（检测技术与自动化装置专业论文）电接触故障仿真与尘土沉积实验箱的初步设计.pdf

电接触故障仿真与尘土沉积实验箱的初步设计 摘要 电接触广泛、大量的存在于电子、电力和自动控制等系统内，其性 能直接影响电子、电气设备的可靠性。因此，研究尘土、空气、电场、 温度和湿度等等环境因素对电接触性能的影响，对提高电子、电气系 统的可靠性具有十分重要的意义。 尘土颗粒在电接触表面的沉积是导致电接触可靠性下降以致产生 接触故障的原因之一。此沉积过程与颗粒周围存在的电场有着密切的 联系。本文分析了该影响的过程和机理，并提出了衡量电连接器对颗 粒的吸引能力的判据和计算方法。通过仿真计算说明了这种吸引能力 与连接器两端的电压和距离的关系可用一元二次多项式来表示。另外， 通过研究交变电场中颗粒的运动规律发现，颗粒运动的趋势与其进入 电场的时间有关，而与其所带电荷的极性无关。上述结论通过实验得 到了初步验证。 温度和湿度也是影响电接触可靠性的重要因素。对温湿度的控制是 实验箱必须具备的功能。实验箱温湿度系统是一个大延时、多变量藕 合的系统，通过建立实验箱温湿度变化的数学模型，可以定性分析其 系统特性，为控制器的设计提供理论指导。通过设计适当的控制策略 和模糊控制器可以对其实现有效的控制。仿真表明，该控制器对系统 参数大范围变化具有很强的适应性。 关键字：电接触尘土颗粒沉积模糊控制数学模型 t h es i m u l a t l 0 n0 fe l e c t r i cc o n t a c tf a j l u r e a n dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fe x p e r i m e n tb o x o fd u s td e p o s i t l 0 n a b s t r a c t t h e r ea r en u m e r o u se l e c t r i cc o n t a c t si ne l e c t r o n i c s ，e l e c t r i c p o w e ra n d a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h e i rc a p a b i l i t ya 虢c t st h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a n de l e c t r o n i cd e v i c e s d i r e c t l y t h e r e f b r es t u d y i n g t h ee f f e c t so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so ne l e c t r i cc o n t a c tc a p a b i l i t y ；i n c l u d i n gd u s t ，a i r ， e l e c t r i cf i e l d ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n ds oo n ，w i l li m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i cs y s t e m t h ed e p o s i t i o no fd u s tp a r t i c l e so ne l e c t r i cc o n t a c ts u i f a c e sc l o s e l y r e l a t e st ot h ee l e c n i cf i e l dw h i c he x i s t sa r o u n dt h ea r e a i no r d e rt o e v a l u a t et h ea b i l i t yo fe l e c t r i cc i r c u i tw h i c ha t t r a c t sd u s tp a r t i c l e s ，an e w c r i t e r i o na n dm e t h o dw e r ei n t r o d u c e d as i m u l a t i o nu s i n gt h i sc r i t e r i o n a n dm e t h o