小型化圓形高壓電連接器的設(shè)計(jì)

李巖　王佩　程德帥

摘? 要：文章主要介紹了一種小型化圓形高壓電連接器的設(shè)計(jì)方案，簡述了高壓電連接器基本工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及獨(dú)特的密封設(shè)計(jì)，并使用ANSYS仿真軟件進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：圓形高壓電連接器;小型化;ANSYS仿真

中圖分類號：TM503.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0095-02

Abstract： This paper mainly introduces a design scheme of a miniaturized circular high voltage connector， briefly describes the basic working principle， structure design and unique sealing design of the high voltage connector， and uses ANSYS simulation software to simulate and optimize， which improves the reliability of the products.

Keywords： circular high voltage connector; miniaturized; ANSYS simulation

1 概述

高壓電連接器作為一種高壓信號傳輸元器件，主要用于行波管、磁控管、高壓電源等設(shè)備中，與電真空器件配套，是系統(tǒng)工程中不可缺少的部分。高壓連接器所傳輸?shù)母邏盒盘栐礁?，對高壓電連接器的耐電壓性能要求就越高，相應(yīng)的連接器尺寸就越大。隨著整機(jī)設(shè)備小型化、輕型化、耐環(huán)境性、高可靠性要求的不斷提高，對小型化高電壓連接器提出了需求。為了提高整機(jī)設(shè)備的性能，需要使用小型化、環(huán)境適應(yīng)性好的圓形高壓電連接器。

本文介紹了一種小型化圓形10kV高壓電連接器的設(shè)計(jì)，滿足整機(jī)的安裝及使用要求，且具有工作電壓高、環(huán)境適應(yīng)性好、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）工作電壓：10kV d.c.;（2）工作電流：3A d.c.;（3）接觸電阻：≤10mΩ;（4）絕緣電阻：>5000MΩ;（5）介質(zhì)耐電壓：15kV d.c.（海平面）;12kV d.c.（1.4kPa）;（6）低溫低氣壓：10kV d.c.（-55℃@1.4kPa）;高溫低氣壓：10kV d.c.（125℃@1.4kPa）;（7）振動：10～2000Hz，15g;（8）沖擊：50g;（9）機(jī)械壽命：500次;（10）工作溫度：-55℃～125℃。

3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型化圓形高壓電連接器為一配對連接器，包括插頭與插座連接器。使用時(shí)通過插頭和插座之間的機(jī)械連接，帶動接觸件之間的插合。接觸件包括插針和插孔，其中插針為剛性接觸件、插孔為彈性接觸件，使得接觸件在插合時(shí)形成彈性接觸，產(chǎn)生低的接觸電阻，從而實(shí)現(xiàn)良好的電氣連接。由于采用高性能絕緣材料以及插合界面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地阻斷氣隙通路，達(dá)到了耐高電壓的目的。本文介紹的小型化圓形連接器工作電壓10kV d.c.， 插合后總長約為34mm。安裝方式為豎直安裝，螺母緊固。

3.1 插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插頭連接器由插針、安裝板、殼體、連接套、擋板、螺母和高壓導(dǎo)線組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

安裝板采用硅橡膠模壓制作，它具有很高的介電強(qiáng)度、極好的耐電暈的能力、高溫穩(wěn)定性、低溫柔性、耐壓縮形變性能和極低的吸水性，是很好的界面密封材料和絕緣材料，安裝板內(nèi)表面為圓柱面，圓柱表面有兩個(gè)等距排列凸起的“密封環(huán)”，利用“密封環(huán)”的凸起進(jìn)行界面密封，具有良好的耐壓密封效果。外殼采用工程塑料制造，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，且重量輕、耐電壓強(qiáng)度高;插針接觸件采用銅合金，表面鍍硬金，提高導(dǎo)電性和抗磨損能力。

外殼進(jìn)行處理后與安裝板之間用膠劑進(jìn)行密封粘接;連接器外殼能可靠地保持住絕緣安裝板;插針和高壓導(dǎo)線壓接;高壓導(dǎo)線表面均勻涂膠后裝入安裝板內(nèi)，高壓導(dǎo)線為硅橡膠被覆導(dǎo)線，與膠劑粘接性好，保證了插頭尾部的密封。

3.2 插座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插座由插孔組件、緊固螺母、殼體、護(hù)套、擋板、螺母和高壓導(dǎo)線組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

殼體采用工程塑料模壓制作，插孔接觸件為圓孔兩瓣槽結(jié)構(gòu)，采用具有良好彈性的銅合金、通過精密機(jī)械加工制造而成，表面鍍硬金，殼體、擋板采用工程塑料制作。

插合界面因采用軟-硬配合結(jié)構(gòu)，使得插座部分為硬質(zhì)工程塑料，工程塑料與導(dǎo)線的密封需要進(jìn)行處理才能保證粘接性及密封性能。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝配，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用具有密封環(huán)的護(hù)套進(jìn)行過渡，護(hù)套采用硅橡膠模壓制作，硅橡膠與導(dǎo)線進(jìn)行粘接，密封性好。預(yù)先對殼體進(jìn)行處理后，與護(hù)套進(jìn)行粘接，如需要現(xiàn)場裝配時(shí)，插孔接觸件在與高壓導(dǎo)線進(jìn)行壓接后，導(dǎo)線和插孔尾部表面均勻涂膠后裝入殼體的安裝孔內(nèi)即能保證良好的耐電壓性能。

3.3 插合界面設(shè)計(jì)

插合界面是指插頭和插座之間的接觸面，如圖3所示。

插合界面的結(jié)構(gòu)形式為圓孔和圓柱，通過圓孔和圓柱的插合，形成界面密封結(jié)構(gòu)。

插座殼體設(shè)計(jì)有六根凸起的圓柱，插頭的軟安裝板上設(shè)計(jì)有圓孔。圓柱的材料為硬質(zhì)的工程塑料，具有一定的脫模斜度，端部直徑小、底部直徑大;圓孔的材料為軟質(zhì)的硅橡膠，圓孔的內(nèi)壁設(shè)計(jì)有密封環(huán)。

當(dāng)連接器在插合時(shí)，圓柱插入圓孔，由于圓柱的直徑和長度均大于圓孔，且材料為一軟一硬，因此在軸向和徑向上均會產(chǎn)生一定的彈性壓縮，形成了界面密封結(jié)構(gòu)，阻斷了氣隙通路，使得產(chǎn)品在海平面條件下以及低溫低氣壓條件下，都具有良好的耐電壓性能。

4 模擬仿真技術(shù)

將Creo的三維結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入ANSYS中，對電場強(qiáng)度及電場分布進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次迭代，最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電場分布均勻，最大電場強(qiáng)度小于材料擊穿電壓，說明設(shè)計(jì)合理。

5 試驗(yàn)樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照表

對兩個(gè)摸底批次的試驗(yàn)樣品按技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)可靠、符合技術(shù)要求。數(shù)據(jù)如表1。

6 結(jié)束語

本文介紹的小型化圓形高壓電連接器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，工作電壓高，更加小型化?？砷L期在低溫低氣壓環(huán)境下工作，耐環(huán)境性好;尾部特殊密封技術(shù)及結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安裝及更換，不需要尾部灌封，使用更加靈活方便。

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