微小型電磁分離連接器設計與研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

近年來隨著小型無人機、小型飛行器等的快速發展，因機械電磁分離機構的復雜性限制，現有電磁分離連接器存在外形尺寸大及重量大的缺點，已無法滿足現有領域的使用需求。

通過對微小型電磁分離連接器的設計與研究，驗證微小型電磁分離機構插頭、插座及機械電磁分離機構在微小空間內結構設計的可行性。同時，克服因外形尺寸限制，在受限的空間內設計出既滿足電磁線圈吸力與鎖緊彈簧反力匹配性的問題，又保證了插合狀態下該連接器能滿足振動、沖擊、機械壽命等實用要求。

2 方案設計

2.1 主要技術指標

1)插頭外形尺寸：Φ18.4×39 mm；

2)插座外形尺寸：21×21×20 mm；

3)重量：≤60 g；

4)工作溫度：-55 ℃～+120 ℃；

5)接觸電阻：≤10 mΩ；

6)額定工作電壓：200 V(DC)；

7)額定工作電流：3 A；

8)介質耐壓：600 Vr.m.s；

9)絕緣電阻：≥1 000 MΩ；

10)機械解鎖力：3 N～15 N；

11)使用壽命：500次；

12)正旋振動：196 m/s2，10 Hz～2 000 Hz；

13)隨機振動：0.2 G2/Hz，16.4 G；

14)沖擊：490 m/s2，X、Y、Z向，每軸向11 ms；

15)加速度：490 m/s2；

16)電磁分離：分離電壓28 V±3 V DC，分離時間≤400 ms。

2.2 方案工作原理

電磁分離連接器一般由插頭、插座兩部分組成，其中插座為安裝端，并采用法蘭盤式結構，用螺釘將其固定于安裝面。

插頭通過(鍵)與插座鍵槽進行對接，機械電磁分離機構的護套被壓縮進入支架內，使得機械電磁分離機構的鋼球在鎖緊彈簧作用下彈出掛靠在插座的鎖緊套上，實現插頭與插座的鎖緊，完成發射系統與導彈的信號傳輸；當向后拉動插頭機械電磁分離機構中拉桿的尾端移動，鋼球失去支撐滑入襯套內，從而實現插頭與插座的解鎖分離，切斷導彈與發射系統的電氣連接[1]。如圖1所示。

圖1 機電分離機構鎖緊示意圖

2.3 方案難點分析

根據電磁分離連接器的工作原理，電磁分離連接器的關鍵點為電磁線圈吸力與鎖緊彈簧作用反力的匹配性設計，需要保證鎖緊彈簧能使插頭、插座插合后鎖緊可靠，不會在需求的振動、沖擊、加速度值下發生解鎖、瞬斷等。同時，還需保證在給電磁線圈通電28 V±3 V DC時，插頭、插座能快速分離開。此外，就是如何將插頭、插座相對復雜的零部件優化、集成至規定的外形尺寸內，并保證各零部件滿足使用功能需求。

2.4 微小型插頭結構的優化與集成設計

電磁分離連接器插頭一般由機械電磁分離機構、插頭合件、出線尾罩等零部件組成，因插頭合件由外殼、基座、接觸件等零部件組成，既要保證在限制的尺寸內完成接觸件的排列，又要保證接觸件能可靠安裝于基座內。同時，還要考慮插頭與機械電磁分離機構連接后能保證接觸件接觸可靠，此外，還需設計有導線的出線口。結構較為復雜，對普通機械電磁分離連接器而言，因空間相對富余，設計時只需考慮功能性的實現即可，但對該項目而言，除了滿足使用功能外，還需保證外形尺寸盡可能小。這就需要不斷的結構“優化”與“集成”來實現，設計時直接通過三維進行結構設計，在保證設計功能的前提下，優化各零部件間的配合、間隙，并盡可能將各零部件集成設計，以實現微小型的尺寸盡可能小。最終實現了在Φ18.4×39 mm尺寸完成了插頭的機構設計。

