基于Abaqus車用熔斷片電熱性能分析研究

李曉英，李厚琨，杜艷平，賀占蜀

（1．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030；2．鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于Abaqus車用熔斷片電熱性能分析研究

李曉英1，李厚琨1，杜艷平1，賀占蜀2

（1．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030；2．鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001）

汽車電子電路是實(shí)現(xiàn)整車功能的重要組成部分，隨著汽車電子的發(fā)展，越來(lái)越多的車載電器應(yīng)用到整車中?？紤]到汽車使用的安全性，車用熔斷片在汽車電子電路中起到不可或缺的重要作用。本文就車用熔斷片的電熱性能進(jìn)行研究，闡述熔斷片電熱性能一般理論，基于Abaqus軟件對(duì)車用熔斷片進(jìn)行電熱耦合分析。

熔斷片；仿真；Abaqus

熔斷片又稱為熔斷器，安裝在電路中，是能夠保證電路正常安全運(yùn)行的電器元件。當(dāng)汽車電子電路出現(xiàn)故障或異常，可能會(huì)出現(xiàn)電流不斷升高，某些重要器件或貴重器件在較高電流載荷下會(huì)損壞甚至熔融，也有一些情況使汽車內(nèi)線束出現(xiàn)高溫高熱，可能引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致整車報(bào)廢，更嚴(yán)重的會(huì)造成人身傷亡。因此，熔斷片能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)其功能是提高汽車電子電路及整車安全性的重要因素。良好的熔斷片設(shè)計(jì)能夠在電流異常升高到一定高度并且持續(xù)一定的時(shí)長(zhǎng)，自身熔斷切斷電流，從而起到保護(hù)電路安全運(yùn)行的作用。對(duì)熔斷片的電熱性能分析是熔斷片設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，決定著熔斷片能否正常準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)其功用。

1 熔斷片結(jié)構(gòu)及熔斷原理

1.1 車用熔斷片結(jié)構(gòu)分析

車用熔斷片由熔體部分、電極部分及支架部分組成，分別起到不同的作用。如圖1所示。

熔體部分是實(shí)現(xiàn)熔斷片功能的核心，當(dāng)過(guò)載電流增大到一定值時(shí)，通過(guò)一定時(shí)間，熔斷片熔體部分發(fā)生熔斷起到保護(hù)電路的作用。當(dāng)熔斷片的通過(guò)電流超過(guò)額定電流時(shí)，熔斷片不會(huì)立刻熔斷，而需要一定的過(guò)載時(shí)間，超過(guò)額定電流的值越多，熔斷得就越快。熔體部分的設(shè)計(jì)無(wú)論從尺寸、材料都要保證其一致，從而保證熔斷特性的一致性。

圖1 熔斷片結(jié)構(gòu)圖

電極部分是連接電路的關(guān)鍵部位，要保證其良好的接觸導(dǎo)電性，且要具有合適的安裝尺寸。

支架部分，熔斷片的熔體部位都非常纖細(xì)柔軟，支架部分能起到保護(hù)作用，同時(shí)固定3部分保證安裝尺寸上的穩(wěn)定，便于裝配。因此，支架部分應(yīng)具有良好的絕緣、耐熱、阻燃性能及較好的機(jī)械強(qiáng)度，避免出現(xiàn)短路、燒蝕及裂紋變形等情況。

1.2 熔斷片的熔斷原理

熔斷片在電路中可視為純電阻，當(dāng)電流流經(jīng)熔斷片時(shí)，熔斷片發(fā)熱，其發(fā)熱量符合以下公式

式中：Q——發(fā)熱量；I——流過(guò)導(dǎo)體的電流；R——導(dǎo)體電阻；T——電流流過(guò)導(dǎo)體的時(shí)間。

從上式分析，發(fā)熱量決定著熔斷片的熔斷特性，影響發(fā)熱量的主要因素是通過(guò)電流、通過(guò)時(shí)間、熔斷片電阻。在熔斷片設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，熔斷片的額定電流確定下來(lái)，其熔斷電流及熔斷時(shí)間也基本確定。那么，導(dǎo)體電阻即是保證其熔斷性能的主要因素。又由于熔斷片熔斷需要的發(fā)熱量要滿足材料熔斷所需的熱量，材料一定時(shí)，發(fā)熱量也基本確定。綜上所述，可以粗略地認(rèn)為材料一定時(shí)，熔體部分的電阻決定著額定電流的大小。表1為不同廠家熔體電阻對(duì)照表。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，不同廠家的同一型號(hào)的熔斷片，熔體部分的電阻一致。

