Исследование применения высокодемпфирующих материалов PPS в демпфировании электрической системы управления

Введение: забытое измерение производительности

ПВХ (ППБлагодаря своей превосходной термостойкости, химической коррозионной стойкости и стабильности размеров, она широко используется в новых энергетических системах управления автомобилями, электрических разъемах и других областях. Однако есть одно измерение производительности, которое долгое время игнорировалось промышленностью -демпфирующее свойствоА.

Демпфирование, то есть способность материала поглощать вибрационную энергию, обычно измеряется коэффициентом потерь (tan дельта). Для электрических компонентов, установленных в вибрационной среде - будь то соединительная коробка вокруг двигателя, соединитель вблизи двигателя или корпус инвертора, встроенный в агрегат электропривода - демпфирующая способность материала напрямую связана с контактной стабильностью зажима, усталостным сроком службы точки сварки и долгосрочной надежностью всей системы.

К сожалению, обычныеППСФактор потерь при комнатной температуре крайне низок. Промышленные исследования показывают, что, хотя PPS имеет более высокие коэффициенты потерь при более высоких температурах (например, при температуре выше 100 ° C), коэффициент потерь в диапазоне комнатной температуры ниже 100 ° C очень низок. Это означает, что, когда вибрация передается в соединительную коробку или разъем, изготовленный из PPS, энергия вибрации почти полностью передается во внутренний клеммный контакт или точку сварки, а долгосрочное накопление может привести к ослаблению контакта, увеличению сопротивления, нагреванию и даже абляции.

Промышленность не упускает из виду эту проблему. В мотореконтроллерВ таких приложениях, как высоковольтные разъемы, инженеры обычно компенсируют недостаток демпфирования самого материала, добавляя резиновые прокладки и оптимизируя конструкционный дизайн. Но эти схемы увеличивают количество деталей, процесс сборки и стоимость, а пути демпфирования зависят от внешних конструкций, а не от свойств материала. Если эта проблема будет решена на материальном уровне, это обеспечит совершенно новую степень свободы для амортизационного проектирования электрической системы управления.

Компания Wolf Chemical проводит непрерывные исследования и проверки в этом направлении и делится предварительными результатами с коллегами по отрасли.

　II. Текущее состояние отрасли: демпфирующая короткая доска обычной PPS

2.1 Почему обычные PPS имеют низкое затухание?

Молекулярная цепь PPS состоит из бензольного кольца поочередно с атомами серы, структурная высота упорядочена, кристаллизация обычно составляет от 50% до 60%. Эта упорядоченная структура обеспечивает превосходную жесткость и термостойкость PPS, но также имеет побочный эффект:

Движение сегмента молекулярной цепи ограничено: при комнатной температуре молекулярная цепь PPS находится в « замороженном» состоянии, что затрудняет рассеивание энергии вибрации внутренним трением между молекулярными цепями

Коэффициент потерь крайне низок: при комнатной температуре tan дельта обычно составляет всего 0001 ~ 0,06, в основном не обладает амортизационной поглощающей способностью

Температурная зависимость очевидна: демпфирующие свойства PPS значительно повышаются при более высоких температурах, но это выходит за рамки работы при комнатной температуре большинства электрических компонентов

2.2 Текущее состояние отрасли

В настоящее время в отрасли электро - управляемые изоляционные материалы PPS, не уделяют всеобщего внимания демпфирующим свойствам, все считают, что материалы PPS таковы.

2.3 Неудовлетворенные потребности

На фоне развития электрической системы управления новым энергетическим автомобилем в направлении высокой интеграции и высокой плотности мощности корпус инвертора, соединительная коробка, соединитель и другие компоненты сталкиваются со все более жесткими вибрационными условиями. Отрасль имеет четкую и насущную потребность в материалах, которые « сохраняют как присущие PPS преимущества, так и хорошую демпфирующую способность». Чем больше коэффициент демпфирования, тем слабее структурная вибрация, тем ниже шум, что имеет непосредственное значение для улучшения производительности NVH всего автомобиля.

3.1 Дизайнерские идеи

В долгосрочной практике функциональной модификации PPS команда Вольфа постепенно сформировала набор идей « многофазного структурного дизайна». Основная идея заключается в том, что, создавая « рассеивающие ячейки энергии» в микроскопическом масштабе в базе PPS, материал может эффективно преобразовывать механическую энергию в тепловую энергию и рассеиваться при вибрации.

В частности, эта дизайнерская идея включает в себя следующие уровни:

(1) Сохранение непрерывности матрицы

PPS как непрерывная фаза гарантирует, что общая термостойкость, химическая стойкость и стабильность размера материала не будут затронуты. Это предпосылка всех модификаций - фундаментальные преимущества PPS не могут быть принесены в жертву для демпфирования.