插頭的結構圖如圖2所示。插頭合件采用灌封EC104膠液的方式對基座及接觸件進行固定，同時將電磁分離機構與插頭合件的連接處設計為內嵌式，既保證了插頭合件與電磁分離機構的可靠連接，又確保了外形尺寸滿足要求。

圖2 插頭結構圖

2.5 機械電磁分離機構設計

2.5.1 機械電磁分離機構結構設計

根據前述分析，機械電磁分離機構(圖3所示)是實現電磁分離連接器鎖緊與解鎖可靠的關鍵部件，關鍵點是電磁線圈產生的吸力與鎖緊彈簧作用反力的匹配性設計。鎖緊彈簧作用反力關系到插頭、插座是否能可靠鎖緊，且能承受振動、沖擊、加速度等關鍵指標。就指標滿足性而言，鎖緊彈簧作用反力需盡量大，且根據吸力、反力特性曲線圖，大的鎖緊彈簧作用反力意味著大的電磁線圈吸力才能實現，大吸力需要大的安匝值(IW)，意味著更多的線圈匝數，但同樣受空間限制，電磁線圈尺寸需盡可能小，這就需要在較小的尺寸內設計出吸力大于鎖緊彈簧力的線圈，一般為2倍值(圖4所示)。通過將動、靜鐵芯的吸合面優化成大角度“截錐面”，并在滿足鎖緊、解鎖可靠的條件下將“工作氣隙”縮短至最小[2]，最終實現了“Φ18.4 mm”尺寸下鎖緊彈簧作用反力能保證關鍵指標需求，且電磁線圈吸力為作用反力2倍的設計需求。

圖3 機械電磁分離機構示意圖

圖4 吸力、反力作用特性曲線

2.5.2 鎖緊彈簧設計

根據機械電磁分離機構估算拉桿及動鐵芯的重量共為1.56g，結合電磁連接器的設計經驗，鎖緊彈簧[3]在機械分離時的工作點彈力為F=4N，插頭自由狀態時，因彈簧會繼續壓縮1.5mm，此時的彈簧力為F=6N。按初始壓縮2.7mm，結合電磁分離機構內部空間的要求，彈簧外徑設置為2.8mm，鋼絲直徑為Φ0.4mm；鋼絲材料選用彈簧用不銹鋼絲，即：

彈簧剛度：p′=F/2.7=1.48 N/mm

彈簧有效圈數：n=Gd4/8D3p′=12.3圈

考慮產品的實際結構，取n=13圈，彈簧的實際剛度為：

p′= Gd4/8D3n=1.4 N/mm

全部數據用Microsoft Excel處理，計算平均數和標準差。數據統計分析用SPSS21.0軟件系統完成，采用One-way ANOVA程序進行單因素方差分析, P<0.05為具有顯著性差異。

總圈數：n1=n+2=15圈

彈簧節距：t=(0.28～0.5)D=0.95 mm

彈簧自由高度：H0=nt+1.5d=12.95 mm

取H0=13 mm，彈簧工作圖如5所示：

圖5 鎖緊彈簧工作圖

2.5.3 電磁線圈設計

電磁線圈需能保證其電磁吸力大于鎖緊彈簧的預壓縮力才能可靠解鎖。而電磁線圈涉及線圈及動、靜鐵芯的設計，需先進行相關的理論計算，在滿足吸力匹配性的情況下確定線圈外形，在通過模擬仿真及實驗進行驗證。

圖6 電磁線圈結構圖

2.5.3.1 線圈理論計算

根據電磁吸力與安匝數公式確定線圈的安匝數：

(1)

