作提供稳定的压力，保证了夹具压力的恒定，也就保证了夹具电极与产品接线端的接触电阻恒定。
从而使调试出来的产品完全合格。
3.设计实例① 夹具的结构设计夹具的结构设计是整个设计的核心，是体现设计者设计水平的重要标志。
结构简单，加工方便，工作可靠，操作灵活，经济耐用是夹具的结构设计原则，设计时，必须考虑夹具的工作方式、工序过程、使用环境等。
下图是塑壳断路器的延时试验气动夹具，该夹具的结构比较简单，采用一个气缸就可以实现工作要求。
夹具工作方式如下：将产品由水平位置放入，此时产品的上盖和接线端的螺钉未装上。
由右边定位板4进行定位，下边由另外一块定位板定位。
然后按气缸的控制按钮，气缸5伸出，带动夹具电极6一起运动，将产品的进线端和出线端压紧，然后由调试人员将产品合闸，产品就开始通电试验。
在夹具电极与产品接触的部分，加有导电性好的银点11，以减小接触电阻，增加导电性。
在电极的上面加有弹簧7，使夹具电极与产品接触更加良好并具有缓冲作用。
电极是由4根与轴套1滑配的导杆2拖动。
导杆与气缸上的底板3采用圆柱销8连接，以保证夹具的运动灵活。
各电极之间采用绝缘材料加工的隔板12和绝缘套10进行绝缘。
塑料外壳式断路器原理
塑料外壳式断路器是一种用于电路保护的设备，它的工作原理基于热响应和电磁力的作用。
首先，当电路中的电流超过了断路器的额定电流值时，断路器内部的热元件会被加热。
这个热元件通常是由双金属片组成的，当它受到高温时，双金属片会发生热弯曲。
接着，热弯曲的双金属片会触发断路器内部的触发装置，使其分离。
这样一来，断路器就会打开，切断电路中的电流流动。
此外，在某些情况下，如果电路中出现了过电流或短路的情况，断路器还会利用电磁力来迅速切断电路。
当电路中出现过电流时，电磁线圈会产生强大的电磁场，将断路器内部的触发装置吸引下来，进而迅速打开断路器。
总之，塑料外壳式断路器通过热响应和电磁力的作用，实现了对电路进行保护的功能。
当电流超过额定值或出现过电流短路时，断路器会迅速打开，切断电路，避免发生电路故障并保护设备的安全。
塑壳断路器热双金属片动作特性仿真分
析
摘要：塑壳断路器是低压配电网络中不可缺少的重要电器元件，用来切断故
障线路，防止故障范围的扩大，从而削弱供配电线路由于线路过载或短路造成的
严重后果，已经被广泛应用于航空航天、船舶、汽车及家用电器等领域。
其中，
热脱扣器是使用最为广泛的一类脱扣装置，而热双金属片是决定热脱扣器工作稳
定性的核心热敏感元件，其热变形的准确性直接影响到塑壳断路器的可靠性和供
配电系统的安全性。
在线路中，电流流经热双金属片时，通过直接通电发热进行
傍热式加热或者复合加热等方式，使双金属发生弯曲变形、塑壳断路器发生脱扣，从而实现线路保护的功能。
关键词：塑壳断路器；热双金属片；特性仿真
引言
近年来，为了缩短研发周期、降低验证成本，国内外专家学者对热双金属片
的动作特性计算进行了大量研究。
文献[5]基于温度场分布模型，通过仿真和实
验分析，计算了热双金属片的瞬态温度和形变分布；文献[6]通过电-热-结构间
接耦合仿真的方法，对热双金属片的应力场、位移场进行了分析；文献[7]通过
有限元仿真的方法，对热双金属片进行了优化设计，分析了不同形状参数对形变
稳定性的影响。
1小型断路器导电回路电阻
热双金属薄膜的驱动是由热变形引起的，而断路器的热主要是由电路电阻的
焦耳热效应引起的。
为此，热双金属模拟的第一步是计算断路器中的负载电流保护。
一种小型断路器电路。
电路电阻包括传导电路铜线固有的内部电阻R0、双金
属输入阻抗1、SP2、软体式内部阻抗3、夹紧杆的接触电阻RC以及端子的接触
电阻RK共6部分组成。
2热脱扣器工作原理介绍
热脱扣器是由热双金属片、电流输入接线端、电流输出接线端和导线组成。
当线路中通过电流时，流经热双金属片的电流会产生热量，金属片在热场的作用
下发生弯曲变形，从而推动断路器脱扣机构运动，
3双金属片优化设计流程
传统的分支板设计过程由一组不同强度材料的热弯曲性能组成，通过实验设
计可以限制DOE方法的研究，但实验成本高于材料特性，例如弯曲。
但在应用方面，理想的是，双金属材料不同形状的热变形状态和动态特性不同。
对于具有单
个函数的简单梁形状，如果使用理论和经验方程式，通常可以获得近似值。
对于
复杂形状，只能通过样品进行分析和优化。
这无疑增加了产品的开发成本。
为此，我们想用非线性解决方案和有限元方法取代其中的大部分试验项目，以降低开发