表1 不同廠家熔體電阻對(duì)照表 mΩ

制作熔斷片時(shí)，材料確定后，熔斷片熔體部分的形狀尺寸決定著熔體部分的電阻。因此必須保證熔斷片在生產(chǎn)制造過(guò)程中，控制尺寸保持一致性和加工的穩(wěn)定性。

2 電熱性能計(jì)算模型

2.1 電流流動(dòng)方程

在導(dǎo)體中，電場(chǎng)是由麥克斯韋方程組表示，假設(shè)在穩(wěn)態(tài)直流電路中，方程可簡(jiǎn)化為

式中：V——體積；S——截面積；n——面積S的外法相；J——電流密度（單位面積的電流）；rc——單位體積電流。電流的流動(dòng)方程由歐姆定律表述如下

式中：σE——電導(dǎo)率矩陣；E——電場(chǎng)強(qiáng)度。

代入電勢(shì)φ，綜合上述兩式可化為

2.2 熱平衡方程

熱傳導(dǎo)可用能量平衡方程表述如下

式中：V——材料體積；S——表面積；ρ——材料密度；U——內(nèi)能；k——熱導(dǎo)率矩陣；q——單位面積熱通量；r——體內(nèi)產(chǎn)熱。

上述分別介紹了計(jì)算材料電熱性能的理論方程式，是有限元方法計(jì)算材料電熱性能的理論基礎(chǔ)。

3 基于Abaqus對(duì)熔斷片進(jìn)行建模分析

Abaqus電熱耦合分析可以分析電場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)交互，對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、線性或非線性求解，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)、線性或非線性求解。

根據(jù)圖紙尺寸建立熔斷片三維模型，導(dǎo)入Abaqus，建立電熱耦合分析步，劃分網(wǎng)格，選取電熱耦合單元類型DC3D10E，進(jìn)行仿真分析。

4 結(jié)果分析及結(jié)論

建立相同規(guī)格不同廠家的熔斷片三維模型進(jìn)行分析，熔斷部位為平整面（圖2a），熔斷部位為縮頸狀（圖2b）。

圖2 仿真結(jié)果

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知：①圖2a最高溫度為107.2 ℃，圖2b最高溫度為107.3 ℃。②熔斷部位為縮頸狀設(shè)計(jì)，明顯將產(chǎn)熱儲(chǔ)存在熔斷片薄弱環(huán)節(jié)，更有助于熔斷片熔斷。

因此，在能夠保證加工精度和穩(wěn)定性的情況下，熔斷片的設(shè)計(jì)更宜采用縮頸狀設(shè)計(jì)。

［1］ Katsuhiko Ogata．現(xiàn)代控制工程（第3版）［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］ 石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析實(shí)例講解［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］ Demi Ning．Circuit Protection Products and Application Training［J／OL］．Littelfuse，2008．

［4］ 江丙云，孔祥宏，羅元元．ABAQUS工程實(shí)例詳解［M］．北京：人民郵電出版社，2014．

（編輯 楊 景）

Research on Electro-thermal Performance of Vehicle Fuse Based on Abaqus

LI Xiao-ying1， LI Hou-kun1， Du Yan-ping1， HE Zhan-shu2
(1. Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030；2. Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Automobile electronic circuit is an important part to realize vehicle functions. With the development of automotive electronics， more and more electrical appliances are used in vehicles. Taking car safety into consideration，the fuse in the automotive electronic circuits plays a significant role. In this paper， the electric thermal properties of the car fuse are studied， the general theory of the fuse tablets electric properties is expounded， and the electric and thermal coupling analysis on fuse tablets is carried out based on Abaqus.

fuse tablet；simulation；Abaqus

U463.6

A

1003-8639（2017）07-0073-02

2017-02-23

李曉英（1981-），女，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品研發(fā)；李厚琨（1989-），男，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品研發(fā)；杜艷平（1988-），女，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品研發(fā)；賀占蜀（1985-），男，力學(xué)博士后，主要研究方向?yàn)槠囯娖鳟a(chǎn)品研發(fā)。