基于ABAQUS的中央電氣接線盒溫度場分析

賀占蜀，陳 雷，王武軍，毛建偉

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030)

0 引言

中央電氣接線盒是線束系統(tǒng)中用于電氣連接、分配電流以及過載保護(hù)的重要電氣部件，它主要由PCB板、繼電器、快速熔斷器、慢速熔斷器和插頭/插座等元器件組成。其中，繼電器、快速熔斷器和慢速熔斷器等元器件，通過自身引腳插入焊接在PCB板上的插頭/插座端子中，而后通過PCB板內(nèi)的覆銅實(shí)現(xiàn)電氣連接。目前，電器盒朝著高集成、大功率、小型化的方向發(fā)展，電器盒內(nèi)的熱流密度逐漸增大，PCB板的溫度也急劇升高，這容易導(dǎo)致功能失效，甚至可能引發(fā)燃燒。因此，有必要對電器盒內(nèi)PCB板的溫度場進(jìn)行研究。

Mashimo等[1]通過實(shí)驗(yàn)和仿真研究了PCB板的溫度分布，并對繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，指出仿真的準(zhǔn)確度與接觸熱阻的網(wǎng)格模型有關(guān)。Hwang等[2]通過實(shí)驗(yàn)和仿真獲得了接觸電阻和接觸熱阻值，對PCB板和繼電器集成后的整體進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，得到整體的溫度分布。Angadi等[3]建立了一種電連接器的機(jī)電熱多場耦合模型，對接觸壓力、通電電流和環(huán)境因素綜合作用下的溫度場進(jìn)行了仿真。Monnier等[4]采用ANSYS軟件對典型觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電熱多場耦合穩(wěn)態(tài)仿真，并建立了觸點(diǎn)的二維模型，計(jì)算了溫度及電位的分布，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Zandi等[5]對一種多層PCB板中的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)行了有限元仿真，通過熱電耦合方法預(yù)測PCB板的溫度分布。Zhang等[6]基于有限元仿真和解析計(jì)算提出一種預(yù)測PCB板溫度的方法，并指出網(wǎng)格密度和特征值數(shù)量是影響分析結(jié)果的主要因素。目前，國內(nèi)也有很多文獻(xiàn)利用有限元軟件計(jì)算電器元件溫度場的報道[7-9]，但該方法在電器盒內(nèi)的PCB板溫度場分析方面的應(yīng)用并不多見。賈京等[10]研究了不同覆銅量與不同熱過孔直徑的PCB板的散熱特性，并通過ANSYS軟件對其進(jìn)行溫升仿真，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。于巖等[11]通過有限元軟件對PCB板的3種不同的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱分析和不同對流系數(shù)下的熱分析，并與未經(jīng)歷過散熱過程的PCB板進(jìn)行比較，得出散熱效果最好的PCB板散熱結(jié)構(gòu)。

雖然國內(nèi)外對PCB板的溫度場分布進(jìn)行了一些研究，但相關(guān)文獻(xiàn)仍然較少，而且在PCB板上集成的元器件數(shù)量也相對較少。筆者首先通過仿真與實(shí)驗(yàn)分別對電器盒內(nèi)PCB板、繼電器、快速熔斷器和慢速熔斷器等元器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與參數(shù)確定，然后對集成了所有元器件的電器盒整體進(jìn)行溫升仿真和實(shí)驗(yàn)，并分析各個元器件對PCB板溫度場的影響。

