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电子连接器温升仿真教程

创作时间:

作者:

@小白创作中心

电子连接器温升仿真教程

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/billliu66/article/details/142270248

电子连接器温升是指电子连接器的所有端子在施加额定电载荷的情况下，经过一段时间后，达成热平衡，连接器局部温度不再继续升高，此时规定测试点的温度与测试环境温度的差值。连接器的温升规格值因其应用环境不同，而不同。工业应用，且不与人体接触的电子连接器一般允许温升会大一些；用于消费电子及玩具，且连接器本身会外露，可能会与人体接触的连接器，一般会规定一个较小的温升值。一般情况下，很多电子连接器的温升规格值被定为30°C。连接器的温升与接触电阻、额定电流、连接器零件材料的热传导系数、连接器零件的热传导表面大小及连接器散热外表面大小等因素有关。要控制连接器的温升需从两方面着手，一是控制发热量，二是增大散热效果。

连接器的发热功率为IIR*Pins，其中I为额定电流，R为端子的接触电阻，Pins为端子数量。额定电流与端子数量为特定需求，唯一能改变的是端子的接触电阻，端子的接触电阻与端子材料的导电率、端子截面大小、端子的电传导通路的长度紧密相关。而端子成本在连接器成本中占有极大的比重，基于性价比考虑，不可能无限制地降低连接器的接触电阻，将其控制在合适的范围即可。

电子连接器中的散热方式有以下几种： 1，接触传导，如公母端子间，端子与Housing间。2，对流散热，如连接器表面与空气间的热传导主要是对流散热, 连接器与空气的对流散热系数一般取35W/平方米。3. 辐射散热，连接器零件会产生红外线，通过红外线向外辐射热量。由于连接器零件温度较低，其产生的红外线较少，辐射散热相对较少。辐射率与连接器的表面有关，一般取0.80.95。散热主要靠前两种方式，要增大接触热传导与对流散热都需选用有较大热传导系数的材料，增大接触或散热表面积。

无论是减小发热量或者增强散热，都只是一个概念。怎么来评估我们所做工作的效果？我们设计的连接器温升会是多少°C？没法用一个公式将其计算出来。怎么办？可以通过仿真软体来仿真计算出来。下面将用一款连接器产品为示例，一步一步地讲解如和用软件做电子连接器温升仿真。

下面是示例的产品公头图片：

下面是示例产品的母头图片：
下面是示例产品公母对插在一起的图片：

本教程中连接器温升仿真，将使用内发热激励，会用到Ansys Workbench与Ansys Q3D。温升仿真分析会在Ansys Workbench中进行。使用Ansys Q3D的目的是仿真计算接触电阻，以便在用Ansys Workbench做温升时设置发热功率。由于设置了端子的发热功率，仿真中就不需要再设置电流。

电子连接器温升仿真操作步骤

Step1 模型预处理

模型预处理的目的：一是消除零件间的相交部分，避免仿真出错。二是去除端子的锡脚没有电流流过部分，以便用Ansys Q3D做接触电阻仿真。要做到这点有两种做法，一是直接切掉端子锡脚的无电流流过段；二是设计及温升仿真夹具（包含PCB部分），模拟实际使用情况，在仿真夹具的PCB线路上施加激励源。第一种方法较简单，这里演示第一种预处理方法。预处理后的3D模型如下：

Step2 接触电阻仿真计算

该连接器存在两排端子，其长短不同，如下：

这里需要分别选一对长短端子，分别仿真计算其接触电阻。在《电子连接器接触电阻仿真教程》中已详细介绍了接触电阻仿真的操作步骤，这里就不再做详细介绍了。该连接器公母端子材料皆为C26800，下面分别是两个对子对的接触电阻仿真结果。

长端子对接触电阻Q3D仿真结果： 4.652578毫欧。
短端子对的接触电阻仿真结果为：3.469361毫欧。

Step3 打开Ansys Workbench

从开始菜单中打开：

打开后如下：

Step3 设置解算类型

将鼠标指针移动到Analysis Systems下面的Thermal-Electric上，按下鼠标左键不松，拖向右边的空白区。此时，空白区会出现一个绿框，直接拖动到框中。
结果如下：

