大電流電連接器接插件基體材質(zhì)替代可行性研究

□ 丁志勇 □ 王海波 □ 周 青 □ 于愛兵 □ 俞坷薇

1.寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 3150002.浙江永貴電器股份有限公司 浙江臺州 318000

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展,電連接器行業(yè)競爭壓力增大。當(dāng)技術(shù)發(fā)展達到一定階段時,制造成本、質(zhì)量、服務(wù)成為主要競爭環(huán)節(jié),降本增效成為企業(yè)發(fā)展的一個方向。這其中,技術(shù)方面的降本增效是重要課題。電連接器在設(shè)計時需要滿足設(shè)備的使用要求,根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境、工況等,選用合適的安全余量。既要保證電連接器的運行安全性,也要避免安全余量過大造成浪費,導(dǎo)致成本偏高。因此,在綜合考慮功能性、使用性、安全性、美觀性等性能之外,還必須對電連接器進行經(jīng)濟性評價[1]。

電連接器是一種電接觸元件,廣泛應(yīng)用于電流傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信、控制信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域。電連接器連接性能、質(zhì)量、可靠性對整個設(shè)備或系統(tǒng)具有不可忽視的制約和影響作用[2]。電連接器從結(jié)構(gòu)上分為接插件、絕緣體、外殼、附件,其中,接插件是決定電連接器性能的主要因素[3]。接插件主要由插針、插孔組成,材質(zhì)多選用導(dǎo)電性能優(yōu)異的銅合金,表面采用鍍銀、鍍金,達到接觸電阻小、防腐蝕的目的。

在大電流電連接器接插件基體材質(zhì)方面,劉文軒等[4]對觸頭材料及環(huán)境氣氛對接觸電阻的影響機理進行論述,明確觸頭接觸電阻與氣氛、觸頭材料之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系。袁名揚等[5]對觸頭接觸電阻的影響因素進行了分析,闡述金屬導(dǎo)體電阻率對接觸電阻的影響規(guī)律,提出常態(tài)下導(dǎo)電性能最好的金屬銀、銅適合用作觸頭材料。楊堅等[6]對紫銅類插孔零件進行加工工藝研究,提高了紫銅零件的加工生產(chǎn)效率。王珩等[7]對觸點材料接觸電阻的測量方法進行了匯總,目前觸點材料接觸電阻測試設(shè)備精度大多為毫歐級,所以對于基體電阻相差很小的兩種材質(zhì),無法精準測量計算得到電阻差。

目前,在電連接器方面關(guān)于基體材質(zhì)的研究大多針對接觸電阻的測量方法及影響接觸電阻的因素,應(yīng)用方面的研究則較少。行業(yè)中應(yīng)用于大電流傳輸?shù)慕硬寮?插配端直徑相同,規(guī)格不同,所用基體材質(zhì)相同,當(dāng)壓接配對的電纜線橫截面積較小時,電連接器整體的載流能力主要受電纜線載流能力制約。筆者通過理論計算和試驗相結(jié)合的方法,對插配端直徑相同的大電流電連接器接插件壓接小規(guī)格電纜線時基體材質(zhì)由黃銅替代紫銅進行可行性研究,分析大電流電連接器接插件基體材質(zhì)可以實現(xiàn)替代的規(guī)格范圍,使材料性能利用最大化,并降低成本。

2 數(shù)據(jù)分析模型

研究所針對的大電流電連接器為環(huán)簧結(jié)構(gòu),如圖1所示。大電流電連接器插配端直徑為14.5 mm,可接電纜線規(guī)格為35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2,接插件插針、插孔根據(jù)所接電纜線規(guī)格,具有相對應(yīng)的尾孔尺寸。插針參數(shù)如圖2所示,插孔參數(shù)如圖3所示。

紫銅作為接插件基體材質(zhì),具體選用T2銅。黃銅作為接插件選用H62銅[8]?？紤]到僅是接插件基體材質(zhì)發(fā)生替代,絕緣體、殼體等其它結(jié)構(gòu)均不改變,因此主要分析基體材質(zhì)替代對大電流電連接器殼體內(nèi)總電阻及通電后溫升的影響。

