电连接器多物理场耦合接触电阻研究.pdf

21 电工电气 (2023 No.7)作者简介：丁睿(1998)，男，硕士研究生，研究方向为机电一体化；倪俊芳(1968)，男，教授，博士，研究方向为数控机床与装备制造工艺。丁睿1，倪俊芳1，黄世彬2(1 苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021；2 苏州瑞可达连接系统股份有限公司，江苏 苏州 215021)摘 要：电连接器的接触电阻是衡量电连接器接触性能的重要指标，为研究电连接器在温度场、电流场与振动场同时作用下接触电阻变化规律，基于多物理场耦合下接触电阻理论，采用 ANSYS 与 COMSOL软件进行仿真，以 REB 型电连接器为实验对象，通过正交实验对仿真结果进行分析，验证了接触电阻理论的正确性并得到了各物理场对接触电阻的影响规律。关键词：电连接器；多物理场耦合；正交实验；接触电阻中图分类号：TM503+.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)07-0021-06 Abstract:The contact resistance of electrical connectors is an important indicator to measure its contact performance.In order to make research on the contact resistance variation of electrical connectors under the simultaneous actions of temperature field,current field and vibrating field,the paper,based on the contact resistance theory under the multi-field coupling,adopts ANSYS and COMSOL for simulation analysis.Then,taking the REB electrical connector as the experimental object,the paper makes analysis of simulation results through the orthogonal experiment.It not only verifies the correctness of the contact resistance theory,but also achieves the law of physical fields effects on the contact resistance.Key words:electrical connector;multi-field coupling;orthogonal experiment;contact resistanceDING Rui1,NI Jun-fang1,HUANG Shi-bin2（1 School of Mechanical and Electrical Engineering,Soochow University,Suzhou 215021,China;2 Suzhou Recodeal Interconnect System Co.,Ltd,Suzhou 215021,China）Research of Contact Resistance of Electrical ConnectorsUnder the Multi-Field Coupling电连接器多物理场耦合接触电阻研究0 引言电连接器是用于实现系统之间电力传输的重要元器件，接触电阻是衡量电连接器接触性能的重要指标1。现有研究中电力传输型电连接器较少，研究其在实际工作情况接触性能也有所不足。电连接器在工作中会同时受到振动场、温度场与电流场的综合作用，为了能够高效准确地评估电连接器在工作中接触寿命可靠性水平，国内黄波针对USB 型电连接器通过电-热耦合特性与热-力耦合特性参数分析，验证了电连接器电-热-力多物理场耦合模型的适用性2。夏宏运评估了电连接器在依次受振动、温度和插拔应力下的贮存可靠性水平并通过实验分析出三种应力对电连接器接触性能的影响权重3。国外FLOWERS 通过理论分析了电连接器在不同振动频率、幅度与不同的连接电缆长度下接触系统的传递函数，并得出振动引发的微动效应与激励频率、电缆长度、接触压力等因素的关系4-7。Lee 建立了接触电阻在电-热耦合下不同氧化物组分情况下的变化模型8。本文将对 REB 型电连接器进行基于多物理场耦合接触电阻理论下的 ANSYS 与 COMSOL 仿真与正交试验研究，并将多物理场下电连接器仿真结果与试验结果相互比对，以此验证接触电阻变化规律。1 多物理场耦合接触电阻理论对于传输电力用电连接器温度和电流是不可分电连接器多物理场耦合接触电阻研究22电工电气 (2023 No.7)离互相影响的两种物理场9。环境温度的升高会影响金属的电导率，同时连接器在电流的作用下会产生电热现象，电流在镀层破损处加速金属失去电子加快氧化物的形成，两物理场的组合会加速其接触性能的退化。当同时加入振动场时，接触部分表面会发生的微动磨损使得接触斑点发生磨损，里层金属裸露，而温度与电流会加速氧化物的生成，因此在三种物理场的作用下接触电阻的升高会更为明显。