成本，缩短开发周期。
4热双金属片曲率和挠度理论计算
图1为热双金属片受热变形示意图，该双金属片为简支梁结构，两端均未固定。
图2 热双金属片受热变形图（简支梁结构）
理论计算热双金属片的曲率和挠度为：
比弯曲K的计算公式为：
热双金属片的变形挠度为：
其中：a1、a2为被动层和主动层的热膨胀系数；t为双金属片的厚度；ρ为双金属片的曲率半径；T0、T1为双金属片的初始温度和加热后温度。
5层双金属片优化设计流程如下
材料性质(包括电阻值、杨氏模量、蒲松氏比常数、线毗连系数等)。
)对于单个材料，通过查询数据和材料性能实验来确定。
将材料性质取代为均匀阻抗方程式、淀粉方程式、由钢筋造型组成的方程式，可设定一个目标值，以产生单层增厚解决方案。
由于方程式群组不是线性的，因此解决方案会使用取代公式来验证结果的精确度。
如果精度不足，则在上述过程中调整输入数据(例如重复材料性能试验等。
如果精度足够高，则加厚结果、材料特性和局部形状将用作有限元分析的初始数据，以生成仿真结果，例如电阻、功能区挠曲等。
来获得。
将仿真结果与性能测试和理论计算进行比较，例如高度匹配，表明所创建的重压弯曲模拟平台对两块金属有效，以后可与平台工具一起用于开发和选用新的双金属元件，部分取代试验。
6热双金属片推力计算
一般情况下，热双金属片在工作过程中，需要带动脱扣机构运动。
当温度升高时，热双金属片产生变形，在接触到脱扣机构时，会受到阻挡作用力。
一般情况下，热双金属片在工作过程中，需要带动脱扣机构运动。
当温度升高时，热双金属片产生变形，在接触到脱扣机构时，会受到阻挡作用力。
热双金属片推力P为：
由热双金属片推力产生的变形量为：
此时热双金属片的实际变形量Bz为：
其中：B为双金属变形挠度值；w为双金属宽度值。
7材料属性数据
当额定电流通过双金属膜时，电阻和热条件决定温度升高的速度，而元组层厚度与热膨胀系数的比率决定了元件在温度升高时弯曲的程度。
较小的断路器使用热膨胀系数较高的材料做为作用中的层或称为Hess的层，该层根据元件分为cunimn系列和fenimn系列(或FeNiCr)。
Mn72Ni10Cu18、FeNi20Mn6模型通常设计用于高值、相对高灵敏度的高灵敏度电阻率金属。
效率效率由于其推导良好，经常被用作调节抗御能力的流动层。
由于热膨胀系数非常低，因此通常用于被动或低膨胀。
大多数材料性质表示温度的非线性相依性，通常是从作业温度计算得出的。
这限制了在创建样品和进行性能测试之前对两块金属复合材料热弯曲特性的认识。
8仿真模型的建立
利用有限元仿真分析软件Ansys建立某型号小型断路器仿真模型，小型断路器网分模型;导电回路的材料属性;热双金属片材料参数。
其触头压力为4．5N;操作机构热双金属片位置的脱扣力设计值0．56N，脱扣行程设计值0．75mm。
建立的模型作如下等效假设:(1)触头接触、接线柱接触电阻串接入导电回路。
(2)热双金属片设置主动层和被动层，并按照比弯曲参数调定热膨胀系数。
(3)按照
GB10963．1—2020规定的长度和截面积，建立外连接线模型。
9试验和仿真结果对比
实验和仿真更准确地反映了两块金属在温度变化不同阶段的力和变形，相对于温度的理论计算。
测试五个取样点的温度变化；实验和模拟的复原力；实验和模拟的变形强度。
仿真值类似于研究结果。
请注意，节点6的模拟结果与模拟结果有很大差异。
分析发现，在中，温度急剧上升2.55度，过程仅为10s，没有热平衡，标签的热电偶尚未捕获数据。
因此，此数据不会影响仿真结果。
结束语
本文以塑壳断路器热双金属片为研究对象，从理论分析出发，计算了热双金属片的曲率、热推力以及在外力作用下的真实变形量，并通过电-热-结构耦合仿真分析的方法，研究了热双金属片在典型过载电流下动作特性曲线的变化，最后通过热双金属挠度测试平台验证了该仿真方法的正确性和有效性。
该仿真方法的引入有效缩短了塑壳断路器的研发周期，同时降低了研发验证成本，具有较强的研究意义和应用价值。
热双金属片因其结构简单、工作可靠，仍是低压电器产品中常用的保护设计方案，在小型断路器中应用尤其广泛。
本文借助仿真技术，探讨了小型断路器热双金属片的一般设计方法以及技术参数的调节方法。
随着我国低压配电领域理论和技术研究的深化，更精准、环境适应性更强的产品热过载保护性能设计必然获得进一步完善和优化。
参考文献
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