dw a sc a r r i e do u t t h er e s u ni n d i c a t e st h a te l e c t r i cc o n n e c t o r s a b i l i t yt o a t t r a c td u s tp a n i c l e sc l o s e l yr e l a t e st ot h ev o l t a g ea n dt h e d i s t a n c eb e t w e e ni t st w ot e r m i n a l s 7 i h e s er e l a t i o n s h i p sc a nb ed e s c r i b e d b y a q u a d r a t i cp o l y n o m i a li n d e p e n d e n t l y 0 t h e r 、v i s e ，b ys t u d y i n g t h e m o t i o no fd u s tp a n i c l e sp l a c e di nc e r t a i na l t e m a t i n ge i e c t r i cf i e l d ，i tc a nb e d e t e c t e dt h a tt h e i rm o t i o nt r e n dh a sn or e l a t i o n s h i pw i t ht h ep o l a r i t yo f c h a 曙e sw h i c hc a r r i e db yt h e m ，b u tr e l a t e sw i t hw h e nt h e ya p p e a ri nt h i s e l e c t r i cf i e l d a l l lt h ec o n c l u s i o n sa b o v eh a v eb e e np r o v e db yp r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t t l e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya r ea l s ov e r yi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f ! c e c t t h ee l e c t r i cc o n t a c tr e l i a b i l i t y 7 n l ee x p e r i m e n tb o xo fd u s td e p o s i t i o n ( e b d d ) m u s tp o s s e s st h ea b i l i t yt oc o n t r o lt h e m t h ee b d ds y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a 唱e t i m ed e l a ya n dm u l t i - v a r i a b l e c o u p l i n g t h r o u g he s t a b l i s h i n g t h em a t h e m a l i c a lm o d e lo fe b d dc a n h e l p a n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg u i d et h ed e s i g no ft h ec o n t f o l l e r a n e f f b c t i v ec o n t r o lo ft h ee b d dw i l lb ec a r r i e do u tt h r o u g hd e s i g n i n ga n a p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z yc o n t r o l l e r s i m u l a t i o n si i l d i c a t et h a t t h ef u z z yc o n t r 0 1 l e ri sa d a p t a b l et ot h el a 唱e s c a l ev a r y