电连接器的接触性能退化模型为10：R(t)=R0+t (1)式中：R(t)为接触电阻；R0为体电阻与收缩电阻的和，其值基本没有变化，可视为定值；表示接触性能退化率，其值与氧化物生成反应速率有关；为待定常数，其值与应力类型有关，而与应力水平大小无关。振动场下退化率方程为11-12：式中：S为振动场下接触性性能退化率；KS为振动场下生成氧化腐蚀物反应速率；Zf为接触对表面相对运动的相关传递函数；E为接触材料的弹性模量；FS为接触件间振动场下摩擦力；Gf-Gf,T为振动场下发生磨损时接触件最大相对加速度；s为振动场加速度与重力加速度的比值；f为振动频率；为常数；AS、S为待定常数。温度场下退化率方程为13-14：式中：T为温度场下接触性能退化率；KT为温度场下生成氧化腐蚀物反应速率；是系数；X为摄氏温度，0+1X(t)表示激活能随温度变化规律，其中0、1表示常数；k为玻耳兹曼常数；表示温度变化斜率；为常数；AT、T为待定常数。电流场下退化率方程为15：式中：1为电流场下接触性能退化率；E表示激活能；F表示法拉第常数；N表示接触金属体的原子量；n表示金属管体发生化学反应后的化合价；X表示电流温升稳定下连接器内部摄氏温度；I表示阳极泄漏的电流；、表示修正系数；AI、I为待定常数。图1 电连接器模型(2)Zff2S=ASKSS=ASEFS(Gf-Gf,T)sS(3)-0-1X(t)kX(t)1tT=ATKTT=AT exp(-)dtTt0(4)Ek(273.15+X)NInFI=AIKII=AI()exp-I电连接器多物理场耦合接触电阻研究(5)KT1=fTIKTKIKS T=fS TKTJS TKS I=fS IKIJS IKTI S=fTI SKTIJTI S根据电连接器在多物理场作用下失效机理可知，三者是相互影响、相辅相承的，温度场与电流场对接触性能退化主要是加速了裸露的金属在空气中发生氧化反应的速度，振动场则加速了镀层磨损使接触斑点处的基体金属裸露。因此在温度场与电流场共同作用下电连接器接触斑点发生氧化腐蚀的化学反应速率KTI。在振动场的基础上，电连接器与温度场共同作用下氧化腐蚀反应速率为KS T，与电流场共同作用下氧化腐蚀反应速率为KS I，在温度场和电流场共同作用下氧化腐蚀速率为KTI S。式中：fTI表示温度和电流共同作用下氧化腐蚀反应速率的促进因子；fTI S、fS I、fS T表示振动场作用下刚裸露出来的未被氧化的基体铜在温度场与电流场作用下氧化腐蚀的反应速率促进因子；fTI1，fTI S 1，fS I 1，fS T 1；J表示振动场下微动磨损损坏率。在振动场的基础上施加电流场与温度场应考虑到在非接触斑点区域，微动磨损效果微小，但若镀层存在微小缝隙，温度场与电流场依然会加速基体金属的氧化作用，因此在振动场基础上需加上温度场与电流场综合作用下接触性能退化率，但根据集合交叉原理，需减去与振动场下温度与振动场下温度的退化率。最终得到电连接器在多物理场接触性能退化模型为：RTI S=R0+StS-S TtS T-S ItS I+TItTI+TI StTI S (6)2 多物理场耦合仿真分析建立 REB 电连接器接触件三维模型，如图 1 所示，接触件插针与插孔间主要依靠簧片的压力接触来达到传导电流的目的，定义插针与插孔的材料为锡青铜 QSN4-3，表面镀层为 2 7m 金属锡。根据表 1 所示的正交实验因素水平表分别设置23 电工电气 (2023 No.7)电流场、温度场与振动场边界条件，得到图 2 所示的电连接器接触区域温度变化图。由于焦耳热会在接触区域内产生，因此接触区域的温度会随着电流场强度的升高而不断上升并高出环境温度，但曲线斜率会在达到环境温度后不断变小并趋于平滑，并且保持在一个稳定值。在同一温度场水平下，电流场强度越高其稳定值越高，在相同电流强度下环境温度越高，电流温升效果会不断减弱。从图 3 所示的 100、100 A、1g接触件温度变化仿真图可以看到，温度在接触区域中心处达到最高，向两边不断减小，可以看出中心是产生焦耳热与摩擦热的主要区域，同时也是氧化反应发生导致接触电阻升高的主要区域。对接触区域进行损伤分析并得到图 4 所示的振动加速度、温度、电流变化情况下损伤程度对比图，和如图 5 所示的接触压力分布图，以及如图 6 所示的接触区域损伤云图。ANSYS 软件中损伤仿真值仅表示程度大小，不能代表具体接触电阻数值。从图 4 可以看到当振动场与温度场不变，电流场发生变化时同一柱状体之间高度基本不变，损伤率较为相近，而当温度场与电流场不变时，随着振动加速度的增大，损伤出现明显增大，且随着温度升高，柱状图明显走高。可见电流对损伤的影响相较于温度与振动更加薄弱。从图 5、图 6 可以看出在簧片接触中心区域接触压力最大33.41 MPa，同时该区域也是电流温升与损伤出现最大值的区域，故而可以确定发生氧化反应导致接触电阻升高的主要区域为插针与簧片接触区域。在 COMSOL 中对接触电阻进行仿真，为了观察振动场、温度场与电流场变化对接触电阻变化规律的影响，选出一组数据分别对比，得到如图 7、图 8、图 9 所示的接触电阻随各物理场变化接触电阻变化图。可以看到当温度场提高时接触电阻变化整体过程有微小提高，但整体水平依旧相似。当振动场水平升高时，接触电阻整体水平明显升高，可见振动场影响接触电阻的整体水平，振动场等级越大其接触电阻上升的整体水平越高。