Exploración de la aplicación de materiales PPS de alta amortiguación en la amortiguación del sistema de control eléctrico

I. introducción: una dimensión de rendimiento ignorada

Sulfuro de PolifenilenoPP) con su excelente resistencia al calor, resistencia a la corrosión química y estabilidad dimensional, ha sido ampliamente utilizado en sistemas de control eléctrico de vehículos de Nueva energía, conectores eléctricos y otros campos. Sin embargo, hay una dimensión de rendimiento que ha sido ignorada por la industria durante mucho tiempo.Rendimiento de amortiguación.

La amortiguación, es decir, la capacidad del material para absorber la energía de vibración, generalmente se mide por un factor de pérdida (tan delta). Para los componentes eléctricos instalados en un entorno vibrante, ya sea una caja de unión alrededor del motor, un conector cerca del motor o una carcasa del inversor integrada en el conjunto de accionamiento eléctrico, la capacidad de amortiguación del material está directamente relacionada con la estabilidad de contacto de los terminales, la vida de fatiga de los puntos de soldadura e incluso la fiabilidad a largo plazo de todo el sistema.

Desafortunadamente, la rutinaPPSEl factor de pérdida a temperatura ambiente es extremadamente bajo. Los estudios de la industria muestran que aunque el PPS tiene un factor de pérdida más alto a temperaturas más altas (por ejemplo, por encima de 100 ° c), el factor de pérdida es muy bajo en el rango de temperatura ambiente de 100 ° C y por debajo. Esto significa que cuando la vibración se conduce a una caja de unión o conector hecho de pps, la energía de vibración se transmite casi en su totalidad a los puntos de terminal o soldadura en el interior, y la acumulación a largo plazo puede causar aflojamiento de contacto, aumento de resistencia, calor e incluso erosión.

La industria no es ajena a este problema. En el motorcontroladorEn aplicaciones como conectores de alta tensión, los ingenieros suelen compensar la falta de amortiguación del material en sí aumentando las juntas de Goma y optimizando el diseño estructural. Sin embargo, estos esquemas aumentan el número de piezas, el proceso de montaje y el costo, y la ruta de amortiguación depende de la estructura externa en lugar de las características propias del material. Si este problema se puede resolver desde el nivel de materiales, proporcionará un nuevo grado de libertad para el diseño de amortiguación del sistema de control eléctrico.

Wolf Chemical ha llevado a cabo una exploración y verificación continuas en esta dirección, y ahora comparte los resultados preliminares con sus colegas de la industria.

　2. situación actual de la industria: deficiencias de amortiguación de los PPS convencionales

¿2.1 ¿ por qué los PPS convencionales tienen una baja amortiguación?

La cadena Molecular PPS está formada por anillos de benceno y átomos de azufre dispuestos alternativamente, con una estructura altamente regular y una cristalidad generalmente entre el 50% y el 60%. Esta estructura ordenada da al PPS una excelente rigidez y resistencia al calor, pero también trae un efecto secundario:

El Movimiento de los segmentos de la cadena molecular es limitado: a temperatura ambiente, la cadena Molecular PPS está en un Estado "congelado" y es difícil disipar la energía de vibración a través de la fricción interna entre las cadenas moleculares.

El factor de pérdida es extremadamente bajo: tan Delta suele ser de solo 0001 a 0,06 a temperatura ambiente, y básicamente no tiene capacidad de amortiguación y absorción de choque.

La Dependencia de la temperatura es obvia: el rendimiento de amortiguación del PPS solo aumentará significativamente a temperaturas más altas, pero esto ha superado el rango de trabajo a temperatura ambiente de la mayoría de los componentes eléctricos.

2.2 Situación actual de la industria

En la actualidad, en la industria, no se ha prestado atención general al rendimiento de amortiguación de los materiales de aislamiento PPS controlados electrónicamente por motores, y todos piensan que los materiales PPS son así.

2.3 necesidades no atendidas

En el contexto del desarrollo del sistema de control eléctrico de los vehículos de nueva energía hacia una alta integración y densidad de alta potencia, la carcasa del inversor, la Caja de conexiones, los conectores y otros componentes se enfrentan a condiciones de vibración cada vez más estrictas. La industria tiene una demanda clara y urgente de materiales que "mantengan las ventajas inherentes del PPS y tengan una buena capacidad de amortiguación". Cuanto mayor sea el coeficiente de amortiguación, más débil será la vibración estructural y menor será el ruido, lo que es de importancia directa para mejorar el rendimiento nvh del vehículo.

3.1 ideas de diseño

En la práctica de modificación funcional de PPS a largo plazo, el equipo de Wolf ha formado gradualmente un conjunto de ideas de "diseño estructural multifásico". La idea central es que al construir una "unidad de disipación de energía" a escala microscópica en una matriz pps, el material puede convertir eficientemente la energía mecánica en energía térmica cuando está sujeto a vibraciones y disiparla.

Específicamente, esta idea de diseño incluye los siguientes niveles:

(1) la matriz se mantiene continua

Como fase continua, el PPS garantiza que la resistencia al calor, la resistencia química y la estabilidad dimensional del material en su conjunto no se vean afectadas. Esta es la premisa de todas las modificaciones: las ventajas fundamentales del PPS no se pueden sacrificar por la amortiguación.