i n go fs y s t e m p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：e l e c t r i cc o n t a c td u s tp a r t i c l e s d e p o s i t i o n f u z z yc o n t r o l m a t h e m a t i c a lm o d e l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所旱交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同 t 作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人虢j u 牛一 日期：圣望翌星：三! 墅 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属丁保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：垒丝墨：主：墨 日期：掣左! 三：竺 1 1 电接触科学简介 1 1 1 电接触的定义 北京邮电大学硕上研究生学位论文 第1 章绪论 电接触是一门研究电子连接可靠性的科学。“电接触”简单地说，就是通过机 械接触或其它连接方式以达到顺利的电气连通，是用来描述两个组件因带电接触 而产生的一种状态。这两个组件本身被称为接触件。对于电接触最主要的要求是 能够长时间地保持低且稳定的接触电阻。因此，接触件材料应当具有良好的导电 性能。在电子和电力系统中，元件之间，电路之间，设备之间乃至元件内部之间 都需要可靠的电子连接。传统上，称这门学科为电接触学科( s c i e n c eo fe l e c t r i c c o n t a c t s ) 。应用该学科理论及科研成果所制造的元件如连接器( c o l m e c t o r _ ) 、继电器 ( r e l a y ) 、开关( s w i t c h ) 、键盘( k e y b o a r d ) 、电位器( p o t e n t i a lm e t e f ) 、电刷与导电环 ( b m s l l s l i pr i n 蓟等称之为机电元件( e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n t ) ，取这个名字的原 意是指通过机械连接装置达到电子连接的目的。 各种电子与电气设备或系统，不管是通信系统、控制系统、测量系统还是电 力传输系统，都是由各种不同的电子或电气元件通过一定的连接方式或方法，连 接到一起而构成部件、设备直至整个系统。尽管连接的方式各异，如：永久性连 接( 固定连接) 包括各种焊接、压接、绕接、铆接等；半永久性连接( 半固定连 接) 包括各种电子、电气的连接器、小型开关及继电器盘、电位器等；滑动连接 包括电气及电子的导电环与电刷对；电弧连接包括各种电气、电子的开关、继电 器乃至大型断路器等。但其目的只有一个，就通过两个( 或多个) 导体的相互机 械接触而将不同的元件连接起来，从而为电信号或光信号的传输提供一条完整的、 稳定无故障的通道。 因此，电接触可以定义为：以达到顺利的电气连接为目的的机械接触或连接 方式为电接触。 对于实际接触的两个导体称为电接触对或电接触付，两个导体上实际接触表 面称为电接触表面或电接触点( 因为其很小) 或简称为电接触点( 而对于两个导 体正在接触时的接触部分，通常也合称为电接触点或触点，实际上包含了分别在 两个导体上的两个触点) 。在不会造成误解的前提下，都简单地统称电接触。 1 1 2 电接触科学的重要意义 在通信系统及电力传输系统中，存在大量的连接环节，任何一个环节出现故 北京邮电大学硕士研究生学位论文 障都会影响系统的可靠运行。因此，要使电接触点可靠工作不是件容易的事情。 与其他元件不同，接触点大多暴露在空气中，而空气中的尘土、腐蚀性气体、湿 度、温度等都会直接影响到接触点的可靠性。近年研究表明，电接触故障是数字 通信系统中高误码率的主要原因，实际上电接触发生故障相当于在电路系统中加 入一个多边的网络，从而造成误码，这种误码大多无法用电路方法来消除。 由于接触表面有一定粗糙度，真正的接触点非常小( 大多在微米级范围内) 。 一旦在该处介入灰尘颗粒或腐蚀物质，用宏观方法是无法观察到的，只有借助于 微观检测方法。