基于ANSYS的表带连接器温升仿真分析

2022-05-06严业伟卞如民

机电元件 2022年2期

严业伟，卞如民，宋杰

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

电连接器是电子设备、电气系统中实现电流和电信号传导的基本组件，其性能与功能的优劣对整个系统稳定工作影响较大。这些年来，我国军事装备的取得了长足发展。目前，我军整体开始从机械化向电气化方向提升，对可通大电流的连接器需求越来越旺盛，而在去年我司研发了表带式连接器，其优异的低接触电阻，低温升，高寿命性能取得了较大了市场认可，然实际使用端环境严苛复杂，环境温度常常不是实验室温度，输入电流也常常有过载使用的情况发生，如果在过载使用时，由于温升过高常常会发生连接器烧蚀，严重时对装备设施也能造成很大的危害。

随着计算机技术以及相关软件的性能提升、各种材料性能参数指标的积累，在产品设计阶段使用仿真软件对产品的各项性能进行仿真分析已经成为常态。而且越来越多的仿真案例与实物试验案例表明，仿真结果与实际试验结果相差不大，完全可以事先对产品的性能进行预估，从而指导产品的修改完善。

本文主要针对同一直径大电流表带式连接器进行温升仿真分析，使用ANSYS中的热-电耦合仿真模块，重点关注不同外界环境以及不同电流负载下对相同直径表带接触件以及连接器温升的影响。

2 连接器温升模型建立

2.1 模拟前的理论与试验经验基础

通过笔者去年的《大电流表带式连接器的应用研究》中的理论计算与试验结果，表明直径为12mm的接触件，载流能力在300A时，接触电阻在0.04mΩ，长时间通电后温升在50K范围以内，故直径12mm的接触件的额定电流取300A。

2.2 材料参数

插针、插孔材料为紫铜，绝缘体材料为PPS，壳体以及尾部材料为不锈钢，接触部位的电阻为0.06 mΩ。

2.3 产品主要电热时间条件分组参数

条件1：导电通路的体电阻；

条件2：环境温度为25℃，通电流300A,持续4小时的温升；

条件3：环境温度为75℃，通电流300A,持续4小时的温升;

条件4：环境温度为25℃，通电流500A,持续4小时的温升；

条件5：环境温度为75℃，通电流500A,持续4小时的温升；

条件6：环境温度为25℃，通电流120A,持续4小时的温升；

条件7：环境温度为75℃，通电流120A,持续4小时的温升；

2.4 产品三维仿真模型的简化

产品主要分为插头、插座、插头尾部、插座尾部四部分，插头插座的端接都为压接筒，与线缆通过压接方式连接，外接导线实际长度都在1m以上，考虑到建模方便，以及对连接器进行专项研究，本次忽略外接的导线部分。

在产品三维模型的设计过程中，由于考虑了功能结构，产品标识，操作舒适性等因素，三维模型中包含大量的小尺寸倒角、圆角、凹槽等特征，这些特征对电-热仿真精度和准确性影响较大，故在建模时将这些特征进行了保留如图1所示。

图1 建模的产品三维图

2.5 连接器电阻的模拟方法

在电连接器，尤其是大电流连接器中，微小的电阻变化也会导致大量的热产生，而电阻的产生主要是由：接触件本身的体电阻，接触件的插合位置的接触电阻，以及接触件表面的膜电阻组成。

应用电分析模块计算导电通路体电阻，边界边界条件设定如图1，给导电通路一端施加0电位，图中A所示。另一端施加300A电流，图中B所示。计算导体电阻。

图2 产品边界设定

从仿真结果可以得出接触件导体电压约为0.0052265V，如图3所示。因此接触件的体电阻约0.0052265V/300A=0.02毫欧。

虽然有很多相关理论在研究接触电阻的形成机制，但相关影响因素太多，表面质量、正压力、接触面积等都会直接影响接触电阻的大小，计算获得的接触电阻与实际接触电阻还是有一定差距的。因此，本文中的接触电阻直接选自笔者多次试验中的取得参数0.04mΩ。

图3 产品边界设定

因为本次试验选取的是新接触件，新连接器，所以表面氧化层还没有形成。因此，本次模型中膜电阻忽略不计。

综合以上因素，可以得出本次直径为12mm的新表带接触件电阻=体电阻+接触电阻=0.02+0.04=0.06 mΩ。

2.6 仿真参数以及条件设定

本次仿真选用ANSYS中的Thermal-Electric热电偶模块，由于仿真是稳态仿真，零部件材料需要设置的参数有热导率和电阻两项材料参数，本次我们先用的接触件材料是紫铜，其热导率为400W m^-1C^-1，而电阻在上文中也已经得出即0.06 mΩ。

图4 工程数据赋予

导入仿真模型后边可以准备对产品施加仿真条件，由于施加的是直流电，在连接器一端施加需要的电流如条件二的300A,条件4的500A,条件6的120A电流，另一端施加0V电压即可完成电参数的设置。对于连接器的热仿真参数部分，考虑到连接器的使用环境为自然冷却，设置连接器外表面与环境的传热系数为13W/m2·℃，连接器内表面(无接触部分)与环境的传热系数为5W/m2·℃,在环境温度方面，由于用户使用环境的多边，所以本次特意增加了条件3、5、7中75℃状态下的仿真。

3 仿真过程与结果

3.1 条件2、3的仿真过程

边界条件设定如图5，给所有外表面加对流、辐射边界，图中A、B所示。给接触部位按其接触功率大小施加功率载荷，图中C所示。给导电通路按其功率和体积大小施加功率密度载荷，图中D所示。

图5 条件2、3的边界条件设定

3.2 条件2、3的仿真结果

得出25℃环境温度下，整体温升分布如图6所示，最高温度约为77.2℃，温升约为52.2℃。

图6 25℃环境温度分布

得出75℃环境温度下，整体温升分布如图7所示，最高温度约为119.6℃，温升约为44.6℃。

图7 75℃环境温度分布

3.3 条件4、5的仿真过程

边界条件设定如图8，给所有外表面加对流、辐射边界，图中A、B所示。给接触部位按其接触功率大小施加功率载荷，图中C所示。给导电通路按其功率和体积大小施加功率密度载荷，图中D所示。

3.4 条件4、5的仿真结果

得出25℃环境温度下，整体温升分布如图9所示，最高温度约为156.9℃，温升约为131.9℃。

图8 边界条件设定

图9 25℃环境温度分布

得出75℃环境温度下，整体温升分布如图10所示，最高温度约为190.1℃，温升约为115.1℃。

图10 75℃环境温度分布

3.5 条件6、7的仿真过程

边界条件设定如图11，给所有外表面加对流、辐射边界，图中A、B所示。给接触部位按其接触功率大小施加功率载荷，图中C所示。给导电通路按其功率和体积大小施加功率密度载荷，图中D所示。

图11 边界条件设定

图12 25℃环境温度分布

得出75℃环境温度下，整体温升分布如图13所示，最高温度约为82.4℃，温升约为7.4℃。

图13 75℃环境温度分布

小结：综合以上仿真信息分析，得出各工况温度分布如下表所示。

直径12mm的接触件在通流120A时温升在10K以内，通流300A时的温升在50K左右，通流500A时间的温升在130K左右，而表带式连接器的绝缘体材料选用PPS，其耐温在260℃，其一种状态接触件原则上可以满足用户的长时间过载使用，不会发生烧蚀现象，但从产品使用寿命来讲还会建议使用原先选定的额定电流等级。