基于ANSYS的表帶連接器溫升仿真分析

嚴(yán)業(yè)偉，卞如民，宋 杰

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

電連接器是電子設(shè)備、電氣系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電流和電信號(hào)傳導(dǎo)的基本組件，其性能與功能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作影響較大。這些年來，我國(guó)軍事裝備的取得了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，我軍整體開始從機(jī)械化向電氣化方向提升，對(duì)可通大電流的連接器需求越來越旺盛，而在去年我司研發(fā)了表帶式連接器，其優(yōu)異的低接觸電阻，低溫升，高壽命性能取得了較大了市場(chǎng)認(rèn)可，然實(shí)際使用端環(huán)境嚴(yán)苛復(fù)雜，環(huán)境溫度常常不是實(shí)驗(yàn)室溫度，輸入電流也常常有過載使用的情況發(fā)生，如果在過載使用時(shí)，由于溫升過高常常會(huì)發(fā)生連接器燒蝕，嚴(yán)重時(shí)對(duì)裝備設(shè)施也能造成很大的危害。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)軟件的性能提升、各種材料性能參數(shù)指標(biāo)的積累，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行仿真分析已經(jīng)成為常態(tài)。而且越來越多的仿真案例與實(shí)物試驗(yàn)案例表明，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差不大，完全可以事先對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行預(yù)估，從而指導(dǎo)產(chǎn)品的修改完善。

本文主要針對(duì)同一直徑大電流表帶式連接器進(jìn)行溫升仿真分析，使用ANSYS中的熱-電耦合仿真模塊，重點(diǎn)關(guān)注不同外界環(huán)境以及不同電流負(fù)載下對(duì)相同直徑表帶接觸件以及連接器溫升的影響。

2 連接器溫升模型建立

2.1 模擬前的理論與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)

通過筆者去年的《大電流表帶式連接器的應(yīng)用研究》中的理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，表明直徑為12mm的接觸件，載流能力在300A時(shí)，接觸電阻在0.04mΩ，長(zhǎng)時(shí)間通電后溫升在50K范圍以內(nèi)，故直徑12mm的接觸件的額定電流取300A。

2.2 材料參數(shù)

插針、插孔材料為紫銅，絕緣體材料為PPS，殼體以及尾部材料為不銹鋼，接觸部位的電阻為0.06 mΩ。

2.3 產(chǎn)品主要電熱時(shí)間條件分組參數(shù)

條件1：導(dǎo)電通路的體電阻；

條件2：環(huán)境溫度為25℃，通電流300A,持續(xù)4小時(shí)的溫升；

條件3：環(huán)境溫度為75℃，通電流300A,持續(xù)4小時(shí)的溫升;

條件4：環(huán)境溫度為25℃，通電流500A,持續(xù)4小時(shí)的溫升；

條件5：環(huán)境溫度為75℃，通電流500A,持續(xù)4小時(shí)的溫升；

條件6：環(huán)境溫度為25℃，通電流120A,持續(xù)4小時(shí)的溫升；

條件7：環(huán)境溫度為75℃，通電流120A,持續(xù)4小時(shí)的溫升；

2.4 產(chǎn)品三維仿真模型的簡(jiǎn)化

產(chǎn)品主要分為插頭、插座、插頭尾部、插座尾部四部分，插頭插座的端接都為壓接筒，與線纜通過壓接方式連接，外接導(dǎo)線實(shí)際長(zhǎng)度都在1m以上，考慮到建模方便，以及對(duì)連接器進(jìn)行專項(xiàng)研究，本次忽略外接的導(dǎo)線部分。

在產(chǎn)品三維模型的設(shè)計(jì)過程中，由于考慮了功能結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，操作舒適性等因素，三維模型中包含大量的小尺寸倒角、圓角、凹槽等特征，這些特征對(duì)電-熱仿真精度和準(zhǔn)確性影響較大，故在建模時(shí)將這些特征進(jìn)行了保留如圖1所示。

圖1 建模的產(chǎn)品三維圖

2.5 連接器電阻的模擬方法

在電連接器，尤其是大電流連接器中，微小的電阻變化也會(huì)導(dǎo)致大量的熱產(chǎn)生，而電阻的產(chǎn)生主要是由：接觸件本身的體電阻，接觸件的插合位置的接觸電阻，以及接觸件表面的膜電阻組成。

應(yīng)用電分析模塊計(jì)算導(dǎo)電通路體電阻，邊界邊界條件設(shè)定如圖1，給導(dǎo)電通路一端施加0電位，圖中A所示。另一端施加300A電流，圖中B所示。計(jì)算導(dǎo)體電阻。

圖2 產(chǎn)品邊界設(shè)定

從仿真結(jié)果可以得出接觸件導(dǎo)體電壓約為0.0052265V，如圖3所示。因此接觸件的體電阻約0.0052265V/300A=0.02毫歐。

雖然有很多相關(guān)理論在研究接觸電阻的形成機(jī)制，但相關(guān)影響因素太多，表面質(zhì)量、正壓力、接觸面積等都會(huì)直接影響接觸電阻的大小，計(jì)算獲得的接觸電阻與實(shí)際接觸電阻還是有一定差距的。因此，本文中的接觸電阻直接選自筆者多次試驗(yàn)中的取得參數(shù)0.04mΩ。