F為最大彈簧作用反力(電磁線圈吸力)；

I為線圈電流；

W為線圈匝數；

Sб為截錐面面積；

δ為工作氣隙；

根據上式確定最小安匝數，然后確定線圈的外形。

2.5.3.2 仿真分析

使用Maxwell 3D對該方案進行電磁吸力仿真。線圈電阻(Ω)：8±1；線徑(mm)：Φ0.25；參考匝數(n):550；工作電壓：25V、28V、31V三種。

a)邊界條件設置

模型為軸對稱圖形，應用3D分析，模型簡化如圖7所示，邊界條件為氣球邊界條件，激勵為線圈界面加電流安匝數，在線圈上加載2438.4安匝，除了線圈其余為DT4C。

設置求解參數動鐵芯吸力。

激勵在25V、28V、31V條件下，產品整體磁場分布情況圖8、9、10所示。

圖7 邊界條件設定

圖8 激勵25V時產品的磁場分布(單位：T)

圖9 激勵25V時產品的磁場分布(單位：T)

圖10 激勵25V時產品的磁場分布(單位：T)

b)仿真結果

分別設置電磁圈激勵在25V、28V、31V條件下，動鐵心受到的吸力如表1所示。

表1 吸力仿真結果

2.5.3.3 電磁吸力測試

電磁線圈制作完成后，制作相應工裝，隨后將其安裝于電磁吸力測試臺，測試規定電壓下，電磁線圈產生的吸力是否滿足使用需求。經對多套電磁線圈的吸力測試，電磁線圈吸力為12 N～15.4 N之間，其結果與仿真結果基本相符，滿足設計需求。

圖11 電磁吸力測試

電壓25V28V31V動鐵心吸力12.0N～12.8N13.3N～14.2N14.5N～15.4N

2.5.3.4 機械解鎖力測試

經對插頭、插座進行機械解鎖力測試，產品在沿插頭拉桿軸向施加拉力，當拉力為6.1 N～7.0 N之間時插頭、插座即可解鎖分離。

通過以上分析及驗證，產品實際電磁吸力值與彈簧作用反力值基本為2倍，且與仿真及設計值基本相符，滿足設計要求。

圖12 機械解鎖力測試

2.6 微小型插座結構的優化設計

同插頭設計原理類似，插座需與插座的機電分離機構可靠對接，并通過插座鎖緊套與插頭鋼球的配合實現鎖緊功能。且需設計有鍵槽與插頭的凸鍵進行配合，防止錯插拔，導致接觸件受損[4]。同樣，插座除了需滿足功能性的同時，還要考慮外形尺寸盡量小，通過不斷的優化及結構布局，成功將插座尺寸控制為21×21×20 mm。

插座的結構圖如圖13所示。插座主要由座外殼、座基座、插孔、鎖緊套及卡圈等組成。受結構要求的影響，產品的設計空間非常狹小，對插座的基座采用EC104灌封的方式，即保證空間需求小，又滿足插座及接觸件的固定性要求。

圖13 插座結構圖

3 結論

綜上所述，本文提供了一種微小型電磁分離連接器的設計原理及驗證分析，通過本文的研究總結出在微小型電磁分離連接器設計過程中需要注意的關鍵點及難點如下：

1)微小型插頭結構在狹小空間的優化與集成設計；

2)微小型插座在小空間下的優化設計；

3)微小型機械電磁分離機構在小型空間內實現電磁吸力與彈簧作用反力匹配性設計與驗證。

針對以上問題，總結出設計過程中可借鑒的經驗如下：

1)針對插頭、插座等需要在狹小空間內進行復雜結構設計的部件，應在方案設計時直接通過三維軟件設計，在確定結構的合理性和可靠性后，將結構進行優化與集成，以滿足產品尺寸滿足設計要求；

2)針對狹小空間內機械電磁分離機構的設計，應先進行必要的理論計算，再將理論計算的結果進行建模，之后通過仿真分析對計算結果及結構進行確定，最后就是進行實物驗證。

通過以上論述，確認了微小型電磁分離連接器的可行性。對微小型電磁連接器的設計難點：微小型空間內的結構設計及機械電磁機構的設計有了進一步認識，為今后類似產品的開發提供了設計參考。