Electrothermal Simulation of an Automotive Electric Fuse

電気ヒューズ

電子工学および電気工学では、ヒューズは電気回路の過電流保護を提供するために動作する電気安全装置です。その重要なコンポーネントは、電流が流れすぎると溶けて電流を遮断する金属ワイヤまたはストリップです。それは犠牲的な装置です。ヒューズが焼けると、それは開回路であり、交換または再配線する必要があります。図 1 は自動車用アプリケーションに使用されるヒューズを示し、図 2 は高電力アプリケーション用のヒューズを示しています。

図 1 -車両ヒューズの例




図 2 -水力発電所近くの変電所の 115 kV 高電圧ヒューズ [1]

自動車用ヒューズの熱電気モデリング

ジュール熱は、導体を流れる電流によって消費されるエネルギーが熱エネルギーに変換されるときに発生します。 EMS for Solidworks は、この種の問題に対して完全に結合された熱-電気解析を提供します。この例では、定常電流による自動車の電気ヒューズの加熱をモデル化する機能の使用について説明します。ヒューズは、自動車の主要な回路保護デバイスです。それらはさまざまな定格電流で利用可能であり、動作電流が一定期間設計電流を超えると、電気伝導による加熱により金属導体が溶融し、回路が切断されるように設計されています。

自動車用電気ヒューズは、透明なプラスチック ハウジングに埋め込まれた亜鉛などの金属導体で構成されています。図 3 に示すように、細い導体を保護およびサポートするだけのプラスチック ハウジングは、有限要素モデルでは表されません。

図 3 -シミュレートされたヒューズの 3D モデル

この例では、電気伝導ソルバーが熱解析と結合されています。このシミュレーションは、電界、電流密度、電位、安全率、および温度と熱流束のプロットを生成します。

シミュレーションのセットアップ

EMS で電気伝導と熱の連成スタディを作成した後、次の 4 つの重要な手順を実行する必要があります。

1. すべてのソリッド ボディに適切なマテリアルを適用します。
2. 必要な電磁入力を適用します。
3. 必要な熱入力を適用します。
4. モデル全体をメッシュ化し、ソルバーを実行します。

材料

ヒューズは、図 5 に示すように、電気伝導率と熱伝導率に依存する等方性の温度を持つ亜鉛でできています。

表1 -材料特性

図 4 - 電気および熱伝導率曲線

電磁入力

このスタディでは、表 2 に示す固定電圧が唯一の電磁入力です。

熱入力

この例では、ヒューズの上面と下面に自然対流が適用されます。

メッシング

メッシングは、設計解析において非常に重要なステップです。 EMS は、モデルの体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデルの全体的な要素サイズを推定します。生成されるメッシュのサイズ (節点と要素の数) は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ許容値、およびメッシュ コントロールによって異なります。おおよその結果で十分な設計解析の初期段階では、解析を高速化するために、より大きな要素サイズを指定できます。より正確な解を得るには、より小さい要素サイズが必要になる場合があります。

図 7 -メッシュ モデル 

電熱結果

過渡電気の結果は、温度に依存する電気伝導率と過渡熱解析との結合によるものです。合計解析時間は、時間増分として 15 秒で 150 秒に設定されます。

図 8 は、75 秒後のヒューズ内の電界を示しています。図 9 に、ヒューズの電流密度の 3D ベクトル プロットを示します。最大電流がヒューズエレメントにあることがわかります。

図 8 - 75 秒でのヒューズ内の電界の 3D プロット




図 9 -ヒューズの電流密度分布 (ベクトル プロット)






図 10 -電位

図 11 に、溶融部の温度分布をプロットします。ヒューズエレメントは、同じ場所での電流密度が高いため、高温になります。図 12 は、中央部分のヒューズに沿った距離の関数として温度をプロットしたものです。

結論

EMS for SolidWorks を使用して、さまざまなアプリケーションのヒューズを設計およびシミュレーションできます。電気と熱の連成シミュレーションにより、エンジニアは電流分布の熱効果を調べることができます。さらに、温度依存の電気伝導率や熱伝導率などの実際の材料特性を採用することで、さまざまな動作条件下でヒューズ材料に何が起こるかを正確に表すことができます。