Elektrothermische Simulation einer elektrischen Sicherung

Elektrische Sicherung

In der Elektronik und Elektrotechnik ist eine Sicherung eine elektrische Sicherheitseinrichtung, die den Überstromschutz eines Stromkreises gewährleistet. Sein wesentlicher Bestandteil ist ein Metalldraht oder -streifen, der schmilzt, wenn zu viel Strom durch ihn fließt, wodurch der Strom unterbrochen wird. Es ist ein Opfergerät; Sobald eine Sicherung durchgebrannt ist, handelt es sich um einen offenen Stromkreis, der ausgetauscht oder neu verkabelt werden muss. Abbildung 1 zeigt eine Sicherung für die Automobilanwendung und Abbildung 2 zeigt eine Sicherung für die Hochleistungsanwendung.

Abbildung 1 - Beispiel einer Fahrzeugsicherung




Abbildung 2 - Eine 115-kV-Hochspannungssicherung in einem Umspannwerk in der Nähe eines Wasserkraftwerks [1]

Thermoelektrische Modellierung einer Kfz-Sicherung

Joule'sche Erwärmung entsteht, wenn die durch einen Leiter fließende elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. EMS for Solidworks bietet eine vollständig gekoppelte thermoelektrische Analyse für diese Art von Problem. Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung der Fähigkeit, die Erwärmung einer elektrischen Sicherung für Kraftfahrzeuge aufgrund eines konstanten elektrischen Stroms zu modellieren. Sicherungen sind die primären Schutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen. Sie sind in verschiedenen Nennströmen erhältlich und so ausgelegt, dass bei einer Erwärmung aufgrund elektrischer Leitfähigkeit der Metallleiter schmilzt und somit der Stromkreis abschaltet, wenn der Betriebsstrom für einen bestimmten Zeitraum den Nennstrom überschreitet.

Eine Kfz-Sicherung besteht aus einem Metallleiter wie Zink, der in ein transparentes Kunststoffgehäuse eingebettet ist. Das Kunststoffgehäuse, das nur den dünnen Leiter schützt und trägt, ist im Finite-Elemente-Modell nicht dargestellt (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 - 3D-Modell einer simulierten Sicherung

In diesem Beispiel ist der Electric Conduction Solver an die thermische Analyse gekoppelt. Diese Simulation generiert Diagramme des elektrischen Feldes, der Stromdichte, des Potentials, des Sicherheitsfaktors sowie der Temperatur und des Wärmestroms.

Simulationsaufbau

Nach der Erstellung einer gekoppelten elektrischen Leitfähigkeits- und Wärmestudie in EMS sind vier wichtige Schritte zu befolgen:

1. Tragen Sie für alle festen Körper das richtige Material auf.
2. Legen Sie die erforderlichen elektromagnetischen Eingänge an.
3. Legen Sie die erforderlichen thermischen Eingänge an.
4. Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus.

Materialien

Die Sicherung besteht aus Zink, dessen isotrope Temperatur von der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit abhängt (siehe Abbildung 5).

Tabelle 1 - Materialeigenschaften

Abbildung 4 - Elektrische und thermische Leitfähigkeitskurven

Elektromagnetische Eingänge

In dieser Studie sind die in Tabelle 2 gezeigten festen Spannungen die einzigen elektromagnetischen Eingänge.

Thermische Eingänge

In diesem Beispiel wird natürliche Konvektion auf die Ober- und Unterseite der Sicherung angewendet.

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Abbildung 7 - Meshed Model  

Elektrothermische Ergebnisse

Die transienten elektrischen Ergebnisse sind auf die temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit und die Kopplung an die transiente thermische Analyse zurückzuführen. Die Gesamtlösungszeit ist auf 150 Sekunden mit 15 Sekunden als Zeitinkrement eingestellt.

Abbildung 8 zeigt das elektrische Feld in der Sicherung nach 75 Sekunden. In Abbildung 9 ist ein 3D-Vektordiagramm der Stromdichte in der Sicherung dargestellt. Wir stellen fest, dass der maximale Strom im Sicherungselement liegt.

Abbildung 8 - 3D-Diagramm des elektrischen Felds in der Sicherung nach 75 Sekunden




Abbildung 9 - Stromdichteverteilung in der Sicherung (Vektordiagramm)






Abbildung 10 - Elektrisches Potenzial

In 11 ist die Temperaturverteilung in der Schmelze aufgetragen. Die hohe Temperatur wird im Sicherungselement aufgrund der hohen Stromdichte am selben Ort erzeugt. In Abbildung 12 ist die Temperatur als Funktion der Entfernung entlang der Sicherung im mittleren Bereich aufgetragen.

Fazit

Mit EMS for SolidWorks können Sicherungen für verschiedene Anwendungen entworfen und simuliert werden. Die gekoppelte elektrische und thermische Simulation ermöglicht es den Ingenieuren, die thermischen Auswirkungen der Stromverteilung zu untersuchen. Durch die Verwendung realer Materialeigenschaften wie temperaturabhängiger elektrischer und thermischer Leitfähigkeiten kann außerdem genau dargestellt werden, was mit dem Sicherungsmaterial unter verschiedenen Betriebsbedingungen passiert.