Influence des propriétés thermoéléctro-mécaniques des alliages à haute teneur en cuivre sur les paramètres des connecteurs d'automobiles électriques

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Alphonse Clément
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1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Centre universitaire Ain Témouchent Institut des Sciences et de la Technologie Influence des propriétés thermoéléctro-mécaniques des alliages à haute teneur en cuivre sur les paramètres des connecteurs d'automobiles électriques 4 ème SEMAINE DE TECHNOLOGIE CUAT Lundi 21 Avril 2014 Dr A. BELOUFA 1

2 Contact électrique I Sphère V Fc R Plan Aire de contact apparente (aire de Hertz) Aire de contact mécanique Aire de contact électrique Un contact électrique est constitué de deux pièces conductrices pressées l une contre l autre afin de pouvoir transmettre le courant électrique entre deux systèmes électriques ou électroniques. 2

3 Choix du terminal d un connecteur Contact vissé (contact permanent). Contact à fermeture par pression (exemple les relais). Contact à insertion (connectique enfichable). Ressort Sertissage Broche Lamelle du ressort Broche Ressort Contact cylindre/plan ou sphère/plan Le ressort a pour but d appliquer la force de contact et le maintien du contact. 3

4 Habitacle (Housing) Fils électriques reliés aux connecteurs (Harness) 4

5 DISPOSITIFS ELECTRIQUES DANS UN VEHICULE 5

6 CONNECTEURS ELECTRIQUES DANS UN VEHICULE 6

7 2D Graph 1 Problématique Puissance électrique (kw) , Col 1 vs Col 2 Automobile Hybride Systèmes embarqués Automobile électrique Courant électrique (A) CONTACT RESISTANCE (mw) Signal Mixe Puissance Haute Puissance CURRENT (A)? L augmentation de la puissance L augmentation du courant R c est de l ordre du mw pour quelques Ampères. R c doit être de l ordre du µw pour des centaines d Ampères. 7

8 L augmentation de la puissance L augmentation du courant L augmentation de la température de contact Tc L augmentation du flux de chaleur de contact par effet de Joule Q=RcI 2 Conduit à de nombreux problèmes : Ramollissement des surfaces de contact Diminution de la force de contact Déconnexion Ceci nécessite la minimisation de Rc 8

9 Objectives Etude numérique et expérimentale de la résistance du contact et de l échauffement du contact de puissance. Développement d un modèle éléments finis qui permet de décrire le comportement thermoélectro-mécanique d un contact électrique. Minimiser la résistance de contact et l échauffement de contact par l étude : Un point de contact de géométrie sphère/plan. Des forces de contact allant de 1 à 100 N. Matériaux : nouveaux alliages à haute teneur en cuivre. Nombre de point de contact. R 2a F c Contact sphère/plan E 9

10 Aire de contact et résistance théoriques R F c 2a E 2a Aire de contact Contact de Hertz a 3F c 4E R 1/ 3 E : Module de Young du matériau (MPa) R c ρ 2a : Résistivité électrique du matériau (W.m) 10

11 Dimensions des échantillons testés Partie sphérique Epaisseur (e=0,8mm) Rayon (R) Partie plane Epaisseur (e=0,8mm) Emboutis pour avoir la forme du contact. 11

12 Matériaux des échantillons de contact Alliages à haute teneur en cuivre C10100 Cu 99,99% C19210 C14415 C12200 C18070 C19400 C70250 Composition Limite Dureté Résistivité(W.mm) élastique (MPa) (HV) (%IACS) CuFeP CuSn0,15 Cu 99,9+ P CuCrSiTi CuFe 2 P CuNi 3 SiMg , , , , , , , Ces alliages récents du cuivre contiennent plus de 97 % de cuivre Propriétés mécaniques et électriques différentes 12

13 Emboutis pour avoir la forme du contact. Fabricant Allemand des alliages de cuivre selon la norme DIN 13

14 Banc expérimental 14

15 Capteur de force Fc Thermocouples F c Voltmeter wires Source de courant I Échantillons de contact 15

16 Loi de la résistance de contact (indentation) rayon R=3 mm R c K c F n c Donne des préconisation de conception pour le constructeur Cuivre Exposant :1/2>n>1/3 Constante : 1>Kc>0,3 mwn n Kc est une constante qui dépend de la géométrie de contact et des propriétés des matériaux. L exposant n dépend des matériaux en contact. 16

17 Température de contact (indentation) rayon R=3 mm T T p T roche de contact air Température de l air 22 C Temperature T ( C) Fc= 20N and I= 100A Fc= 50N and I= 100 A Fc= 100N and I= 100 A Fc= 20N and I= 50 A Fc= 50N and I= 50 A Fc= 100N and I= 50 A 0 C10100 C19210 C14115 C12200 C18070 C19400 C70250 Copper alloy IACS% : Conductivité : thermique (W/mK) Décroissance de la conductivité thermique et électrique 17