3 殼體內(nèi)總電阻理論計算

對總電阻進行理論分析時,壓接電阻、接觸電阻非實測值,按照標準GB/T 34119—2017規(guī)定[9],只要電阻在標準規(guī)定的范圍內(nèi),都滿足要求。因此,計算選用標準規(guī)定的最大值較為合理。另一方面,標準規(guī)定在環(huán)境溫度為40 ℃時載流曲線所對應(yīng)的電流為電連接器的額定電流,因此以環(huán)境溫度40 ℃為基線進行計算分析。

大電流電連接器殼體內(nèi)總電阻由四部分組成,四部分分別為接觸電阻、壓接電阻、基體電阻、殼體內(nèi)電纜線電阻。

(1) 接觸電阻。接觸電阻與接插件尾孔及壓接電纜規(guī)格無關(guān),只與插配端直徑有關(guān)。根據(jù)標準GB/T 34119—2017,在插配端直徑為14.50 mm時,紫銅、黃銅基體接插件接觸電阻相等,均為0.15 mΩ。

(2) 壓接電阻。紫銅、黃銅基體接插件外形和結(jié)構(gòu)尺寸相同,采用相同的壓模進行壓接,因此壓接電阻相等。根據(jù)標準GB/T 34119—2017可得,壓接規(guī)格為35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2的電纜線時,大電流接插件最大壓接電阻見表1。

(3) 基體電阻。插針總長57 mm,插孔總長59.30 mm,插孔頭部外徑為19.80 mm,插入深度為13.50 mm。由于接插件不是外徑一致的導(dǎo)體,因此插合狀態(tài)時近似看作外徑為19.80 mm的圓柱體,長度為102.80 mm,截面積為307.75 mm2。

表1 最大壓接電阻

當(dāng)環(huán)境溫度保持20 ℃時,紫銅的電阻率為0.018 Ω·mm2/m,黃銅的電阻率為0.071 Ω·mm2/m[10]。紫銅和黃銅電阻率隨溫度變化而變化,紫銅電阻溫度系數(shù)為0.003 9 K-1,黃銅電阻溫度系數(shù)為0.001 7 K-1。

基體電阻與電阻率、溫度、電阻溫度系數(shù)之間的關(guān)系為:

Rjt=ρjc(1+aΔT)Lj/S

(1)

式中:Rjt為溫度為t時的基體電阻;ρjc為溫度為c時的電阻率;a為電阻溫度系數(shù);ΔT為溫度增量;Lj為接插件插合后長度,S為截面積。

由此,當(dāng)t為40 ℃,c為20 ℃時,紫銅基體接插件40 ℃時的基體電阻為0.006 48 mΩ,黃銅基體接插件40 ℃時的基體電阻為0.024 5 mΩ。

(4) 殼體內(nèi)電纜線電阻。殼體內(nèi)電纜線的長度為0.153 05 m,紫銅、黃銅基體接插件相同規(guī)格壓接,選用相同電纜線,因此殼體內(nèi)電纜線電阻相等。

根據(jù)標準EN 50264-3-1[11],可得環(huán)境溫度為20 ℃時單位長度導(dǎo)體的電阻最大值。電纜線電阻隨溫度變化而變化,需要通過溫度校正因數(shù)進行修正。根據(jù)標準GB/T 3956—2008附錄A[12],有:

Rdt=RdcLd/Kt

(2)

式中:Rdt為溫度為t時的殼體內(nèi)電纜線電阻;Rdc為溫度為c時單位長度導(dǎo)體電阻最大值;Ld為電纜線長度;Kt為溫度為t時的溫度校正因數(shù)。

當(dāng)溫度為40 ℃時,電纜線電阻的溫度校正因數(shù)為0.926,由此,當(dāng)t為40 ℃,c為20 ℃時,殼體內(nèi)電纜線電阻見表2。

