一種小型化高壓電連接器設(shè)計(jì)

李忠奎，管楊杰

(1.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 產(chǎn)品功能、用途

產(chǎn)品單芯接觸件需提供270V直流、20A大功率傳輸?shù)漠a(chǎn)品，通過插頭與插座對接與分離實(shí)現(xiàn)電能號(hào)的傳輸與斷開，產(chǎn)品對接鎖緊后，能夠保證在規(guī)定的力學(xué)環(huán)境下接觸可靠連接。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目大功率電連接器接觸對采用剛性插孔以及開槽式彈性插針接觸件進(jìn)行對接實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。插孔及插針的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：插針頭部為周圈對稱的四開槽結(jié)構(gòu)，插針口部的直徑比插孔的內(nèi)徑

圖1 大功率接觸件結(jié)構(gòu)示意

圖2 插針應(yīng)力分布圖

圖3 塑性變形分布圖

大，在對接時(shí)，插針進(jìn)入插孔時(shí)，插孔使插針“收縮”，產(chǎn)生彈性變形，插針有回彈的趨勢與插孔內(nèi)壁形成可靠電接觸。通過三維建模，并仿真分析得出接觸對在對接狀態(tài)下彈性插針的應(yīng)力分布(見圖2～圖3)。根據(jù)仿真結(jié)果，確定了插針與插孔的過盈尺寸，能夠滿足接觸可靠性的要求。

接觸件是電連接器的核心部件，本項(xiàng)目產(chǎn)品的接觸對設(shè)計(jì)繼承已定型的J220系列電連接器產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)基線是ATI公司的樣品及樣本資料，在設(shè)計(jì)時(shí)，對國外ATI樣品的接觸件進(jìn)行了詳細(xì)的測繪及材料分析工作，根據(jù)測得數(shù)據(jù)。

2.2 耐高壓設(shè)計(jì)

a)接觸件之間的電氣間隙設(shè)計(jì)

產(chǎn)品工作電壓為270V DC，產(chǎn)品直接與外部電網(wǎng)電源連接，因此所處的電路為一次電路，絕緣類型按最高等級：加強(qiáng)絕緣進(jìn)行設(shè)計(jì)。污染等級定為等級3：適用于設(shè)備內(nèi)局部環(huán)境受到導(dǎo)電污物污染的地方。通過上述信息，查GB4943表3(見圖5)可以得到產(chǎn)品的最小電氣間隙為4.0mm。如圖4所示，產(chǎn)品基孔間距設(shè)計(jì)為8mm，插頭最小電氣間隙為4.25mm,插座最小電氣間隙為5.24mm,滿足最小電氣間隙為4mm的要求。

圖4 產(chǎn)品電氣間隙

圖5 最小電氣間隙(摘自GB4943)

b)對接界面設(shè)計(jì)

通過在產(chǎn)品的接界面設(shè)計(jì)界面密封墊，使產(chǎn)品對接到位后，壓縮界面密封墊，將接觸件之間的空氣排出(見圖6)，由于此時(shí)在接觸件之間的介質(zhì)為界面密封墊，其介電強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣，因此產(chǎn)品的耐電壓性能能夠得到極大提高。

圖6 產(chǎn)品對接示意圖

c) 尾端堆膠排除空氣介質(zhì)設(shè)計(jì)

插頭端產(chǎn)品尾端通過堆膠的方式將接觸件引腳之間的空氣間隙用膠液進(jìn)行填充，而膠介質(zhì)的介電強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)的介電強(qiáng)度，常態(tài)下，J220所用的灌封膠介電強(qiáng)度為5.8Kv/mm，空氣的介電強(qiáng)度為2000v/mm，因此，采取上述措施能夠大大提升產(chǎn)品的耐電壓性能；另外，插座端接方式為彎插印制板式產(chǎn)品，為提高產(chǎn)品可靠性，建議產(chǎn)品焊接在印制板后對引腳尾端進(jìn)行堆膠處理。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品海平面測試1800V DC耐電壓持續(xù)1min，無擊穿現(xiàn)象，已達(dá)到使用電壓270V DC的6.6倍(根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，耐電壓至少為使用電壓的3倍)，滿足使用要求。

4 結(jié)論

通過對實(shí)際產(chǎn)品耐電壓設(shè)計(jì)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：在考慮產(chǎn)品耐高壓性能時(shí)需要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用工況查詢標(biāo)準(zhǔn)確定其最小電氣間隙要求，在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行保證；另外，導(dǎo)體之間的空氣介質(zhì)應(yīng)該采取措施盡可能排除，采用橡膠、結(jié)構(gòu)膠等介電強(qiáng)度更高的介質(zhì)填充。