由于腐蚀物质大多为绝缘物质，因此接触表面不能用普通金属， 常用的大多为贵金属，如金元素，镍元素等，因此价格也较为昂贵。 检验接触表面的质量通常用微观方法。机电元件( 如连接器) 的质量比较难 以鉴别的一个原因是时延效应。其他电子元件，如集成电路可用仪器当场鉴别， 而检验接触点质量却无法做到。比如镀金元件，有的镀金层表面微孔很多，需要 经过腐蚀，形成一定量的腐蚀物质后才能形成故障。因此，鉴别质量有一个时延 效应。这是造成难分优劣的一个主要原因。 由此可见，机电元件从设计上虽然保持一定的传统机械设计方法，但内容却 极其复杂，包括防腐蚀、防灰尘、绝缘等。因此，电接触科学及其应用是一门交 叉学科，涉及到机械、电子、材料、化学等多门学科。从可靠性角度来讲，设备 中重要的连接器，要在恶劣的环境中应用，而又要求价格低廉是很困难的。一位 法国通信公司的总裁在上世纪8 0 年代未曾估计说，在通信系统中，仅连接器、继 电器、键盘这三种元件，就大约占整个通信成本的1 5 一2 0 。仅以连接器为例， 1 9 9 7 年国际市场销售额就达到了大约2 4 0 亿美元( 不包括中国) 。 在国外，自上世纪5 0 年代起就开始了电接触科学的研究。美国通用电气、通 用汽车、日本的松下等公司都设有机电元件研究所及工厂。专门化的公司更是如 此，如美国的a m p 、m o l e x 等公司专门研究生产连接器。同时，上世纪5 0 年代 在美国成立了h o l m 电接触年会；1 9 6 4 年开始成立国际电接触委员会 ( i n t e m a t i o n a la d v i s o r yg m u p 0 ne l e c t r i cc o n t a c t ) ，负责每两年一次的国际电接触会 议，现已历时2 0 届。日本真野国夫教授领导的日本机电元件研究会，每月召开一 次学术会议，到2 0 0 7 年止，已超过6 0 0 次。 苏联与东欧国家由于军备竞赛的原因，自上世纪7 0 年代起，也开始发展这门 科学，现在已经达到很高的水平。不论西方国家还是前苏联系统的国家，电接触 科学在各国高等教育和科研中都得到非常积极的反应。电接触虽然是一门交叉学 科，但却是一门独立学科。它有独立的理论和特殊的研究方法，有独自的工业和 研究、教育体系以及独立的学术组织。电接触科学是随着电子学的发展而发展的， 并且一直是e e 学会中最活跃的分支学科之一。 综上所述，电接触是一门边缘学科，应用相当广泛，涉及到强电、弱电系统。 随着微电子和机电元件进一步向高密度、小型化发展，对电接触的性能也将提出 2 北京邮电大学硕十研究生学位论文 更高的要求。而在这一领域，连接器的可靠性又是非常重要的标准。没有可靠的 电子连接，就不可能发展先进电子学。 1 1 3 环境因素对电接触可靠性的影响 环境对于产品来说是一个无法回避的、必须加以考虑的因素。环境从各方面 使产品性能劣化，如温度、湿度破坏表面保护层，使电子元件受损产生绝缘击穿、 电阻值改变等；振动冲击造成应力腐蚀；大气中的盐和其它污染物引起化学腐蚀 等。环境的破坏作用会降低产品的使用寿命，有些产品甚至在投入使用前的运输 和储存中就已经损坏了。多年来积累的统计数据表明，环境引起产品的故障数占 总故障的5 2 左右，在这5 2 的故障中，各种环境引起的故障百分比如图1 1 所 示。从图1 1 可见，大部分故障是由温度、湿度和振动环境引起的。 图卜l 各种环境引起的故障百分比 下面以电接触领域来说明环境试验的重要性。 电接触元件易受周围环境( 大气尘土、腐蚀性气体、温度与湿度等) 的影响， 而造成接触故障。我国是个多尘土的国家，尘士的污染非常严重。研究表明：尘土 污染是造成机电元件电接触故障的主要原因之一【1 卅。尘土直接吸附在机电元件接 触表面上，会造成闭合时的高电阻值，尘土也可在电镀金的过程中吸附在镀件表 面而形成镀金表面微孔。尘土成分中含有可溶性盐，当其附着在微孔附近，在潮 热环境下会形成电解液，使微孔底部金属腐蚀，腐蚀生成物蔓延聚集到微孔表面 也会出现高接触电阻。 连接器都工作在一定的环境中，主要包括尘土颗粒浓度、接触表面的形貌、 粗糙度、尘土的带电量、通过触点的电流产生的焦耳热、环境的温湿度、外界振 动和连接器工作时在周围产生的电磁场等等，这些都是影响颗粒在触点附近吸附 3 北京邮电人学顾十研究生学位论文 从而引起腐蚀的因素。 为了模拟周围环境对电接触可靠性的影响，需要设计研制尘土实验箱。使用 尘土实验箱可以模拟出在外部条件的作用下，不同环境对电接触可靠性的影响， 以及尘土是否可到达电连接器内部的敏感部位，从而造成电连接故障。 