电连接器热设计及注意事项
品慧电子讯本文根据热力学公式对接触体的最大电流值及电连接器整体温升值进行分析，通过定量的方法实现电流计算及温升值计算，并采用实际试验方式验证计算结果。
应用电连接器的电力连接系统，连接器是为两个导体界面提供连续可靠的电流通路的基本元件。目前，随着应用设备的功率越来越大，电连接器正向高电压、大电流方向发展，主流大电流连接器采用12mm以上大直径接触件以实现稳定的电流连接。
当前大电流连接器面临的主要问题是高额定电流和温升。而低电压中温升又是影响产品载荷容量和可靠性的关键。连接器的温升是由工作时接触体发热带来，因此决定连接器温升的因素主要是接触电阻与机械结构。
连接器应具有低而稳定的接触电阻来保证接触区温升在材料允许的温度范围内。机械结构一方面为连接器提供可靠的接触条件，另一方面不同结构尺寸影响电连接器整体散热效果。
本文根据热力学公式对接触体的最大电流值及电连接器整体温升值进行分析，通过定量的方法实现电流计算及温升值计算，并采用实际试验方式验证计算结果。
为了降低温升的影响，提高连接器载流量，本文整理提出大电流电连接器设计注意事项。
1 引言
由于接触体连接端存在接触电阻、接线端存在压接电阻，当电连接器传输电流时，将会产生热量，内部温度会随之上升下降或剧烈变化，并对其结构性能和使用寿命产生影响。高温使绝缘材料结构发生变化，产生化学分解，绝缘性能变坏；使接触体材料的机械性能劣化，导致应力松弛和镀层破坏，在接触区形成绝缘薄膜，接触电阻增大，并反过来进一步加剧温升；过高的温度使密封材料失效，导致电连接器防护性能下降。同时，外部环境温度影响电连接器的散热效果。电连接器的温升正是电负荷和环境条件的综合作用结果。
2接触体最大工作电流
受电阻影响，接触体通过电流时会产生热量，接触体周围空气受热产生对流会散发导体产生的热量，当产生的热量与散发的热量达到平衡时，导体的温度就会固定，此时，接触体的温度与环境温度之差就是接触体温升值，接触体通过的电流值就是在此环境温度下接触体的工作电流。
当接触体温度达到本身材料或绝缘材料的熔点时，此时通过的电流就是接触体所能承载的极限电流。接触体实际使用的铜合金熔点远大于绝缘材料熔点，因此，当接触体温度达到绝缘材料所能承受的极限时的电流值，就是接触体的最大工作电流。
2.1 数学模型
根据能量守恒定率，接触体生成热功率等于散热功率，即：
2.2 求解计算
以8#针孔为例，计算最大工作电流，取值结果如下：
S 1800mm2
△t 105℃（室温20℃，高温125℃，△t=125-20=105℃）
R 0.56mΩ
代入公式（5）：
I=63.8A
需要指出的是，计算结果是未送入电连接器的单独接触体。送入产品后，受绝缘体传热及壳体散热影响，最大工作电流小于63.8A。
2.3 小结
通过公式（4），降低电流强度和接触电阻、提高散热面积、选择散热系数高的材料均可以达到减少发热量的目的，既在产品设计时应注意：
（a） 减少接触体直径的突变，防止出现电流集束效应，增大接触电阻；
（b） 在结构尺寸允许的情况下，适当加大接触体直径和长度，增大其散热面积；
（c） 公式（5）可以推导出：
可以看出，随着电流的增加，发热量迅速增大，温度升高越来越快。这也是大电流接触体多采用插针内置涨环、插孔收口端外套弹簧（弹簧箍结构）、冠簧等结构，避免铜材受热产生应力松驰；
（d） 多点接触结构或加大接触正压力，均为减小接触电阻，具有更多的传热点，其更适用于大电流环境。
相同温度、插针直径及适配导线，测试扭簧孔、开瓣弹簧箍结构及48点接触簧片式结构接触体，按GB/T 5095.3 方法5a进行温升试验，试验结果见图1。
图1：不同结构接触体温升曲线
试验结果可以证实上述推断。
3电连接器温升
上面讨论的是单独接触体的电流和温升，而在实际使用时，考虑安装方式、安全等因素，接触体均需送入电连接器内使用。电连接器外壳隔离了接触体热点与空气的直接接触，降低了接触体热点散热效果。电连接器的外部热源、大气条件、电连接器本身散热条件的好坏，如表面颜色、有无冷却手段等，都是影响电连接器散热效果的因素。
连接器温升是指在某一特定温度下，在接触体上施加额定电压与额定电流而发热并达到平衡时，其内部最热点温度与环境温度之差。电连接器的温升可以通过计算和试验来确定。
3.1 数学模型
依据热力学热传导、热对流、热辐射理论，整理出电连接器最热点温度计算公式：
公式中未考虑封线体与导线对散热的影响，电连接器加装封线体后，其内部环境相对密闭，增加了传热难度，导线延伸出电连接器外部，相当于增加了散热面积，有利于散热。
因此，计算结果仅为近似的估算，同时建议参数选取不利于散热的边界条件，如此可保证产品设计符合使用条件。
3.2 求解计算
以8芯电连接器为例，计算最大工作电流，取值见表1：
表1：参数取值
代入公式（9）后，I=53A
取安全系数0.8，电连接器额定工作电流53×0.85=42.4A
计算结果接近产品标准规定的额定电流46A。
以额定电流46A、接触电阻0.56mΩ、环境温度20℃计算电连接器温升，将数据代入公式（7）、（8）:
Tc=57℃
△t=57-20=37℃
计算结果满足产品标准规定的温升不超过55K要求。
3.3 试验测试结果
取8芯电连接器1套，接触体压接16mm2导线，送入后将所有孔位串联，通以额定电流，当电连接器内部温度稳定后，逐步增加电流值，直至温度超过电连接器承受能力。试验结果见表2：
表2：温升试验结果
额定电流时，温升计算结果37℃、试验结果33℃，两者相近。
3.4 小结
（a） 通过公式（7）可以看出，降低电连接器和接触体温升的方法相同。
（b） 电连接器热设计应验算：接触体的工作电流是否大于导线的安全工作电流；电连接器允许的最高温度条件下，其工作电流是否大于规定的额定电流；以额定电流核算其温升值是否符合规定。
4 总结
本文主要从热平衡角度推导、计算接触体、电连接器的最大工作电流、温升值。通过实际计算与试验测试，二者结果相近，且计算结果更接近设计期望值，说明计算方法可以用于电连接器的热设计。
由于计算结果和试验结果仍存在差异，说明计算方法中仍有影响因素未考虑，需要更近一步推导，以期得到更准确的结果。
参考文献
［1］ 第三机械工业部第612研究所 航空机械设计手册 1979.5
［2］ 岳丹婷 工程热力学和传热学 2002
［3］ 章继高 接触理论设计 1984.8
［4］ 国家标准GB/T 5095.3-1987
［5］ 航空工业部标准HB5874-1986
［6］ 铁路行业标准NF F61-030
［7］ 电连接器技术
原创： 张民民，刘海峰