(2) Введение гибких энергопотребляющих микрозон

Введите гибкие микрозоны в матрицу, которые хорошо совместимы с PPS. Эти микрозоны подвергаются обратимой вязкоупругой деформации при переменном напряжении, а внутреннее трение между сегментами молекулярной цепи преобразует механическую энергию в тепловую энергию - основной принцип вязкоупругого демпфирования.

(3) Создание элементов энергопотребления трения интерфейса

Введите умеренный второй компонент в сочетании с интерфейсом базы PPS. В условиях вибрации между компонентом и матрицей возникает небольшое относительное смещение (внутреннее трение), которое дополнительно потребляет энергию вибрации. Этот механизм аналогичен микроскопической версии « фрикционных демпферов», обычно используемых в технике.

(4) Многомасштабная синергия

Гибкие микрозоны и интерфейсные фрикционные блоки имеют разные частоты отклика, а механизмы энергопотребления дополняют друг друга. Взаимодействие между ними позволяет достичь демпфирующего эффекта в более широком диапазоне частот.

3.2 Типичные характеристики

После систематической оптимизации формулы и технологического исследования типичные свойства материала PPS с высоким затуханием Вольфа (PPS + GF40) выглядят следующим образом:

Коэффициент демпфирования: Коэффициент потерь выше 0,20 означает, что материал может преобразовывать около 23% энергии вибрации в тепловую энергию и расходиться. Для сравнения, это значение обычного PPS составляет от 1% до 2%, а увеличение превышает порядок. Для сравнения, значение демпфирования стали намного ниже этого, а демпфирующие свойства оказывают значительное влияние на производительность NVH.

Что касается механических свойств: при значительном увеличении коэффициента демпфирования прочность на растяжение, удлинение разрыва и ударная вязкость не снижались или даже несколько увеличивались. Растяжаемость разрыва превышает 2,2%, что превосходит обычную 40 - процентную армированную стекловолокном PPS, что означает, что материал имеет больше « отказоустойчивого пространства», когда он подвергается вибрации, тепловому расширению, охлаждению или сборочному напряжению. Модуль изгиба снизился с 14 GPA до 11 GPA, все еще намного выше, чем обычный инженерный пластик, для соединительной коробки, корпуса электрического управления и других тонкостенных конструкций все еще достаточно.

Что касается термостойкости и изоляции: температура термической деформации поддерживается выше 260°C, что соответствует обычной PPS и может выдерживать неэтилированную обратную сварку и высокотемпературные условия автомобильного класса. Объемное сопротивление поддерживается на уровне 10 ⁵⁵⁵⁵cm, что соответствует требованиям изоляции электрических компонентов высокого давления.

　IV. Возможные области применения

Исходя из вышеуказанных свойств материала, следующие виды применения могут извлечь выгоду из внедрения высокодемпфирующих PPS:

4.1 Корпус контроллера инвертора / двигателя (в сочетании с материалом абсорбционной защиты EMC Вольфа)

Инвертор, являющийся основным компонентом мощности системы электрического управления, имеет сложный источник вибрации - как внутреннее возбуждение, создаваемое высокоскоростными переключателями силовых устройств, так и внешняя передача от двигателя и дорожного покрытия. Внутри корпуса встроены панели управления, приводные панели и различные датчики, которые имеют жесткий спрос на амортизацию. Материал с высоким затуханием корпуса может улучшить вибрационные характеристики системы без добавления дополнительных деталей.

4.2 Автомобильные соединительные коробки и разъемы

Внутри соединительной коробки есть несколько точек соединения зажимов, долгосрочная вибрация может привести к ослаблению зажима, увеличению контактного сопротивления, что, в свою очередь, вызовет локальное нагревание или даже абляцию. Высокое затухание PPS поглощает энергию вибрации с материального уровня, уменьшает амплитуду вибрации, передаваемую к зажимам, и повышает долгосрочную надежность.

Двигатель генерирует широкополосную вибрацию во время работы, датчик, установленный на корпусе двигателя или вблизи него, исполнительный аппарат выдерживает эту вибрацию в течение длительного времени. Материалы с высоким затуханием помогают защитить внутренние прецизионные компоненты, уменьшая риск дрожания сигнала и мгновенного контакта.

4.4 Электрические компоненты в других вибрационных средах

Все компоненты PPS, работающие в вибрационной среде, такие как зажимы компрессоров, разъемы для насосов, торцевые панели модулей батарей, имеют потенциальную прикладную ценность.

V. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Разработка высокодемпфирующих материалов PPS является исследовательской попыткой Wolf Chemical в области функциональных PPS. Мы исходим из самого базового дизайна материала, не жертвуя присущими PPS преимуществами, достигли значительного улучшения демпфирующих свойств - от обычного 0,01 ~ 0,02 до 0,20 - 0,35, увеличение более чем на порядок.