KH型光電混裝連接器的設計

以前高壓連接器、低壓連接器和光纖連接器在電子裝備中是分開安裝的，但隨著高低壓和光纖端子的增加，安裝需要的空間會越來越大，維護和保養也越來越困難。現代及未來戰爭對軍用電子裝備提出了小型化、集成化和模塊化的要求，并且要求越來越高，國外的先進武器系統許多部件都實現了集成化和模塊化，一旦有問題，可以用手提電腦連接上武器裝備上的數據檢測系統進行在線檢測，檢測后可立即對損壞的模塊進行整體更換，所以維護和保養特別方便，節省了維護的時間，戰場生存性更強。在這個背景下，許多軍用的電子裝備各部件都進行了整合，光電混裝連接器也因此應運而生，有效地解決了安裝空間和維護問題。

本文的連接器主要用于電子對抗裝備中電源供電、電信號和光信號的數據連接，它不僅可以具有低壓接觸件和高壓接觸件，還包括了光接觸件，是光纖連接器、低壓連接器和高壓連接器的有機組合。

產品整體結構設計

該連接器屬于多芯快速分離類。為了防止誤插，插頭殼體和插座殼體設計有五鍵槽結構；多芯快速分離類連接器是采用卡釘和螺旋套實現快速連接與快速分離，借助于五鍵槽完成連接器定位，用連接套將插頭連接器連接到插座連接器，采用波紋簧鎖緊機構保持恒定界面壓力。為了達到快速分離的目的，在插頭外殼上配有連接套，連接套的內孔壁上設計有三條等螺距的螺旋線結構的卡口螺旋槽，在卡口槽的底部有卡釘通孔，可觀察連接器的嚙合；相應的，插座外殼表面設計有三只卡釘，可旋至螺旋槽的底部，插頭旋到位后，連接器即可鎖緊。

由于采用了金屬外殼、EMI設計，可靠性高，高低空都有優良的耐

壓力，在插座和插座插配時，彈簧的壓縮量達到最大，彈簧的設計可以參考圖6。

配合結構的設計計算

高壓連接器設計的關鍵在于絕緣體的各個部分及各個層面都要有足夠的耐擊穿強度，通過對電場強度的計算分析，校核本產品絕緣材料的擊穿強度是否能夠滿足要求。

本連接器的主要技術指標為：

工作電壓：5.6kVDC；

耐 電 壓：10kVDC；

使用的材料：硅橡膠：體積電阻率9.6×1016Ω？cm 耐電壓30kV/mm；

DAP：體積電阻率8.2×1016Ω？cm耐電壓22kV/mm。

直流電壓下，三層介質中各層分到的電場場強為： 3.7mm，ρ1（ρ3=ρ1）和ρ2分別為8.2×1016Ω？cm和9.6×1016Ω？cm，試驗電壓V為10kV。將相應數值分別代入公式，可以得到插合部位內、中間層和外層的最大電場強度為4.09kV/ mm、4.96kV/mm和2.67kV/mm。同時，考慮到場強的疊加，我們按照最嚴酷的工作條件進行分析，即四個接觸件全部加上高電壓，這時連接器內部的電場會相互抵消，而外部的電場則相互疊加，在圖中的A處形成最大場強，計算A處的場強則需要經過復雜的積分和疊加計算。

通過對絕緣界面進行電場強度的設計計算后可知，連接器的最大場強遠遠小于材料的介電強度，同時各層的電場場強設計得比較均勻，說明連接器在結構尺寸和材料的選擇上是合適的。

ANSYS的仿真分析

對于高壓電連接器的設計來說，快速和準確地了解整個連接器結構設計中各點的場強，找出結構中的最大場強點和場強值，以滿足設計要求的在最大的測試電壓下都不會損害絕緣材料。這對于高壓連接器設計論證、優化結構和縮短產品的研制周期來說非常重要。對于單芯連接器來講，理論計算電場強度較為容易，但對于復雜的多芯連接器來說，則變得很困難，而借助ANSYS有限元分析則簡單準確。

圖9和圖10為所形成的多層結構各點的電場和電壓分布。

圖11和圖12是模型截面的ANSYS仿真圖。可以定性和定量地分析我們所關心的各個部分的電場強度，有助于我們在設計時多考慮電場強度最嚴酷地方的界面進行空氣密封或結構優化，同時也可以據此對產品的結構力進行ANSYS仿真，分析界面所需要的密封壓力。從圖10中上部分的箭頭標記處可以看處密封界面的場強所對應的色彩區域，具體的值如圖中的箭頭所指，可以看出和計算的值有些出入，但差別不大，這是由于計算時，接地面和實際的接地面有所區別，但仍然可以得出結論仿真和計算結果是接近一致的。圖8中的場強最大點MX是由于網格劃分得不夠細，也很難避免零件的尖角，從而產生此處界面的網格尖角，這也要求我們在加工接觸件時應盡量避免向外凸的尖角。

圖11和圖12是該連結器插頭插座配合時橫截面的電壓、電場分布圖，在靠近四個高壓接觸件的外端產生的場強是最大的，從分布圖中可以看出理論計算和仿真的圖基本一致，都在材料的承受范圍內，所以該產品耐壓設計的難點應主要考慮的不是材料的耐壓能力，而是材料的密封性能，特別是在低溫低壓下的材料收縮后的密封性。