18 Maillage éléments finis (contact sphère/plan) développement d un modèle EF Indentation Modèle axisymétrique Coefficient du frottement = 0,2 Zoom Eléments quadrangulaires quadratiques (8 nœuds) Eléments de contact (3 nœuds) Modèle EF sans rugosité Taille horizontale de l élément du contact : 1 µm 18

19 Copper law behaviour Copper law behaviour 300 Copper 99,9% purity Essai de traction Lois de comportement de cuivre pur Stress (MPa) Stress (MPa) Strain (%) 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Strain (%) 19

20 Lois de comportement des différents alliages à haute teneur en cuivre Behaviour law for different copper alloys 600 (C70250) Loi d Hollomon Contrainte (MPa) (C19210) (C18070) (C19400) (C14415) Cuivre (C10100 ou C12200) sk e n T Partie élastique se e e Déformation (%) 20

21 Résistance (mw Résultats numériques de la résistance de contact 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 modèle lisse Résistance calculée numériquement (modèle lisse) Courbe expérimentale Force de contact (N) Matériau C12200 (Rayon R=3mm) Ecart entre la résistance calculée numériquement et celle mesurée expérimentalement s explique par la non prise de la rugosité des surface de contact dans le modèle EF n sont identiques, Kc est inférieur dans le cas numérique 21

22 Rappelez-vous que notre but est de diminuer la résistance de contact et l échauffement au contact. Sans faire des tests expérimentaux qui coûtent chers nous nous sommes penchés vers le développement des modèles numériques EF. D après les résultats précédent le matériau de contact qui présente la plus faible résistance est C19210 qui subi une force de contact de 100 N et il est soumis à un courant de 100 A. 22

23 Géométrie et dimensions des échantillons de contact r = 3.6 mm e = 0.7 mm e = 0.7 mm 23

24 Matériau C19210 C19210 est le matériau qui présente des meilleurs compromis entre les aspects électriques thermique et mécanique 24

25 Programme de couplage indirect (APDL language) Les équations différentielles qui gouvernent notre problème : T k x x T k y y... T k q z z C p T t... q RI Vo 2 Champ thermique (Température, flux de chaleur) 1 Rsv 2 V 2 x 2 y V 2 2 z V 2 0 Champ électrique (voltage, courant) V div[ s ] ( F ) (0) Champ mécanique (Contrainte,déformation pression de contact) Le programme de couplage indirect développé par le code éléments finis Ansys et son APDL language peut faire le couplage entre le calcul thermoélectrique et mécanique et résoudre la combinaison des équations différentielles précédentes. 25

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27 Maillage EF et Conditions aux limites ¼ de la géométrie est modélisé à cause de la symétrie du modèle et les Conditions aux limites Temperature Coupled voltage to nodes set Electric current Insulator (heat flux=0) Pressure Symmetry conditions Uz=0 Symmetry conditions Ux=0 3D-10 node Tetrahedral element With quadratic interpolation Y Z X Temperature Voltage=0 Embedded surface Ux=Uy=Uz=0 Natural air convection 27

28 Conditions de contact mécanique Modèle de frottement : Coulomb Coefficient de frottement = 0.2 Conditions de contact P Algorithme de Contact : Augmented Lagrangian Method Conditions de contact électrique et thermique Les interfaces de contact (contact et cible) sont considérées parfaites : Q Q T Q E Le flux de chaleur entre les surfaces de contact Q T TCC ( TC TT ) TCC = 10 6 W/m 2 K Q E 2 ECC ( VC VT ) ECC = W 1 m 2 28

29 Von Mises stress results for one and five contact points One contact point MPa Five contact points MPa se = 322 MPa for the C19210 material For the model with 5 contact points sv Max = MPa < 322 MPa svmax has been reduced by 49% < MPa More life time of contact samples 29

30 Contact resistance results for one and five contact points One contact point mw Five contact points mw For the model with 5 contact points, RcMax has been reduced by 43%. This gain induces the temperature to decrease due to the generation of a lower Joule heat in the contact zones. 30

31 Contact temperature results for one and five contact points One contact point C Five contact points C For the model with 5 contact points, TcMax has been reduced by 22%. The contact zone for the model with one contact point suffer more damage (softening or even melting of the conducting areas) than the other model. 31

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33 Conclusions C19210 présente des meilleurs propriétés thermoélecriques. mécaniques et Augmentation de la force de contact diminue la résistance et la température de contact. Le modèle avec 5 points de contact présente un triple gain: 1. Minimisation de la résistance électrique de contact. 2. Minimisation de la température de contact. 3. Minimisation de la contrainte de Von Mises et qui reste inférieure à la limite d élasticité du matériau. Ceci conduit à diminuer le coût de connecteur et augmenter sa durée de vie, ce qui est un atout pour les designers des connecteurs. 33

34 Merci pour votre attention 34

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