王 璐，马 飞，艾 蘅，韩继先，赵越超，郝健男

(1.沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁 沈阳，110144；2.空军装备部驻沈阳地区第三军代表室，辽宁 沈阳，110144)

1 引 言

电连接器为电气终端之间提供连接与分离功能，可以实现电信号的传递、控制以及电连接，广泛应用于军事装备和航空航天设备中[1]。随着电连接器逐步向小型化、高频化、高功能密度、大电流的方向发展，特别是近年来的扩容需求，载流量的不断提升，对连接器的设计提出了更高的要求[2]。温升是影响电连接器性能的重要因素，较高的温升不仅会使插孔的弹性下降，引起接触对的接触不良，同时还会使得绝缘材料老化，导致绝缘性能下降，甚至可能产生击穿或短路的现象。从而降低了电连接器的寿命，而且还会影响其可靠性。因此，对连接器进行热分析是十分必要的。

在电连接器的热分析方面，杜永英[3]等通过有限元软件对电连接器温度场进行了仿真分析，研究了不同温度下电连接器的温度场分布。梁云忠[4]等基于有限元法对电连接器进行热仿真分析，根据仿真结果对电连接器的结构设计进行改进，并对改进前后的连接器进行了温升试验验证。宋万里[5]等研究了温度与振动对不同结构尺寸电连接器寿命的影响。

针对大电流连接器在使用过程中容易出现温升过高的现象，基于有限元法对大电流电连接器进行热电耦合温升仿真分析。主要研究连接器内部的温度场分布和温升情况，并分析不同电流大小对其温升的影响，根据电连接器的温升试验结果，来验证有限元热仿真分析的正确性。

2 有限元仿真

2.1 电连接器模型建立

该电连接器由近几十个零件组成，零件多且连接关系较复杂，因此在对该电连接器进行有限元分析时，在满足计算精度要求范围内，为提高计算速度，对结构中的某些零件进行适当的简化处理。将体积很小的弹簧以及密封圈等对分析结构影响不大的零件去除，同时去掉零件之间多余的干涉，忽略倒角以及直径较小的开口和凸台等细部特征。但连接器两端导线的散热和空气域的建立对仿真温升结果影响较大，因此在模型建立时不能忽略简化。仿真时建立两端1m长导线和空气域BOX(长宽40cm，高50cm)，并对空气域BOX上下分别开三个口，上面三个开口为压力出口，下面三个开口为速度入口。设置导线左端为电流正极，右端为电流负极。经简化后的模型中主要包括接触体、绝缘体、外壳体、导线以及空气域。几何简化后的模型如图1所示。

图1 电连接器的三维模型

2.2 网格划分

网格尺寸定义时，采用多面体和切割体进行网格划分，其中接触体和导线直接采用共形的多面体网格，主要用于电流的传递，并对冠簧进行加密网格划分。对空气域和绝缘体采用切割体网格划分，切割体主要适用于电子散热、外部流动，在壁面附件添加棱柱单元层，能获得边界层内粘性和热梯度。网格划分如图2所示。

图2 网格划分截面图

2.3 仿真结果分析

电连接器工作时，通入的电流大小会对温升产生影响，因此仿真分析了不同电流(300A、500A、800A、1000A)下的温升。设置通电时间均为2h，得到电连接器内部温度场分布和电流密度分布。

图3 整体温度分布云图(1000A)

图4 局部温度分布云图(1000A)

(a)300A

由图3～图6可知，对于通不同电流的电连接器，其温度分布情况一致，整体的温度变化规律均是由接触体向外温度逐渐降低，最高温度出现在冠簧或是接触体插合位置上。壳体温度几乎不变，主要是因为壳体与绝缘体接触，而绝缘体的材料比热容较大，导热性能差，而且壳体在电连接器工作时与外界进行热对流，所以其温度变化较小。导线的温度分布从与接触体连接处向外呈逐渐递减趋势。电连接器的电流密度由接触体内部向外逐渐递减，冠簧和插针接触位置处的电流密度最大，壳体的电流密度最小。随着电流的增大，电连接器内部温升逐渐升高。

图6 电流密度分布云图(1000A)

3 温升试验

为了检验有限元分析结果的准确性，采用物理试验的方法来测试电连接器实际的温升值。通过对电连接器焊接导线两端接WRNT-01热电偶线来检测电连接器的实时温升。通电过程中，电连接器用玻璃罩罩住。电连接器在常温条件下，通以不同电流(300A、500A、800A、1000A)，每隔1min记录一次温度，直至连接器温度稳定后停止试验。电连接器温升试验如图7所示。

图7 电连接器温升试验

4 仿真与试验对比分析

因试验时所测温升为插针、插孔与导线焊接位置，为验证仿真结果的正确性，仿真所提取的温升数据应与试验所测位置相对应，电连接器通不同电流条件下，其温度随时间的变化曲线如图8所示。

图8 试验与仿真结果对比

由图8可知，仿真与试验所得温升趋势一致，开始温升较快，之后温度缓慢上升，最后趋于平稳。由表1可知，当电连接器分别通电流300A、500A、800A、1000A时，试验温升分别为16.327℃、42.780℃、134.618℃、178.500℃，对应的仿真温升分别为15.968℃、43.709℃、130.861℃、173.841℃。试验与仿真的温升误差的平均值为2.44%，最大值为2.79%，最小值为2.20%，均未超过3%。误差是计算仿真结果减去试验结果的绝对值与试验结果的比值，误差产生原因可能是仿真环境中传热系数、接触热阻为经验值，与实际传热系数和接触热阻存在差异。

表1 仿真温升与试验温升对比

根据不同电流下的试验温升结果，对温升数据进行拟合，得到温升随电流变化的拟合曲线如图9所示，由图可知，随着电流的增大，电连接器内部温升逐渐升高，基本呈指数增长关系。

图9 温升拟合曲线

5 结论

通过对大电流连接器进行热电耦合温升仿真和温升试验得出以下结论：

1)电连接器的温升随电流的增加而增大，并且与电流大小呈指数关系。

2)对于通不同电流的电连接器，其温度分布情况一致，其最高温度均出现在冠簧或是接触体插合位置上。

3)仿真结果与试验所得温升趋势一致，且误差可控制在3%以内。其研究结果可为电连接器的热设计提供参考依据。