1 2 主要工作及意义 由于连接器失效是多种因素共同作用的结果，而且他们之间也会相互影响。 比如连接器通过的电流越大，其发热量、产生的电磁场和对空气对流的影响也越 大。将所有这些因素耦合在一起进行仿真是不可能的，所以只有把连接器或复杂 设备置于较真实的环境中才能更好的评估连接器的综合性能。因此需要一种实验 箱能够在提供恒温恒湿环境的同时，能够保证实验环境有恒定的颗粒浓度，并且 可以给样品施加热载荷和电压、电流载荷。该实验箱还需要具有较大的灵活性， 可以评估连接器某一方面的性能。 本论文的主要工作有两部分： 首先，探讨尘土颗粒的带电特征和连接器自身电场对电接触表面尘土颗粒沉 积的影响。这部分工作主要是通过理论分析结合a n s y s 方针和后期数据处理进 行，并且通过设计试验来验证分析结果。 然后，建立系统温湿度变化模型，并设计相应的控制方法。温湿度控制是试 验箱最重要的功能之一，由于温湿度控制的大延时和耦合特性，他也是尘土沉积 试验箱设计过程中的一个难点。这部分主要工作是确定温湿度调节方案，建立实 用、简单的数学模型，设计控制策略和方法，并用m a n a b 进行仿真分析。 4 北京邮屯大学硕上研究生学位论文 第2 章连接器自身电场对电接触表面尘土颗粒沉积的影响 尘土颗粒本身可能带电，而连接器在工作中也通常处在特定的状态下( 如接 通和断开状态) ，连接器会因此在其周围产生电磁场，并影响带电颗粒的运动。本 章将探讨尘土颗粒的带电特征和连接器自身电场对电接触表面尘土颗粒沉积的影 响。 2 1 尘土颗粒的带电特征 尘土颗粒在电接触表面的吸附与它带有的电荷和外加电场有着密切的联系。 当带电尘土颗粒接近接触表面时，颗粒与表面之间建立的电场会增加尘土颗粒在 表面吸附的可能性。当空间存在外加电场时，带电尘土颗粒会在电场力的作用下， 加速吸附在电接触表面上。 使用s e m s ( 电子扫描电镜和x 射线能谱仪) 对失效的连接器触点进行分 析发现：触点接触区域的污染远远高于非接触区域。进一步的研究发现：污染物 中主要成分为尘土。这种现象是由于机电元件在使用过程中是带电的，触点接触 区域的电场强度高于非接触区同。 因此，通过仿真研究尘土颗粒在连接器产生的电场( 外电场) 作用下的受力 状态和行为特征，对于研究尘土颗粒在电接触表面的吸附行为有着重要的指导意 义。 尘土颗粒部分带正电荷，部分带负电荷，少量不带电。其中，相同尺寸的颗 粒中，带正电荷的颗粒多于带负电荷的颗粒。尘土颗粒的微观形貌非常复杂，为 了简化尘土颗粒的模型，将尘土颗粒视为理想的球体，仿真计算中所涉及的尘土 颗粒的各项参数和计算公式如下1 6 j ： 尘土平均密度( j d ) ：2 3 1 0 3 堙，1 3 尘土颗粒半径取值范围( r ) ：0 4 2 5 肛m 尘土颗粒所带负电荷量的变化趋势： y ；1 0 缸3 + 8 7 2 1 0 - 6 2 2 7 5 4 1 0 一1 3 z + 1 5 8 1 0 一1 8( 式2 1 ) 尘土颗粒所带正电荷量的变化趋势： y ：5 2 5 x 3 1 0 6 1 0 5 x 2 + 3 7 2 1 0 1 1 z 一1 3 4 1 0 1 7( 式2 2 ) 式中，y 表示带电量，单位为库仑( c ) ；x 表示颗粒半径，单位为m 。 尘土颗粒质量计算公式： 5 北京邮电大学硕十研究生学位论文 m ：要刀尺3 p ( 式2 3 ) 式中，m 表示尘土颗粒质量，单位为千克( k 酚。 尘土颗粒质量取值范围：0 6 1 6 6 1 0 。1 5 姆1 5 0 5 3 4 6 1 0 。1 5 船 尘土颗粒带负电荷电量范围( q ) ：2 7 3 8 9 1 0 。1 8 c 一7 0 。1 3 2 5 1 0 _ 1 8 c 式2 1 和式2 2 在【0 4 1 0 ，2 5 1 0 “】区间内的曲线如图2 1 所示。 图2 - l 尘土颗粒带电量随半径变化趋势图 如上图所示，在0 5 1 4 0 7 1 0 由m c 、 a d ， ( 0 ，一2 ) 图2 7 捕获区域面积计算 当曲线为单值时，捕获区域面积计算公式如下。 娩 r ( y ( ，) + 2 ) 劢出 式( 2 8 ) ， 而 其中x l 为积分下限，即曲线最左侧点，x 2 为积分上限。 当曲线为非单值时，将曲线分为若干段，分别计算捕获区域面积。对于图2 8 所示的曲线，将a b 、b c 和c d 段分别积分。 1 4 北京邮电大学硕l j 研究生学位论文 2 2 4 电压对捕获区域面积的影响 电源电压越高，球形触头与接触平面之间的电势差也越大，连接器周围电场 分布也会发生变化。