1 實(shí)驗(yàn)與仿真設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)使用NWYK-30200型直流穩(wěn)壓電源提供不同大小的電壓和電流。通過粘在元器件表面的K形熱電偶測量溫度，并通過8422-51型多通道數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)，記錄周期為1 s。采用萬用表測量元器件的接觸電阻。繼電器由塑料外殼、銜鐵、引腳和線圈組成，如圖1所示。首先導(dǎo)通控制回路，分別測量銜鐵吸合時的吸合電阻、繼電器的引腳與插座端子間的接觸電阻和導(dǎo)線壓接端子處的壓接電阻。而后導(dǎo)通主回路，通入20 A的電流進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，采集銜鐵、引腳和線圈處的溫度。PCB板由環(huán)氧玻璃布層壓板FR-4和覆蓋在其上的銅箔構(gòu)成，覆銅厚度為0.14 mm。分別在PCB板中通入不同的電流進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，采集覆銅區(qū)域和玻纖上若干位置以及兩者銜接處的溫度。實(shí)驗(yàn)中PCB板上溫度采樣點(diǎn)分布如圖2所示。選取不同覆銅區(qū)域?qū)挾?5、10、15、20 mm)的PCB板進(jìn)行研究。

圖1 繼電器實(shí)物照片F(xiàn)igure 1 A photo of relay

圖2 PCB板溫升實(shí)驗(yàn)Figure 2 Temperature experiment of PCB

快速熔斷器和慢速熔斷器都是由引腳、熔斷片和塑料外殼組成。實(shí)驗(yàn)時將快速熔斷器和慢速熔斷器通過引腳和插座端子裝配在覆銅區(qū)域?qū)挾葹?0 mm的PCB板上，測量接觸面間的接觸電阻。通入25 A的電流進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，采集快速熔斷器與慢速熔斷器的引腳和PCB板覆銅區(qū)域的溫度，如圖3所示。最后對電器盒整體進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，在PCB板和元器件的端子處選擇溫度采樣點(diǎn)。

圖3 熔斷器溫升實(shí)驗(yàn)Figure 3 Temperature rise experiment of fuse

1.2 仿真設(shè)置

為了分析各個元器件的溫度場，先測量元器件接觸面間的接觸電阻，并根據(jù)生熱散熱理論計(jì)算出接觸熱阻、受限空間自然對流換熱系數(shù)和大空間自然對流換熱系數(shù)[12-13],物體表面的熱輻射折算成熱對流輸入仿真模型[14-15]。然后通過ABAQUS軟件對各個元器件進(jìn)行溫升仿真。電器盒中的引腳、插座端子、繼電器線圈、銅箔、導(dǎo)體柱、慢速熔斷器的熔斷片的材料為銅；環(huán)氧玻璃布層壓板的材料為FR-4；繼電器銜鐵的材料為DT4E；快速熔斷器的熔斷片的材料為鋅。網(wǎng)格類型為C3D8R，大小為0.5 mm。在元器件表面施加相應(yīng)的對流換熱系數(shù)，并定義接觸面間的接觸屬性為Tie接觸，在接觸面間設(shè)置接觸電傳導(dǎo)系數(shù)Ecc和接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)Tcc。

Ecc=1/(RcAc)；

(1)

Tcc=1/(RthAc)，

(2)

式中：Ac為接觸面積；Rc為接觸電阻；Rth為接觸熱阻。將繼電器內(nèi)部的線圈等效簡化為相同截面積的圓柱體，且保持等效前后電阻值大小相同。等效過后的圓柱體對流傳熱可以通過式(3)進(jìn)行換算。

Φ=h2AΔt=h2eqAeqΔt，

(3)

式中：h2為實(shí)際線圈的對流換熱系數(shù)；A為實(shí)際線圈的總換熱面積；Δt為物體與環(huán)境間的溫差；h2eq為等效圓柱體的對流換熱系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法得出；Aeq為等效圓柱體的換熱面積。

當(dāng)完成對各個元器件的數(shù)據(jù)采集和參數(shù)確定后，將所有元器件集成起來，根據(jù)已獲得的參數(shù)對電器盒整體進(jìn)行溫升仿真。最后根據(jù)電器盒的項(xiàng)目原理圖在各個元器件中施加電流載荷。電器盒整體的仿真模型如圖4所示。