表2 殼體內(nèi)電纜線電阻

(5) 殼體內(nèi)總電阻。根據(jù)上述計算結(jié)果,匯總可得不同規(guī)格接插件壓接匹配電纜線后的殼體內(nèi)總電阻,見表3。表3中,RZ為紫銅基體接插件壓接電纜線后殼體內(nèi)總電阻,RH為黃銅基體接插件壓接電纜線后殼體內(nèi)總電阻。

表3 殼體內(nèi)單根接插件總電阻

4 理論計算結(jié)果分析

4.1 基體電阻對殼體內(nèi)總電阻的影響

已知紫銅基體接插件、黃銅基體接插件40 ℃時的基體電阻,以及RZ、RH,可以計算出基體電阻占殼體內(nèi)總電阻的比值,見表4。

表4 基體電阻占殼體內(nèi)總電阻比值

由表4可知,紫銅基體接插件基體電阻占殼體內(nèi)總電阻比值較小,最大只有3.30%,黃銅基體接插件基體電阻占殼體內(nèi)總電阻比值較大,最大達11.42%。對于規(guī)格為35 mm2、50 mm2、70 mm2的電纜線,傳輸電流小,接插件基體電阻不是影響溫升性能的主要因素,此時適當(dāng)增大接插件基體電阻占殼體內(nèi)總電阻比值,仍可滿足大電流電連接器溫升性能要求。

4.2 焦耳定律下電流與電阻換算

由于客體內(nèi)總電阻變化較小,數(shù)量級均為毫歐級,因此細微的測量誤差就可能對結(jié)果產(chǎn)生很大影響。接插件基體材質(zhì)對大電流電連接器溫升的影響,在相同試驗條件下最直觀的體現(xiàn)是所通電流大小。由此,兩種基體材質(zhì)接插件殼體內(nèi)總電阻的分析可以轉(zhuǎn)換為電流的分析,這樣更加貼合實際工況。

由焦耳定律可知,在通電時間相同、產(chǎn)生熱量相等的情況下,有:

(3)

式中:IZ為紫銅基體接插件殼體內(nèi)總電阻在相同時間內(nèi)產(chǎn)生相同熱量的電流值;IH為黃銅基體接插件殼體內(nèi)總電阻在相同時間內(nèi)產(chǎn)生相同熱量的電流值。

引入因數(shù)M,代表IH與IZ的比值,M越接近1,說明差異性越小。電流比值理論計算結(jié)果見表5。

表5 電流比值理論計算結(jié)果

由表5可知,在相同時間內(nèi)產(chǎn)生相同熱量,黃銅基體接插件和紫銅基體接插件所需通電電流比值大于0.95,尤其是對于規(guī)格為35 mm2、50 mm2、70 mm2的電纜線,所需通電電流比值達到0.96以上。考慮這三種規(guī)格電纜線所通電流較小,因此基體材質(zhì)由黃銅替代紫銅更具有可行性。當(dāng)然,雖然電流比值較為接近1,但是熱量的產(chǎn)生與電流的二次方成正比,還需要進一步通過溫升試驗驗證。

5 溫升試驗

5.1 試驗方法

利用大電流發(fā)生器和多路溫度巡檢儀進行大電流電連接器溫升試驗,大電流電連接器的三對接插件之間串聯(lián),溫升試驗原理如圖4所示。

參考標準GB/T 5095.3—1997中的試驗方法[13],在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下,將接插件壓接電纜線后進行串聯(lián),由大電流發(fā)生器傳輸電流。多路溫度巡檢儀采集不同電流下大電流電連接器達到熱平衡后的溫度及大電流電連接器的環(huán)境溫度,兩個溫度之差即為產(chǎn)生的溫升。

5.2 試驗過程

對于每個規(guī)格的電纜線,制作三套試驗樣品,由三套試驗樣品得到試驗平均值。對于每個規(guī)格的電纜線,進行四個不同電流下的溫升試驗,計算得到溫升。紫銅基體接插件溫升試驗結(jié)果見表6,黃銅基體接插件溫升試驗結(jié)果見表7。