通过固定问距d ，改变施加在s 1 上的电压载荷( v ) ，观察捕 获区域面积的变化，来研究电压与捕获区域面积之问的关系。 1 d = 1 m m ，v = 6 v 通过a n s y s 仿真得到的电场强度矢量分布如图2 1 0 所示。 图2 1 0d = 1 m m ，v = 6 v 时的电场强度矢量 采用2 2 3 节中的方法，可以得到等场强曲线及其拟合多项式。 ，y ( z ) 。o 2 4 9 4 1 ：+ o 4 6 8 2 3 一o - 舭2 + o 0 2 1 概3 ( _ o 1 x 2 3 ) 式( 2 9 ) ly ( z ) = 哨+ 1 眦2 等场强曲线如图2 1 1 所示。 北京邮电大学硕十研究生学位论文 i ： 图2 1 1d = 1 m m ，v = 6 v 时的等场强曲线 然后采用公式( 2 8 ) 对( 2 9 ) 的两个区间分别进行积分，两者结果之和为捕 获区域面积。 2 万( 2 + 0 2 4 9 4 1 9 + 0 4 6 8 2 3 跚一0 3 0 0 3 4 4 2 2 + 0 0 2 1 4 9 7 5 2 3 ) 出= 3 4 9 7 8 2 2 万( 2 + 一x + 1 q x 2 ) d x = 1 3 0 9 s ：s 1 + s 2 ：3 6 2 8 7 2 ，扎，卵2 2 d = 1 m m ，v = 1 2 v 通过a n s y s 仿真得到的电场强度矢量分布如图2 1 2 所示。 图2 1 2d = 1 m m ，v = 1 2 v 时的电场强度矢量 1 6 ”，蚍。厂叭 = = 1 2 s s 北京邮电大学硕_ 上研究生学位论文 可以看到，除了电场强度值普遍增大外，看不出图2 一1 2 与图2 1 0 有任何区别。 通过观察提取出来的等场强点发现，所有点都落在一个圆弧附近。经计算， 可以得出当d = 1 m m 且v = 1 2 y 时，等场强曲线为一圆弧，该曲线函数如式( 2 1 0 ) 所示。 一2 ) 2 + ( y + 0 5 2 ) 2 = 2 0 6 6 5 2( 0 x 0 ) 式( 2 1 0 ) 等场强曲线如图2 1 1 所示。 m 图2 1 1d = 1 m m ，v = 1 2 v 时的等场强曲线 采用式( 2 8 ) 对( 2 1 1 ) 进行积分，可得捕获区域面积。 s ：；幼( 2 + ( 瓜蕊i 虿乩5 2 ) ) 出= 7 9 0 5 3 2 姗z 3 d = 1 m m ，v = 3 6 v 此时的电场强度矢量图与v = 6 v 和v = 1 2 v 时的矢量图极其相似。 通过观察提取出来的等场强点发现，所有点都落在一个圆弧附近。经计算， 可以得出当d = 1 m m 且v = 3 6 v 时，等场强曲线为一圆弧，该曲线函数如式( 2 1 1 ) 所示。 0 4 0 9 1 7 5 ) 2 + ( 夕+ 0 2 6 ) 2 = 4 1 2( 0 x 0 ) 式( 2 1 1 ) 等场强曲线如图2 1 4 所示。 1 7 北京邮电大学硕十研究生学位论文 图2 1 4d = 1 m m ，v = 3 6 v 时的等场强曲线 通过式( 2 8 ) 对( 2 1 1 ) 进行积分，可得捕获区域面积。 8 1 8 3 5 一 s = r 幼( 2 + 4 1 2 0 4 0 9 1 7 5 ) 2 一o 2 6 ) 出a2 5 5 3 5 8 m m 2 4 捕获区域面积随电压的变化规律 球形触头与接触平面之间的电压与捕获区域面积的关系如下表。 表2 2电压与捕获区域面积的关系 m 电压( v ) 捕获区域面积( 聊胁2 ) 63 6 2 8 7 2 1 27 9 0 5 3 2 3 62 5 5 3 5 8 可以通过一个2 次多项式来描述这种关系，如式( 2 1 2 ) 。 s ：6 1 9 4 7 6 z + 0 0 2 5 0 1 6 2 2 当电压较小时，捕获区域面积与电压主要呈线性关系，当电压大于2 5 0 v 左右 时，捕获区域面积与电压的平方成正比。如图2 1 5 所示。 1 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 飞 v 图2 1 5 捕获区域面积随电压的变化趋势 本文建立了一个简单且典型的模型，提出了衡量不同电压下连接器对带电颗 粒吸引作用的标准和捕获区域面积的计算方法，并通过a n s y s 仿真和数学计算 等方法，得出了在该标准下，捕获区域面积随电压的变化趋势。