圖4 電器盒仿真模型Figure 4 Numerical simulation model of electric box

2 結(jié)果與討論

2.1 繼電器的溫升分析

圖5為通入20 A電流時繼電器的穩(wěn)態(tài)云圖及內(nèi)部件的瞬態(tài)溫度曲線。由圖5可知，主回路和控制回路分別從銜鐵和線圈到引腳、端子直至導(dǎo)線，溫度逐漸遞減。因?yàn)榻佑|熱阻的存在，使主回路、控制回路、引腳與導(dǎo)線端子的接觸位置和端子與導(dǎo)線的壓接位置都存在較大的溫度變化梯度。通入電流后繼電器內(nèi)的部件的溫度都是先快速上升，而后上升幅度逐漸減緩，最后達(dá)到熱平衡狀態(tài)后溫度保持不變。其中，繼電器線圈的溫升最大達(dá)到63 ℃。穩(wěn)態(tài)時溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的誤差小于10%，故認(rèn)為獲取的繼電器的接觸電阻、接觸熱阻和對流換熱系數(shù)等參數(shù)準(zhǔn)確，可以輸入到電器盒整體的仿真模型中。

圖5 繼電器的溫升特性Figure 5 Temperature rise features of relay

2.2 PCB板的溫升分析

圖6為通入30 A電流時覆銅區(qū)域?qū)挾葹?0 mm的PCB板的穩(wěn)態(tài)云圖及覆銅區(qū)域、玻纖上采樣點(diǎn)1、玻纖與覆銅區(qū)域銜接處的瞬態(tài)溫度曲線。由圖6可知，因具有較高的熱導(dǎo)率，覆銅區(qū)域中間位置的溫度基本一致且分布均勻。因?yàn)楦层~區(qū)域兩端與玻纖的接觸面積大，傳熱面積大，所以溫度比中間位置低。

圖6 PCB板的溫升特性Figure 6 Temperature rise features of PCB

覆銅區(qū)域的溫升最高可達(dá)到47 ℃，玻纖與覆銅區(qū)域銜接處的溫升達(dá)到26 ℃。通入電流后覆銅區(qū)域與玻纖上的溫度都是先快速上升，而后上升幅度逐漸減緩，最后達(dá)到熱平衡狀態(tài)后溫度保持不變。覆銅區(qū)域的溫度的實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差小于10%，故認(rèn)為獲取的PCB板的接觸熱阻和對流換熱系數(shù)等參數(shù)準(zhǔn)確。

對覆銅區(qū)域?qū)挾葹?、10、15、20 mm的PCB板，通入不同大小的電流進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)和仿真，如圖7所示。當(dāng)覆銅區(qū)域?qū)挾纫欢〞r，覆銅區(qū)域的溫度隨電流增大而上升，且上升幅度越來越大。當(dāng)電流大小一定時，覆銅區(qū)域的溫度隨寬度增大而下降，但下降的幅度越來越小。電流為30 A時，當(dāng)覆銅區(qū)域?qū)挾扔? mm增加到10 mm時，覆銅區(qū)域的溫度減小了40%。而當(dāng)覆銅區(qū)域的寬度由15 mm增加到20 mm時，覆銅區(qū)域的溫度只減小了21%。所以覆銅區(qū)域?qū)挾葹?0 mm時較為合適。

圖7 不同覆銅區(qū)域?qū)挾认碌臏囟入S電流的變化曲線Figure 7 Change of temperature at different width of copper cladding region with current

2.3 快速熔斷器和慢速熔斷器溫升分析

圖8和圖9分別為通入25 A電流時快速熔斷器、慢速熔斷器和PCB板的穩(wěn)態(tài)云圖及插座端子和其下方的PCB板覆銅區(qū)域的瞬態(tài)溫度曲線。由于熔斷器的熔斷片的電阻比插座端子和銅箔的電阻大并且生熱率最高，因而溫度也最高?？焖偃蹟嗥鞯娜蹟嗥畲鬁厣蛇_(dá)135 ℃，慢速熔斷器的熔斷片最大溫升可達(dá)109 ℃?？焖偃蹟嗥骱吐偃蹟嗥鳟a(chǎn)生的熱量都將依次通過插座端子、覆銅傳導(dǎo)到玻纖，溫度呈現(xiàn)明顯的梯度變化。熱量傳導(dǎo)的同時還向空氣中散失，因此溫度降幅較大。實(shí)驗(yàn)與仿真得到的插座端子和PCB板覆銅區(qū)域的溫度值的誤差小于10%，故認(rèn)為獲取的接觸電阻、接觸熱阻和對流換熱系數(shù)等參數(shù)準(zhǔn)確。