Step4 导入3D模型

Sub-step1选中Geometry

Sub-step2 按鼠标右键，再点击弹出菜单中的Import Geometry，再点击下级菜单中的Browse…

Sub-step3 在弹出对话框中指定导入文件路径并,选中欲导入的文件:
Sub-step4 点击对话框中的打开按钮，关闭对话框完成模型导入。导入模型后如下：

可以看到Geometry 后面不再是问号了。

Step5 切换到Thermal-Electric-Mechanical界面

鼠标指针移到Model上，双击鼠标左键，以进入Thermal-Electric-Mechanical界面

进入Thermal-Electric-Mechanical界面后如下：

可以看出这里导入的是连接器端子被切角后的模型，这样不会减小端子的发热，但会减小端子的散热面积，因而分析所得温升数据会趋于保守。这样操作起来比较简单，这里就这样做。

Step6 设置连接器零件材料

Sub-step1选中公母housing：

Sub-step2 在下面的Matrial栏的Assignment中，点击后面的三角符号，并搜索框中输入PBT，如下：
Sub-step3 点击搜索框下面的Plastic，PBT（30% glass fiber），将Housing(Male)的材质设置成PBT+30%GF，因为该连接器的公母Housing的材质都是PBT+30%GF。
设置成功后如下：

Sub-step4 用同样的方法将Housing（Female）的材质设置成PBT+30%GF。
Sub-step5 用同样的方法将将所用公母端子的材质设置成Brass（C26800）。

Step6 设置接触对

展开Connection下的Contacts，可以看到有很多的接触对，这里就使用系统自动探测设置的接触对。

Step7 网格设置及网格生成

Sub-step1 点击Mesh ，在Details of “Mesh”中可以看到很多设置项. 主要设置, 如下:
Sub-step2 生成网格将鼠标指针移动到“Mesh”上，按鼠标右键，再点击弹出菜单中的Generate Mesh

生成网格后如下：

Step8 分析设置

在分析设置前先看一下该产品的额定电流。
可以看出改产品的额定电流是3A，接触电阻是10毫欧最大，从上面的仿真结果可以看出，其端子设计是符合接触电阻要求的。

Sub-step1 分析歩数设置设置如下：
Sub-step2 设置环境温度
环境温度设置如下：
Sub-step3 插入电压源将鼠标指针移动到Analysis Settings上，按鼠标右键，点击弹出菜单中的Insert，然后再点击Voltage
选中端子锡脚端面

点击Apply按钮，完成插入电压源。

Sub-step4 插入对流散热
将鼠标指针移动到Analysis Settings上，按鼠标右键，点击弹出菜单中的Insert，然后再点击Convection

选中所有零件表面，让后点击Details of“Convection”中Apply按钮

修改film Coefficient值，如下：

Sub-step5 插入辐射散热
将鼠标指针移动到Analysis Settings上，按鼠标右键，点击弹出菜单中的Insert，然后再点击Radiation
选择辐射散热面,然后Apply.
修改辐射系数

Sub-step6 插入内发热
内发热是按体积计算，在本仿真案例中，内发热的只有端子（严格来说,如果该连接器传输的是高频信号，如Housing这类绝缘体在交变电磁场的影响下也会发热），端子由于电阻的存在，有电流流过时，就会发热。Ansys 中内发热系数单位是W/mm3,因此还需知道端子的体积. 单个母端子的体积为: 6.5267立方毫米

单个下排公端子的体积为: 7.3071立方毫米

单个上排公端子的体积为: 8.7069立方毫米

单个上对端子的总体积为: 6.5267 + 8.7069 =15.2336立方毫米
单个下对端子的总体积为: 6.5267 + 7.3071 =13.8338 立方毫米
上对端子的电阻为: 4.652578毫欧
下对端子的电阻为: 3.469361毫欧
上对端子的发热功率为: 3 * 3 * 4.652578/1000 = 0.041873W
下对端子的发热功率为: 3 * 3 * 3.469361/1000 = 0.0312242W
上对端子单位体积的发热率为: 0.041873/15.2336 = 0.002749W/立方毫米
下对端子单位体积的发热率为: 0.0312242/13.8338 = 0.002257W/立方毫米
将鼠标指针移动到Analysis Settings上, 按鼠标右键, 点击弹出菜单中的Insert, 再点击下级菜单中的Internal Heat Generation

选中一个上排端子对
点击Details of ”Internal Heat Generation”中的Apply按钮,确定选择目标。

修改发热率
用同样的方法设置完所有的端子对。