表6 紫銅基體接插件溫升試驗結(jié)果

表7 黃銅基體接插件溫升試驗結(jié)果

5.3 載流曲線

通過溫升試驗得到的載流曲線如圖5所示。圖5各圖中,曲線1為紫銅基體接插件由溫升試驗測試值繪制的基本曲線,曲線2為黃銅基體接插件由溫升試驗測試值繪制的基本曲線,曲線3為紫銅基體接插件溫升試驗測試值引入降額因數(shù)0.8后的修正曲線,曲線4為黃銅基體接插件溫升試驗測試值引入降額因數(shù)0.8后的修正曲線,曲線5代表電流上限,大電流電連接器材料允許的溫度上限為125 ℃。

5.4 試驗結(jié)果

標準GB/T 34119—2017規(guī)定,環(huán)境溫度為40 ℃時載流曲線所對應(yīng)的電流值為大電流電連接器的額定電流。由此,根據(jù)圖5可以得出環(huán)境溫度為40 ℃時大電流電連接器所能通過的最大電流,即紫銅基體接插件和黃銅基體接插件殼內(nèi)電阻產(chǎn)生相同溫升所需要的電流值,見表8。

表8 大電流電連接器可通最大電流

標準GB/T 34119—2017規(guī)定,大電流電連接器的額定電流應(yīng)適配電纜線的額定電流,同時要滿足規(guī)定的自身最小額定電流,見表9。

表9 大電流電連接器最小額定電流

對比分析表5中的M值和表8中的IH/IZ,理論計算值M整體略大于試驗值IH/IZ,兩者整體變化趨勢相同。考慮到理論計算中接觸電阻、壓接電阻為標準參考值,試驗過程中環(huán)境、人為等因素都會對結(jié)果造成一定影響,評估后確認誤差在可接受范圍內(nèi)。

由表5、表8、表9數(shù)據(jù)可知,插配端直徑為14.5 mm,電纜線規(guī)格為35 mm2和50 mm2,IH/IZ大于0.9,修正后的電流滿足大電流電連接器最小額定電流要求,說明接插件基體材質(zhì)使用黃銅,大電流電連接器的性能滿足使用要求。插配端直徑為14.5 mm,電纜線規(guī)格為70 mm2,雖然IH/IZ小于0.9,但是修正后的電流同樣滿足大電流電連接器最小額定電流要求,說明接插件基體材質(zhì)使用黃銅,大電流電連接器的性能也可以滿足使用要求。插配端直徑為14.5 mm,電纜線規(guī)格為95 mm2和120 mm2,IH/IZ偏小,并且修正后的電流不滿足大電流電連接器最小額定電流要求,考慮到外部環(huán)境等其它因素的影響,有失效風(fēng)險,因此接插件基體材質(zhì)不可使用黃銅替代。

6 結(jié)束語

筆者對大電流電連接器接插件基體材質(zhì)由黃銅替代紫銅進行可行性研究,以插配端直徑14.5 mm及電纜線規(guī)格35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2為例,進行理論計算和試驗驗證?？尚行匝芯勘砻?基體電阻對殼內(nèi)總電阻的影響較小,但熱量產(chǎn)生與電阻和電流的二次方均呈現(xiàn)正相關(guān),在電流較大的情況下,細微的電阻變化會對大電流電連接器的溫升性能造成較大影響。

對于插配端直徑較大的小規(guī)格型號接插件,所匹配的電纜線規(guī)格及工作電流較小,電纜線的載流能力成為制約大電流電連接器載流能力的主要因素,因此接插件基體材質(zhì)可以選用導(dǎo)電能力略差的材料,即由黃銅替代紫銅,使材料性能利用最大化,避免材料在性能方面存在浪費。

筆者所做的可行性研究為類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型,以及企業(yè)降本增效提供了參考。