利用仿真技術(shù)研究電連接器電場分布

劉徐

摘? 要：對電連接器進行幾何清理，并簡化模型，利用數(shù)值方法分析電連接器額定工況1800V條件下，整體電壓分布和電場分布，得出最大場強位置，判斷電連接器是否有擊穿的可能性。根據(jù)仿真結(jié)果，分析電連接器最大場強產(chǎn)生的原因，可以對電連接器的實際設(shè)計提供參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電連接器;模型;仿真;電場分布

中圖分類號：TM503+.5 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0120-02

根據(jù)邊界條件為插針指定電壓1800V以及外殼接地（零電勢），為第一類邊界條件。介質(zhì)內(nèi)部由于無自由電荷，介質(zhì)與介質(zhì)之間的邊界條件為接觸面法向方向電勢相等，為第二類邊界條件。

為求解上述定解問題的方程，采用有限元法求數(shù)值解，判定連接器是否有擊穿的可能性。

1 幾何模型

根據(jù)計算要求，在建立有限元模型時，根據(jù)結(jié)構(gòu)電場分布特征，對計算模型進行了以下合理的處理：

（1）略去不影響電場分布的次要零件。

（2）內(nèi)部狹窄細(xì)長會引起數(shù)值奇異的模型適當(dāng)處理。

（3）連接器外部不關(guān)心的零部件忽略。

（4）用冠簧連接插針部分的所有小零件予以保留，避免該處計算值失真。

2 網(wǎng)格劃分

該連接器主要由插針、冠簧、塑料、鋁合金外殼以及氣隙五大部分構(gòu)成，通過螺釘連接。每個部分幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，且關(guān)心程度不同，對于氣隙部分，需要適當(dāng)加密網(wǎng)格，而對于金屬外殼，由于為等勢體，金屬內(nèi)部電場為零，為了縮短計算時間，網(wǎng)格可以適當(dāng)粗化。

連接器整體模型共2311616個節(jié)點，1417804個單元。圖1為連接器整體網(wǎng)格模型。

3 材料參數(shù)

在實施有限元分析時，連接器各部分材料相關(guān)電參數(shù)為：

4 約束與載荷

由于該連接器考察介質(zhì)內(nèi)部電場與電壓分布，場由穩(wěn)定性方程控制，只要邊界條件確定，則場的唯一性也就確定了。連接器邊界條件為：

（1）端子施加1800V電壓。

（2）連接器外殼接地，即電勢為0。

連接器施加電壓邊界條件示意圖如圖2所示：

5 計算結(jié)果

端子施加1800V電壓計算結(jié)果：

將網(wǎng)格模型、電介質(zhì)及金屬材料電屬性設(shè)置完畢，然后添加邊界條件，首先三個插針部分施加1800V電壓，外殼施加0V電壓，然后選擇求解器以及殘差設(shè)定，當(dāng)殘差小于1e-6視為模型收斂。通過求解拉普拉斯方程，得到整體電勢分布如圖3所示：

將電勢求出之后，利用電勢與電場之間的關(guān)系E=-？犖？漬可求出電場分布，電場整體分布如圖4所示。

6 結(jié)束語

以上利用有限元法對該連接器在額定工況下進行了電場分析，得到氣隙處最大的電場強度如表2所示。

根據(jù)計算結(jié)果，額定工況下連接器電壓及電場分布，可得到以下結(jié)論：

（1）連接器插針和外殼為金屬，內(nèi)部電場為零，電場分布全部被約束在介質(zhì)內(nèi)部（氣隙、塑料）。

（2）氣隙部分靠近插針的電場強度最大，電場最大位置為插針與冠簧連接部位，因為該處存在尖細(xì)氣隙，在1800電壓下，氣隙最大電場約1.27kV/mm，不會被擊穿，安全余量較大。

（3）額定工況場強最大點位置如圖4所示，連接器裝配之后在工作狀態(tài)下，電場的匯（自由電荷） 由于趨膚效應(yīng)分布在金屬的外表面附近，金屬尖角處電荷密度最大。因金屬尖角處堆積電荷，該處電場強度最大，若空氣被擊穿，該處容易產(chǎn)生尖端放電。

（4）通過對連接器接插件和止夾等帶有尖端的金屬零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少尖端放電的產(chǎn)生，能有效降低連接器被擊穿的可能性。

參考文獻：

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