该标准和捕获区 域面积计算方法的提出，对于研究连接器周围电场对带电颗粒的吸引作用有着一 定的帮助作用和借鉴价值。而捕获区域面积随电压的变化趋势，对今后相关方面 的研究会具有一定的指导意义。 2 2 5 接触对间距对捕获区域面积的影响 球形触头与接触平面之间间距的变化，必然引起周围电场分布的改变。通过 固定s 1 上的电压载荷v ，改变问距d ，观察捕获区域面积的变化，来研究间距d 与捕获区域面积之间的关系。取v = 1 2 v ，对d = 1 m m 、2 m m 和4 m m 分别进行分析。 d = 1 m m 的情况在上一节已经进行了分析，以下不再重复。 1 v = 1 2 v ，d = 2 m m 通过a n s y s 仿真得到的电场强度矢量分布如图2 1 6 所示。 1 9 北京邮电人学硕j ：研究生学位论文 图2 1 6d _ 2 m m ，v = 1 2 v 时的电场强度矢量 采用2 2 3 节中的方法，可以得到等场强曲线及其拟合多项式。 y ( x ) 26 3 7 4 9 h 一1 3 1 5 6 6 x 2 + 1 2 1 6 1 5 2 3 5 7 7 6 1 敬4 式( 2 1 3 ) + 1 4 7 7 9 3 x 一0 1 9 4 2 8 3 x 6 + 0 0 1 0 2 9 h 7 等场强曲线如图2 1 7 所示。 】- ： 1 z 。 嘎 图2 1 7d = 1 m m ，v = 1 2 v 时的等场强曲线 然后通过公式( 2 8 ) 对式( 2 1 3 ) 进行积分，得到捕获区域面积。 5 ? 2 兀( 2 + 6 3 7 4 9 h 一1 3 1 5 6 缸2 + 1 2 1 6 1 缸3 5 7 7 6 1 戤4， s = 、 。 。， 出= 9 3 0 5 9 8 优聊2 5 + 1 4 7 7 9 3 x 一0 1 9 4 2 8 3 戈6 + 0 0 1 0 2 9 h7 1 2 v = 1 2 v ，d = 4 m m o 0 o 0 北京邮电人学硕十研究生学位论文 通过a n s y s 仿真得到的电场强度矢量分布如图2 1 8 所示。 图2 一1 8d = 4 咖，v = 1 2 v 时的电场强度矢量 采用2 2 3 节中的方法，可以得到等场强曲线及其拟合多项式。 ，y “) = 一1 9 3 1 3 9 x 一1 4 2 9 0 1 j c 2( 一o 3 4 9 x o ) iy “) = o 7 0 7 2 6 5 + o 4 2 8 5 6 及一o 4 5 4 2 2 呶2 + o 0 6 4 2 5 6 h 3 + o 0 1 9 3 7 1 吼4 一o 0 0 3 7 8 3 4 戤5( 一o 3 4 9 工 3 8 2 3 )式( 2 1 4 ) ly ( r j = 0 3 9 9 9 4 5 + 0 0 1 2 1 2 4 研一o 0 0 6 8 6 2 钒2( 3 8 2 3 工 6 3 5 3 ) ly 扛) = 一0 8 4 9 2 6 6 + 0 0 0 6 3 8 4 1 9 x + 0 0 2 4 9 9 2 4 x 2 ( 5 7 0 3 工 6 3 5 3 ) 等场强曲线如图2 1 9 所示。 。- 8 l234s6 图2 1 9d = 4 m m ，v = 1 2 v 时的等场强曲线 2 l 北京邮电大学硕上研究生学位论文 然后采用公式( 2 8 ) 对式( 2 1 3 ) 进行积分，得到捕获区域面积。 s 1 = r 幼( 一1 9 3 1 3 吼一1 4 2 9 0 h 2 + 2 ) 出= 4 9 9 7 4 8 稿4 9 王霉幼f 0 7 0 7 2 6 5 + 0 4 2 8 5 6 缸一0 4 5 4 2 2 2 + 0 0 6 4 2 5 6h 5 名4 9 + o 0 1 9 3 7 1 呶4 0 0 0 3 7 8 3 4 缸+ 2 ) 5 2 = f 、 出= 6 6 3 5 3 5 s 3 = r 劢( o 。3 9 9 9 4 5 + o 0 1 2 1 2 4 缸一o 0 0 6 8 6 2 叙2 + 2 ) 出= 3 6 2 4 9 3 墨2 3 s 4 ；r 幼( 一o 8 4 9 2 6 6 + o 0 0 6 3 8 4 1 蛾+ o 0 2 4 9 9 2 缸2 + 2 ) 出= 8 5 6 9 3 6 5 = = ；0 3 s 。s 1 + s 2 + s 3 + s 4 ：1 1 6 1 6 9 聊，竹2 3 捕获区域面积随间距的变化规律 球形触头与接触平面之间的间距与捕获区域面积的关系如下表。 