圖3 產(chǎn)品邊界設(shè)定

因?yàn)楸敬卧囼?yàn)選取的是新接觸件，新連接器，所以表面氧化層還沒有形成。因此，本次模型中膜電阻忽略不計(jì)。

綜合以上因素，可以得出本次直徑為12mm的新表帶接觸件電阻=體電阻+接觸電阻=0.02+0.04=0.06 mΩ。

2.6 仿真參數(shù)以及條件設(shè)定

本次仿真選用ANSYS中的Thermal-Electric熱電偶模塊，由于仿真是穩(wěn)態(tài)仿真，零部件材料需要設(shè)置的參數(shù)有熱導(dǎo)率和電阻兩項(xiàng)材料參數(shù)，本次我們先用的接觸件材料是紫銅，其熱導(dǎo)率為400W m^-1C^-1，而電阻在上文中也已經(jīng)得出即0.06 mΩ。

圖4 工程數(shù)據(jù)賦予

導(dǎo)入仿真模型后邊可以準(zhǔn)備對(duì)產(chǎn)品施加仿真條件，由于施加的是直流電，在連接器一端施加需要的電流如條件二的300A,條件4的500A,條件6的120A電流，另一端施加0V電壓即可完成電參數(shù)的設(shè)置。對(duì)于連接器的熱仿真參數(shù)部分，考慮到連接器的使用環(huán)境為自然冷卻，設(shè)置連接器外表面與環(huán)境的傳熱系數(shù)為13W/m2·℃，連接器內(nèi)表面(無接觸部分)與環(huán)境的傳熱系數(shù)為5W/m2·℃,在環(huán)境溫度方面，由于用戶使用環(huán)境的多邊，所以本次特意增加了條件3、5、7中75℃狀態(tài)下的仿真。

3 仿真過程與結(jié)果

3.1 條件2、3的仿真過程

邊界條件設(shè)定如圖5，給所有外表面加對(duì)流、輻射邊界，圖中A、B所示。給接觸部位按其接觸功率大小施加功率載荷，圖中C所示。給導(dǎo)電通路按其功率和體積大小施加功率密度載荷，圖中D所示。

圖5 條件2、3的邊界條件設(shè)定

3.2 條件2、3的仿真結(jié)果

得出25℃環(huán)境溫度下，整體溫升分布如圖6所示，最高溫度約為77.2℃，溫升約為52.2℃。

圖6 25℃環(huán)境溫度分布

得出75℃環(huán)境溫度下，整體溫升分布如圖7所示，最高溫度約為119.6℃，溫升約為44.6℃。

圖7 75℃環(huán)境溫度分布

3.3 條件4、5的仿真過程

邊界條件設(shè)定如圖8，給所有外表面加對(duì)流、輻射邊界，圖中A、B所示。給接觸部位按其接觸功率大小施加功率載荷，圖中C所示。給導(dǎo)電通路按其功率和體積大小施加功率密度載荷，圖中D所示。

3.4 條件4、5的仿真結(jié)果

得出25℃環(huán)境溫度下，整體溫升分布如圖9所示，最高溫度約為156.9℃，溫升約為131.9℃。

圖8 邊界條件設(shè)定

圖9 25℃環(huán)境溫度分布

得出75℃環(huán)境溫度下，整體溫升分布如圖10所示，最高溫度約為190.1℃，溫升約為115.1℃。

圖10 75℃環(huán)境溫度分布

3.5 條件6、7的仿真過程

邊界條件設(shè)定如圖11，給所有外表面加對(duì)流、輻射邊界，圖中A、B所示。給接觸部位按其接觸功率大小施加功率載荷，圖中C所示。給導(dǎo)電通路按其功率和體積大小施加功率密度載荷，圖中D所示。

圖11 邊界條件設(shè)定

圖12 25℃環(huán)境溫度分布

得出75℃環(huán)境溫度下，整體溫升分布如圖13所示，最高溫度約為82.4℃，溫升約為7.4℃。

圖13 75℃環(huán)境溫度分布

小結(jié)：綜合以上仿真信息分析，得出各工況溫度分布如下表所示。

直徑12mm的接觸件在通流120A時(shí)溫升在10K以內(nèi)，通流300A時(shí)的溫升在50K左右，通流500A時(shí)間的溫升在130K左右，而表帶式連接器的絕緣體材料選用PPS，其耐溫在260℃，其一種狀態(tài)接觸件原則上可以滿足用戶的長(zhǎng)時(shí)間過載使用，不會(huì)發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，但從產(chǎn)品使用壽命來講還會(huì)建議使用原先選定的額定電流等級(jí)。

工況最高溫度℃溫升℃25度120A33.88.875度120A82.47.425度300A77.252.275度300A119.644.625度500A156.9131.975度500A190.1115.1

4 結(jié)論

本文通過對(duì)單一規(guī)格的表帶式產(chǎn)品進(jìn)行了不同環(huán)境溫度，不同載流條件下進(jìn)行了分析，明確了使用ANSYS軟件仿真對(duì)產(chǎn)品溫升操作的方法。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，本產(chǎn)品的在用戶過載500A電流以下使用時(shí)不會(huì)發(fā)生燒蝕，產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)滿足要求。