Improving the mechanical reliability of internal electrical connectors of industrial electrical equipment

Abstract

Electrical devices have internal electrical connectors for transferring power and electrical signals inside the different modules of the device to allow energy and information to flow uninterruptedly. However, electrical connectors can be very sensitive to mechanical movement. Two metals in repeated relative surface motion can corrode severely through a phenomenon called fretting corrosion. Fretting downgrades the surface quality producing unwanted compounds between the two surfaces, which can cause weaker electrical signals or even a complete loss of signal. The aim of this study is to find a new solution for improving the mechanical reliability of a rigid and unlubricated connector. A case of a variable-frequency drive connector is used as an example and the prototypes are built around this construction.

A thorough research is carried out in the literature study on all the most important phenomena behind electrical contacts, contact materials, vibration and failure mechanisms of electrical connectors. The working principal of variable-frequency drives is explained as well as basic connector design guidelines. With the supporting theory, four different new prototypes are created, and vibration testing is performed to verify improved functionality in a vibrating environment. The tested prototypes include a Flex PCB connector instead of the pin header, a similar ribbon cable solution, a strengthened mechanical structure around the connector, and a lubricated connector. The measured data contains frequency response analysis, increased contact resistances on the contact surfaces, the operability of the drives during the testing, and visual inspection of the contact surfaces after the testing.

The original pin header connector and the connector with the strengthened structure showed signs of operational errors early on in the testing. The resistance values increased rapidly, which explains the faulty operation. Flexible connectors and lubricated connectors showed no sign of degradation during the testing. The resonance frequency analysis shows that small differences in the mechanical structure of the drives have no measurable effect on the resonance frequencies of the drives. The visual inspection of the contact surfaces shows lesser signs of fretting corrosion on the flexible connectors. With these results, it's easier to design reliable connectors in future electrical devices.

Sähkölaitteet sisältävät paljon sisäisiä sähköliitoksia tehoa ja sähköisiä signaaleja varten, jotta teho ja informaatio pystyvät siirtymään laitteen eri moduulien välillä häiriintymättä. Sähköiset liitokset voivat kuitenkin olla erittäin herkkiä mekaaniselle liikkeelle. Kaksi metallipintaa, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä toisiinsa nähden, voivat vaurioitua vakavasti hiertymiskorroosiosta johtuen. Hiertymiskorroosio heikentää metallien pinnanlaatua ja muodostaa ei-toivottuja yhdisteitä pintojen väliin heikentäen signaalien laatua.

Tämä työ tutkii luotettavampaa korvaajaa jäykän ja voitelemattoman pinnirimaliittimen tilalle. Tarkoituksena on löytää useita eri ratkaisuja liittimen luotettavuuden parantamiseksi. Taajuusmuuttajaa ja sen liitintä käytetään esimerkkitapauksena ja prototyyppien testaussovelluksena.

Kirjallisuuskatsaus kattaa tärkeimmät fysikaaliset ilmiöt sähköisistä liitoksista, kontaktimateriaaleista, tärinästä ja sähköisten liitosten vauriomekanismeista. Taajuusmuuttajien toimintaperiaate ja sähköisten liitinten suunnitteluohjeita käydään läpi. Teoriaa apuna käyttäen luodaan neljä uutta prototyyppiratkaisua, jotka testataan tärisevässä ympäristössä. Testattavat ratkaisut ovat joustava piirikortti, lattakaapeli, jäykistetty mekaaninen rakenne ja voidellut liittimet. Mittaustuloksina saadaan taajuusvastemittaus, kontaktivastuksen muutos liittimessä, laitteiden toimivuus testin aikana ja kontaktipintojen visuaalinen tarkastelu testin jälkeen.

Testin aikana alkuperäinen pinnirima ja jäykistetty mekaaninen rakenne aiheuttivat laitteen vikaantumisen hyvin aikaisin. Vastusarvot nousivat hyvin nopeasti, mikä selittää laitteiden vikaantumisen. Joustavat liittimet (joustava piirikortti, lattakaapeli) ja voidellut liittimet toimivat moitteettomasti. Taajuusvasteen mittauksesta selvisi, että pienet muutokset laitteen rakenteessa eivät vaikuta laitteen resonanssitaajuuteen merkittävästi. Kontaktipintojen visuaalisesta tarkastelusta selvisi, että joustavissa liittimissä hiertymiskorroosion vaikutus on huomattavasti vähäisempi kuin jäykissä liittimissä, joissa hapettumisjäljet ovat huomattavia. Tulosten perusteella voidaan suunnitella varmemmin toimivia sähköliitoskonsepteja uusiin laitteisiin.