圖8 快速熔斷器和PCB板的溫升特性Figure 8 Temperature rise features of quick fuse and PCB

圖9 慢速熔斷器和PCB板慢的溫升特性Figure 9 Temperature rise features of slow fuse and PCB

2.4 電器盒整體的溫升分析

通過仿真得到穩(wěn)態(tài)時的電器盒整體的溫度分布云圖如圖10所示。從圖10可知，元器件溫度整體較高，且元器件都高于各自的連接端子的溫度，因?yàn)榇嬖诮佑|熱阻且熱量向空氣中散失，故呈現(xiàn)出較大的溫度梯度。其中，額定電流為20 A的快速熔斷器通入16.7 A電流時的生熱率最大，溫升達(dá)到155 ℃，而與其連接的端子溫升為77 ℃。其中電器盒中接觸面間的接觸電傳導(dǎo)系數(shù)和接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1所示。不同溫度條件下電器盒中對流換熱系數(shù)如表2所示。而后通過實(shí)驗(yàn)測量電器盒不同位置的溫度(采樣點(diǎn)的位置如圖11所示)，并將實(shí)測溫度與仿真溫度進(jìn)行對比，如表3所示。

表1 接觸電傳導(dǎo)系數(shù)和接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)Table 1 Conductivity coefficient of contact electricity and thermal contact

表2 電器盒中自然對流換熱系數(shù)Table 2 Free convection heat transfer coefficient of electric box

圖10 電器盒整體的溫度分布Figure 10 Temperature distribution of integral electrical box

圖11 電器盒的采樣點(diǎn)位置Figure 11 Sample point location of electrical box

由表3可以發(fā)現(xiàn)，電器盒內(nèi)采樣點(diǎn)的溫度的實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差小于10%，說明建立的仿真模型準(zhǔn)確。因?yàn)镻CB板散熱面積大且覆銅區(qū)域熱導(dǎo)率較大，PCB板各區(qū)域的溫度整體低于元器件的溫度。將元器件和端子隱藏得到PCB板正反面的溫度分布云圖,如圖12所示。因?yàn)樵骷季植痪?，PCB板上的溫度分布也不均勻。其中，右端的集成的元器件數(shù)量多，且多為大功率的繼電器，因此產(chǎn)生的熱量多，右端的PCB板溫度就相對較高。然而在PCB板背面的總電流輸入位置，因生熱率較大，此處溫度明顯高于周圍PCB板的溫度，溫升達(dá)38.7 ℃，未超過國標(biāo)要求。

表3 電器盒采樣點(diǎn)的仿真與實(shí)驗(yàn)溫度值Table 3 Simulation and experimental temperature values of electrical box

圖12 全部導(dǎo)通時PCB板的溫度分布云圖Figure 12 Temperature distribution of PCB when all components are energized

3 結(jié)論

筆者通過將電器盒內(nèi)的所有元器件集成起來，進(jìn)行整體的溫升仿真和實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)通過理論、仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，可確定各元器件準(zhǔn)確的對流換熱系數(shù)、接觸電阻和接觸熱阻等參數(shù)。

(2)增大覆銅區(qū)域?qū)挾瓤梢越档蚉CB板的溫升，但當(dāng)寬度超過一定程度后，繼續(xù)增大覆銅區(qū)域的寬度，降低溫升的效果不明顯。綜合考慮成本、承載電流能力和溫升，選擇覆銅區(qū)域?qū)挾葹?0 mm。

(3)電器盒內(nèi)元器件的溫度整體高于PCB板的溫度，各個元器件溫度都高于各自的連接端子的溫度。PCB板在大功率元器件集成位置和電流總?cè)肟谔帨囟容^高，最大溫升達(dá)到38.7 ℃。