当电流场增大时，接表1 因素水平表水平加速度/(m/s2)温度/电流/A11g10010021.5g15015032g200200图2 多物理场接触件温度变化200 200 A150 200 A100 200 A100 150 A100 100 A150 150 A150 100 A200 150 A200 100 A时间/s0温度/12522020018016014012010025502040608075100图3 接触区域温度仿真变化图单位：102.98 Max102.90102.81102.73102.65102.56102.48102.40102.31102.23 Min0.0030.00(mm)15.00YZX图5 接触区域接触压力分布图单位：MPa33.41 Max-7.145 8-47.701-88.257-128.81-169.37-209.92-250.43-291.04-331.59 Min0.0030.00(mm)15.00YZX图6 接触区域损伤云图单位：MPa9.684 1105 Max4.5111052.101 31059 788.24 559.52 123.99893.64 608.62 146.81 000 Min0.0030.00(mm)15.00YZX图4 微动磨损损伤率三维柱状图0.0140.0120.0100.0080.8g1.0g1.2g1.4g1.6g1.8g2.2g1001201401601802002.0g0.0060.0040.0020加速度/(m/s2)温度/微动磨损损伤率220电连接器多物理场耦合接触电阻研究24电工电气 (2023 No.7)触电阻则出现明显波动。3 正交实验分析在航天希尔 IPA120H 三综合振动台上进行正交实验，以如图 10 所示的 2g、150、150 A 条件下接触电阻变化情况为例，图中仿真值在不断上下变化，这是由于振动场呈正弦变化，且频率会由小到大不断变化。从整体趋势来看，接触电阻会在开始的短时间内快速上升，这是因为在短时间内温度升高使整体电阻变大，同时电连接器接插件间的微动磨损便导致接触斑点处镀层破损并且裸露的金属，在电流与温度的共同作用下产生氧化反应。积累在接触斑点表面的氧化物在振动下不断脱落，导致接触电阻的变化变缓，但随后便会发生新一轮的氧化反应16。因此接触电阻在不断升高后会出现拐点，并且升高到更高的水平。根据正交实验，取中间值并绘制如图 11 至图 15 所示的对比图。图7 不同温度场接触电阻变化图时间/min0接触电阻/m602.510200.51.01.52.03040501g 100 100 A1g 150 100 A1g 200 100 A图8 不同振动场接触电阻变化图时间/min0接触电阻/m605102012343040502g 100 100 A1.5g 100 100 A1g 100 100 A图9 不同电流场接触电阻变化图时间/min0接触电阻/m602.510200.51.01.52.03040501g 100 200 A1g 100 150 A1g 100 100 A图10 2g、150、150 A实验接触电阻变化图时间/min0接触电阻/m6041020123304050图11 1g、100、150 A与1g、150、150 A对比1g 150 150 A1g 100 150 A时间/min0接触电阻/m601.410200.20.41.00.80.61.2304050图12 1.5g、100、200 A与1.5g、150、200 A对比1.5g 150 200 A1.5g 100 200 A时间/min0接触电阻/m603.510200.51.02.52.01.53.0304050电连接器多物理场耦合接触电阻研究25 电工电气 (2023 No.7)比较图 11、图 13、图 14 可以看到，在第 1 个峰值处接触电阻的大小整体水平由振动场加速度决定，而同振动场，在第 1 个峰值处接触电阻大小主要由温度场决定。温度场相同时，其通过的电流越大，达到第 1 个峰值的上升速率越快。当接触电阻达到第 1 个峰值前后，接触电阻的变化明显变缓并且发生了明显地下降或维持在某一水平一段时间。比较图 11、图 12、图 14 可以看到，接触电阻在经过第 1 个峰值后下降速率明显随着温度的增加而变缓。比较图 13、图 15 可以看到，接触电阻在电流场升高时，其下降的幅度明显变小。当接触电阻达到第 1 个谷值时，比较图 12、图 14 可以看到，接触电阻在谷值的停留时间随着温度的升高而拉长，当温度场水平越低，其达到谷值后越快开始升高。当接触电阻开始第 2 轮升高后其接触电阻的变化规律与第 1 次达到峰值与谷值基本相同，比较图 12、图 13 可以看到，当电流场在 200 A 水平时第 2 次峰值与谷值的出现明显加快，均在 40 min 之前接触电阻开始第 3 次升高，可见当电流场增大后，接触电阻的上下波动明显提前。4 结语基于理论分析、仿真与实验对比，最终得到结论如下：(1)验证了接触电阻退化模型的正确性；(2)在多物理场的综合作用下，振动场影响接触电阻的整体水平，加速度越大接触电阻的整体水平越高，温度场影响接触电阻在波峰与波谷的停留时间，而电流场则主要影响接触电阻上升与下降的速率并使波峰与波谷的出现时间提前；(3)对接触电阻影响主次顺序为振动场、温度场、电流场；(4)验证了接触电阻变化规律理论、仿真、实验的一致性。参考文献1 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