(2) introducción de microzonas flexibles de consumo de energía

Introducir microesferas flexibles con buena compatibilidad con PPS en la matriz. Estas microesferas experimentan una deformación viscosa - elástica reversible cuando se someten a tensiones alternadas, y la fricción interna entre los segmentos de la cadena Molecular convierte la energía mecánica en energía térmica, que es el principio básico de la amortiguación viscosa - elástica.

(3) construcción de unidades de consumo de energía de fricción de interfaz

Se introdujo un segundo componente moderadamente unido a la interfaz de la matriz pps. En condiciones de vibración, se produce un pequeño desplazamiento relativo (fricción interna) entre el componente y la matriz, consumiendo energía de vibración adicional. Este mecanismo es similar a la versión microscópica del "amortiguador de fricción" comúnmente utilizado en ingeniería.

(4) sinergia multiescala

La microzona flexible y la unidad de fricción de interfaz tienen diferentes bandas de respuesta y mecanismos de consumo de energía complementarios. La sinergia entre los dos puede lograr un efecto de amortiguación de banda más ancha.

3.2 propiedades típicas

Después de la optimización sistemática de la fórmula y la exploración del proceso, las propiedades típicas de los materiales PPS de alta amortiguación Wolf (pps + gf40) son las siguientes:

En cuanto al coeficiente de amortiguación: un factor de pérdida superior a 0,20 significa que el material puede convertir alrededor del 23% de la energía de vibración en energía térmica y disiparla. Como referencia, este valor del PPS convencional es de aproximadamente 1% a 2%, con un aumento de más de un orden de magnitud. Por el contrario, el valor de amortiguación del acero es mucho menor que este, y el rendimiento de amortiguación tiene un impacto significativo en el rendimiento de nvh.

En cuanto a las propiedades mecánicas: mientras que el coeficiente de amortiguación ha aumentado considerablemente, la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y la resistencia al impacto no han disminuido, o incluso han aumentado ligeramente. La extensión de rotura supera el 2,2%, mejor que el PPS reforzado con fibra de vidrio convencional al 40%, lo que significa que el material tiene más "espacio tolerante a fallas" cuando está sometido a vibraciones, expansión térmica y contracción fría o tensión de montaje. El módulo de flexión se redujo de 14 GPA a 11 gpa, que sigue siendo mucho más alto que los plásticos de ingeniería ordinarios, y sigue siendo abundante para piezas estructurales de paredes delgadas como cajas de unión y carcasas de control eléctrico.

En cuanto a la resistencia al calor y al aislamiento: la temperatura de deformación térmica se mantiene por encima de 260 ° c, comparable a los PPS convencionales, y puede soportar la soldadura de retorno sin plomo y las condiciones de alta temperatura de la clase de automóvil. La resistencia al volumen se mantiene en el nivel de 10 Omega · cm, cumpliendo con los requisitos de aislamiento de los componentes eléctricos de alta tensión.

　IV. posibles áreas de aplicación

Sobre la base de las características del material mencionadas anteriormente, las siguientes categorías de aplicaciones pueden beneficiarse de la introducción de PPS de alta amortiguación:

4.1 carcasa del inversor / controlador del motor (combinada con el material de blindaje de absorción Wolf emc)

Como componente de potencia central del sistema de control eléctrico, el inversor tiene fuentes complejas de vibración, tanto la excitación interna producida por el interruptor de alta velocidad del dispositivo de potencia como la transmisión externa del motor y la carretera. El interior de la carcasa está integrado con una placa de control, una placa motriz y una variedad de sensores, que tienen una demanda rígida de amortiguación. El material de la carcasa de alta amortiguación puede mejorar el rendimiento de vibración del sistema sin agregar piezas adicionales.

4.2 cajas de unión y conectores para automóviles

La Caja de terminales contiene varios puntos de conexión de terminales, y la vibración a largo plazo puede causar aflojamiento de terminales y aumento de la resistencia de contacto, lo que a su vez puede causar calor local e incluso ablación. El PPS de alta amortiguación puede absorber la energía de vibración del nivel del material, reducir la amplitud de vibración transmitida a los terminales y mejorar la fiabilidad a largo plazo.

El motor produce una vibración de banda ancha durante el trabajo, y los sensores y ejecutores instalados en o cerca de la carcasa del motor soportan esta vibración durante mucho tiempo. Los materiales de alta amortiguación ayudan a proteger los componentes de precisión interna y reducir el riesgo de temblores de señal y cortes instantáneos de contacto.

4.4 componentes eléctricos en otros entornos vibrantes

Todos los componentes PPS que funcionan en un entorno vibrante, como terminales de compresores, conectores de bomba, placas finales de módulos de batería, etc., tienen un valor de aplicación potencial.

V. observaciones finales

El desarrollo de materiales de PPS de alta amortiguación es un intento exploratorio de Wolf Chemical en el campo de los PPS funcionales. Partiendo del diseño de materiales más básico, sin sacrificar las ventajas inherentes de pps, hemos logrado una mejora sustancial en el rendimiento de amortiguación, de 0,01 a 0,02 a 0,20 - 0,35, un aumento de más de un orden de magnitud.