基于ANSYS的表帶連接器溫升仿真分析

嚴業偉，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

電連接器是電子設備、電氣系統中實現電流和電信號傳導的基本組件，其性能與功能的優劣對整個系統穩定工作影響較大。這些年來，我國軍事裝備的取得了長足發展。目前，我軍整體開始從機械化向電氣化方向提升，對可通大電流的連接器需求越來越旺盛，而在去年我司研發了表帶式連接器，其優異的低接觸電阻，低溫升，高壽命性能取得了較大了市場認可，然實際使用端環境嚴苛復雜，環境溫度常常不是實驗室溫度，輸入電流也常常有過載使用的情況發生，如果在過載使用時，由于溫升過高常常會發生連接器燒蝕，嚴重時對裝備設施也能造成很大的危害。

隨著計算機技術以及相關軟件的性能提升、各種材料性能參數指標的積累，在產品設計階段使用仿真軟件對產品的各項性能進行仿真分析已經成為常態。而且越來越多的仿真案例與實物試驗案例表明，仿真結果與實際試驗結果相差不大，完全可以事先對產品的性能進行預估，從而指導產品的修改完善。

本文主要針對同一直徑大電流表帶式連接器進行溫升仿真分析，使用ANSYS中的熱-電耦合仿真模塊，重點關注不同外界環境以及不同電流負載下對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經驗基礎

通過筆者去年的《大電流表帶式連接器的應用研究》中的理論計算與試驗結果，表明直徑為12mm的接觸件，載流能力在300A時，接觸電阻在0.04mΩ，長時間通電后溫升在50K范圍以內，故直徑12mm的接觸件的額定電流取300A。

2.2 材料參數

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 產品主要電熱時間條件分組參數

條件1：導電通路的體電阻；

條件2：環境溫度為25℃，通電流300A,持續4小時的溫升；

條件3：環境溫度為75℃，通電流300A,持續4小時的溫升;

條件4：環境溫度為25℃，通電流500A,持續4小時的溫升；

條件5：環境溫度為75℃，通電流500A,持續4小時的溫升；

條件6：環境溫度為25℃，通電流120A,持續4小時的溫升；

條件7：環境溫度為75℃，通電流120A,持續4小時的溫升；

2.4 產品三維仿真模型的簡化

產品主要分為插頭、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，外接導線實際長度都在1m以上，考慮到建模方便，以及對連接器進行專項研究，本次忽略外接的導線部分。

在產品三維模型的設計過程中，由于考慮了功能結構，產品標識，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，這些特征對電-熱仿真精度和準確性影響較大，故在建模時將這些特征進行了保留如圖1所示。

圖1 建模的產品三維圖

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導致大量的熱產生，而電阻的產生主要是由：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。

應用電分析模塊計算導電通路體電阻，邊界邊界條件設定如圖1，給導電通路一端施加0電位，圖中A所示。另一端施加300A電流，圖中B所示。計算導體電阻。

圖2 產品邊界設定

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

雖然有很多相關理論在研究接觸電阻的形成機制，但相關影響因素太多，表面質量、正壓力、接觸面積等都會直接影響接觸電阻的大小，計算獲得的接觸電阻與實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中的取得參數0.04mΩ。

圖3 產品邊界設定

因為本次試驗選取的是新接觸件，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。

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 仿真參數以及條件設定

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

圖4 工程數據賦予

導入仿真模型后邊可以準備對產品施加仿真條件，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的設置。對于連接器的熱仿真參數部分，考慮到連接器的使用環境為自然冷卻，設置連接器外表面與環境的傳熱系數為13W/m2·℃，連接器內表面(無接觸部分)與環境的傳熱系數為5W/m2·℃,在環境溫度方面，由于用戶使用環境的多邊，所以本次特意增加了條件3、5、7中75℃狀態下的仿真。

3 仿真過程與結果

3.1 條件2、3的仿真過程

邊界條件設定如圖5，給所有外表面加對流、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的邊界條件設定

3.2 條件2、3的仿真結果

得出25℃環境溫度下，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℃環境溫度分布

得出75℃環境溫度下，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℃環境溫度分布

3.3 條件4、5的仿真過程

邊界條件設定如圖8，給所有外表面加對流、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的仿真結果

得出25℃環境溫度下，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 邊界條件設定

圖9 25℃環境溫度分布

得出75℃環境溫度下，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℃環境溫度分布

3.5 條件6、7的仿真過程

邊界條件設定如圖11，給所有外表面加對流、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 邊界條件設定

圖12 25℃環境溫度分布

得出75℃環境溫度下，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℃環境溫度分布

小結：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時溫升在10K以內，通流300A時的溫升在50K左右，通流500A時間的溫升在130K左右，而表帶式連接器的絕緣體材料選用PPS，其耐溫在260℃，其一種狀態接觸件原則上可以滿足用戶的長時間過載使用，不會發生燒蝕現象，但從產品使用壽命來講還會建議使用原先選定的額定電流等級。

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 結論

本文通過對單一規格的表帶式產品進行了不同環境溫度，不同載流條件下進行了分析，明確了使用ANSYS軟件仿真對產品溫升操作的方法。通過對仿真結果的分析，本產品的在用戶過載500A電流以下使用時不會發生燒蝕，產品的熱設計滿足要求。