Analyse numérique et expérimentale du comportement électrique, mécanique et thermique des contacts électriques dans les domaines de forces (1 à 100 N) et de courants (1 à 100 A)
Institution:
Rennes 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work analyses the mechanical, electrical and thermal behaviour and wear of the connectors used in the force domains (1 to 100 N) and current domains (1 to 100 A). This study is based on experimental measurements and finite element modelling using the Ansys code. When the connector is subjected to high currents, it experiences a heating caused by the Joule effect due to the intrinsic resistance of the connection. Moreover, excessive heat may lead to the risk of connector deterioration; this requires development of new connectors which are resistant to high temperature. In this context, we analyse the contact resistance characterization and the heating for currents in the range 1 to 100 A, of samples made with high copper alloys and subjected to different contact forces. The tested samples have different sizes and shapes. Finite element simulations were also undertaken to characterize the influence of the contact surface roughness on the contact resistance. Finite element optimization of the sample shapes for high copper alloys allows minimization the contact resistance (or of the sample volume), taking into account geometrical and physical constraints. In addition, we propose a contact resistance law versus force. We also analyzed the wear contact interfaces when a dynamic force is applied with low and high frequencies, in order to study the evolutions of wear rate and of contact resistance during vibration cycles.
Abstract FR:
Ce travail s’intéresse à l’étude du comportement (mécanique, électrique et thermique) et à l’usure des connecteurs utilisés dans les domaines de forces (1 à 100 N) et de courants (1 à 100 A). Cette étude s’appuie sur une compagne expérimentale et sur une modélisation par éléments finis utilisant le code Ansys. Le connecteur lorsqu’il est soumis aux forts courants supporte un échauffement provoqué par effet Joule dû à la résistance intrinsèque de la liaison. Par ailleurs, cet échauffement s’il est excessif peut représenter des risques de détérioration des connecteurs; ce qui nécessite donc de concevoir de nouveaux connecteurs qui y résistent. Dans ce contexte, nous nous sommes penchés sur la caractérisation de la résistance du contact ainsi qu’à l’échauffement dans le cas de courants variant de 1 à 100 A, pour des échantillons conçus avec des alliages à haute teneur en cuivre soumis à différentes forces de contact. Les échantillons testés possèdent différentes dimensions et formes. Parallèlement à ces études expérimentales, des modélisations par éléments finis ont été entreprises afin de caractériser l’influence de la rugosité des surfaces en contact sur la résistance. Une optimisation par éléments finis de la forme d’éprouvettes en divers alliages de cuivre conduit à la minimisation de la résistance de contact (ou du volume de l’éprouvette) sous des contraintes géométriques et physiques. D’autre part, une loi reliant la résistance électrique à la force de contact est proposée. Enfin, nous avons analysé l’usure des interfaces de contact sous sollicitations dynamiques (faibles et hautes fréquences) afin d’étudier l’évolution du taux d’usure et de la résistance de contact lors de cycles de vibration.