大電流連接器熱電耦合溫升仿真分析

王 璐，馬 飛，艾 蘅，韓繼先，趙越超，郝健男

(1.沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧 沈陽，110144；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第三軍代表室，遼寧 沈陽，110144)

1 引 言

電連接器為電氣終端之間提供連接與分離功能，可以實現(xiàn)電信號的傳遞、控制以及電連接，廣泛應用于軍事裝備和航空航天設備中[1]。隨著電連接器逐步向小型化、高頻化、高功能密度、大電流的方向發(fā)展，特別是近年來的擴容需求，載流量的不斷提升，對連接器的設計提出了更高的要求[2]。溫升是影響電連接器性能的重要因素，較高的溫升不僅會使插孔的彈性下降，引起接觸對的接觸不良，同時還會使得絕緣材料老化，導致絕緣性能下降，甚至可能產(chǎn)生擊穿或短路的現(xiàn)象。從而降低了電連接器的壽命，而且還會影響其可靠性。因此，對連接器進行熱分析是十分必要的。

在電連接器的熱分析方面，杜永英[3]等通過有限元軟件對電連接器溫度場進行了仿真分析，研究了不同溫度下電連接器的溫度場分布。梁云忠[4]等基于有限元法對電連接器進行熱仿真分析，根據(jù)仿真結果對電連接器的結構設計進行改進，并對改進前后的連接器進行了溫升試驗驗證。宋萬里[5]等研究了溫度與振動對不同結構尺寸電連接器壽命的影響。

針對大電流連接器在使用過程中容易出現(xiàn)溫升過高的現(xiàn)象，基于有限元法對大電流電連接器進行熱電耦合溫升仿真分析。主要研究連接器內部的溫度場分布和溫升情況，并分析不同電流大小對其溫升的影響，根據(jù)電連接器的溫升試驗結果，來驗證有限元熱仿真分析的正確性。

2 有限元仿真

2.1 電連接器模型建立

該電連接器由近幾十個零件組成，零件多且連接關系較復雜，因此在對該電連接器進行有限元分析時，在滿足計算精度要求范圍內，為提高計算速度，對結構中的某些零件進行適當?shù)暮喕幚?。將體積很小的彈簧以及密封圈等對分析結構影響不大的零件去除，同時去掉零件之間多余的干涉，忽略倒角以及直徑較小的開口和凸臺等細部特征。但連接器兩端導線的散熱和空氣域的建立對仿真溫升結果影響較大，因此在模型建立時不能忽略簡化。仿真時建立兩端1m長導線和空氣域BOX(長寬40cm，高50cm)，并對空氣域BOX上下分別開三個口，上面三個開口為壓力出口，下面三個開口為速度入口。設置導線左端為電流正極，右端為電流負極。經(jīng)簡化后的模型中主要包括接觸體、絕緣體、外殼體、導線以及空氣域。幾何簡化后的模型如圖1所示。

圖1 電連接器的三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸定義時，采用多面體和切割體進行網(wǎng)格劃分，其中接觸體和導線直接采用共形的多面體網(wǎng)格，主要用于電流的傳遞，并對冠簧進行加密網(wǎng)格劃分。對空氣域和絕緣體采用切割體網(wǎng)格劃分，切割體主要適用于電子散熱、外部流動，在壁面附件添加棱柱單元層，能獲得邊界層內粘性和熱梯度。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分截面圖

2.3 仿真結果分析

電連接器工作時，通入的電流大小會對溫升產(chǎn)生影響，因此仿真分析了不同電流(300A、500A、800A、1000A)下的溫升。設置通電時間均為2h，得到電連接器內部溫度場分布和電流密度分布。

圖3 整體溫度分布云圖(1000A)

圖4 局部溫度分布云圖(1000A)

(a)300A

由圖3～圖6可知，對于通不同電流的電連接器，其溫度分布情況一致，整體的溫度變化規(guī)律均是由接觸體向外溫度逐漸降低，最高溫度出現(xiàn)在冠簧或是接觸體插合位置上。殼體溫度幾乎不變，主要是因為殼體與絕緣體接觸，而絕緣體的材料比熱容較大，導熱性能差，而且殼體在電連接器工作時與外界進行熱對流，所以其溫度變化較小。導線的溫度分布從與接觸體連接處向外呈逐漸遞減趨勢。電連接器的電流密度由接觸體內部向外逐漸遞減，冠簧和插針接觸位置處的電流密度最大，殼體的電流密度最小。隨著電流的增大，電連接器內部溫升逐漸升高。

圖6 電流密度分布云圖(1000A)

3 溫升試驗

為了檢驗有限元分析結果的準確性，采用物理試驗的方法來測試電連接器實際的溫升值。通過對電連接器焊接導線兩端接WRNT-01熱電偶線來檢測電連接器的實時溫升。通電過程中，電連接器用玻璃罩罩住。電連接器在常溫條件下，通以不同電流(300A、500A、800A、1000A)，每隔1min記錄一次溫度，直至連接器溫度穩(wěn)定后停止試驗。電連接器溫升試驗如圖7所示。

圖7 電連接器溫升試驗

4 仿真與試驗對比分析

因試驗時所測溫升為插針、插孔與導線焊接位置，為驗證仿真結果的正確性，仿真所提取的溫升數(shù)據(jù)應與試驗所測位置相對應，電連接器通不同電流條件下，其溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8 試驗與仿真結果對比

由圖8可知，仿真與試驗所得溫升趨勢一致，開始溫升較快，之后溫度緩慢上升，最后趨于平穩(wěn)。由表1可知，當電連接器分別通電流300A、500A、800A、1000A時，試驗溫升分別為16.327℃、42.780℃、134.618℃、178.500℃，對應的仿真溫升分別為15.968℃、43.709℃、130.861℃、173.841℃。試驗與仿真的溫升誤差的平均值為2.44%，最大值為2.79%，最小值為2.20%，均未超過3%。誤差是計算仿真結果減去試驗結果的絕對值與試驗結果的比值，誤差產(chǎn)生原因可能是仿真環(huán)境中傳熱系數(shù)、接觸熱阻為經(jīng)驗值，與實際傳熱系數(shù)和接觸熱阻存在差異。

表1 仿真溫升與試驗溫升對比

根據(jù)不同電流下的試驗溫升結果，對溫升數(shù)據(jù)進行擬合，得到溫升隨電流變化的擬合曲線如圖9所示，由圖可知，隨著電流的增大，電連接器內部溫升逐漸升高，基本呈指數(shù)增長關系。

圖9 溫升擬合曲線

5 結論

通過對大電流連接器進行熱電耦合溫升仿真和溫升試驗得出以下結論：

1)電連接器的溫升隨電流的增加而增大，并且與電流大小呈指數(shù)關系。

2)對于通不同電流的電連接器，其溫度分布情況一致，其最高溫度均出現(xiàn)在冠簧或是接觸體插合位置上。

3)仿真結果與試驗所得溫升趨勢一致，且誤差可控制在3%以內。其研究結果可為電連接器的熱設計提供參考依據(jù)。