表2 3间距与捕获区域面积的关系 间距( m m ) 捕获区域面积( ，l 川2 ) 1 7 9 0 5 3 2 2 9 3 0 5 9 8 4 1 1 6 1 6 9 可以通过一个2 次多项式来描述这种关系，如式( 2 1 5 ) 。 s = 6 3 4 1 1 9 + 1 6 4 5 8 缸一o 8 1 7 3 3 缸2 ( 0 石) 在电压一定的情况下，捕获区域面积与间距之间存在抛物线关系，如图2 2 0 所示。当间距较小时，捕获区域面积随着间距增大而增大，当间距大于一定量时， 捕获区域面积随间距增大而减小。前者主要原因是，间距增大使平面和触头之间 的空间增大，电场能够分布在更广的空间内。当间距相对于电压过大时，电场强 度会急剧下降，导致捕获面积减小。 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文 图2 2 0 捕获区域面积随间距的变化趋势 2 2 6 尘土颗粒沉积区域分析 当间距较小时，电场强度矢量分布一般如图2 2 1 所示。 图2 2 1 电场强度分布 电场强度较大的区域主要集中在球形触头顶部，靠近接触平面的部分。连接 器外侧( 上图中a 、b 、c 区域) 电场强度明显低于中间部分。a 和c 区域内的电场 北京邮电大学硕士研究生学位论文 强度在x 方向上的分量较大，而b 区域的电场强度在y 方向上的分量较大。 电场强度的方向性将对颗粒吸附产生很大的影响。在连接器外侧，x 方向的分 量在颗粒吸附过程中将发挥主要作用，因为它作用于颗粒上的电场力直接指向连 接器，电场力的方向与带电颗粒的极性有关。而在连接器外侧，y 方向的分量并 不指向连接器，它作用于带电颗粒上的电场力仅仅加速颗粒在垂直方向的运动。 因此，当v 方向的电场强度分量明显大于x 方向时，可以有效减少带电颗粒在连 接器上的吸附量。 2 3 恒定磁场对电接触表面尘土颗粒沉积的影响 当连接器处于工作状态时，流过连接器的电流会产生磁场。相对于连接器产 生的电场，磁场对于带电颗粒运动的影响是否显著，决定着是否需要考虑磁场因 素。本节将通过一个简单的无限长导线模型大致判断该磁场对带电颗粒运动的影 响水平。 带电颗粒所受磁场力f 可以通过式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 计算，其中b 为连接 器产生的磁场在空间某点处的磁感应强度，v 为带电颗粒的运动速度，q 为颗粒的 带电量，d z 为沿电流方向的导线长度微元，r 为d z 到空间某固定点的矢量，鳓为 一常数，鳓= 锄1 0 。 f = g ，曰 扭2 等。帑 4 万 i ，i ( 式2 1 6 ) 假设无限长导线上流过的电流为1 a ，在距离导线5 m m 处的磁感应强度为 4 1 0 。4 r 。考虑极端情况，即颗粒质量取下限o 6 1 6 6 1 0 。1 5 堙，带电量取上限 7 0 1 3 2 5 1 0 - 1 8 c ，颗粒运动速度取1 m s ，此时磁场力作用产生的加速度 口；f 朋：4 5 5 1 0 。5 m s 2 。在这种极端情况下，颗粒的加速度远远也小于正常情 况下电场作用而产生的加速度。所以，与静电场相比，可以忽略恒定磁场产生的 影响。 2 4 低频交变电场对电接触表面尘土颗粒沉积的影响 由于电场的方向和强度不断发生变化，低频交变电场对带电颗粒运动的影响 北京邮电大学硕士研究生学位论文 肯定不同于静电场。本节将通过一个理想模型来进行分析。 2 4 1 建立模型 该理想模型满足以下假设： 1 任意时刻，空间内各点电场强度相同。 2 所有点处的电场强度按照正弦规律变化。 3 带电颗粒进入该电场的时刻是随机的，且初速为零。 在以上假设下，电场强度e 如式( 2 1 8 ) 所示，为角速度，d 加甜表示颗粒 进入时间与初始时间的差值，a 表示电场强度的最大幅值。 e = 彳s i n 【o + 例弦甜) 】 式( 2 - 1 8 ) 根据以下公式就可以计算出在任何时刻进入该电场的带电颗粒的运动规律，y 表示任意时刻带电颗粒的速度，s 表示任意时刻带电颗粒的位移。 4 = ( 留e ) ，竹 式( 2 1 9 ) v2 l 础一v 。 式( 2 2 0 ) s2 严2 忏班+ 渺 式( 2 2 1 ) v 和s 的表达式分别为式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 。 2 4 2