分離脫落連接器電磁吸合力特性研究

陳東旭

(哈爾濱宇高電子技術有限公司，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

電連接器是自動控制系統中實現各級間電路通斷的關鍵性元件，起著傳輸能量和信號的重要作用，廣泛用于航天、航空、武器裝備、船舶等領域，其性能和可靠性直接影響航空、航天，武器裝備和船舶系統的正常工作[1,2]。

分離脫落連接器是一種典型的特種電連接器，常用在特殊的工作環境，如導彈、火箭發射系統、戰斗機、潛艇等人無法到達的場合[3]。然而隨著電子系統的控制復雜程度和可靠性等要求日益提高，電連接器插針的芯數和直徑都有所增大，對于電磁分離所需的推程力性能要求明顯提高[4]。所以國內電連接器廠家開始自主創新、自力更生已開發生產了多系列、多規格的分離脫落連接器來滿足科技發展對連接器的需求。但是，由于設計技術相對落后、生產裝配自動化程度低、過程控制不嚴等原因，導致分離脫落連接器在使用過程中質量問題頻發，直接影響我國航空、航天和武器裝備系統的性能與可靠性，造成嚴重安全隱患與經濟損失[5,6]。同時，高性能電磁分離機構的研究缺乏基礎理論技術和自主知識產權的支撐，并長期受到國外歐美等國家的嚴密封鎖，導致我國元器件性能與國外同類產品相比仍存在較大差距[7,8]。

隨著分離脫落電連接器產品的廣泛應用，其電磁分離性能指標日益受到關注。尤其分離脫落連接器在航天、航空、武器裝備、船舶等方面的廣泛應用，對其電磁分離機構已得到廣泛的研究。如貴州航天電器股份有限公司的小型圓形分離脫落連接器[9]、杭州航天電子技術有限公司八二五廠的水下分離脫落連接器[10]、中國運載火箭技術研究院的雙端分離脫落連接器[11]等產品。基于上述研究，雖然分離脫落電連接器的電磁分離機構己取得一些進展，但仍有很大的優化空間，現有很多電磁分離機構還不能滿足不同型號的分離脫落電連接器的應用需求。因此，對分離電連接器的電磁分離機構的研究是十分必要的。

電磁分離是分離脫落連接器最常采用的自動分離方式之一，而電磁吸合力是考察連接器電磁分離特性最主要的技術指標之一。本文針對某型號分離脫落連接器的電磁分離機構，首先，通過三維畫圖軟件建立起實際結構模型；其次，采用有限元軟件數值計算電磁吸合力—行程關系曲線；最后，分別研究了電磁分離機構中：接觸端面錐形面角度、接觸端面梯形面寬高、接觸端面雙梯形面高度和接觸端面錐形與梯形面結合時各比例參數對電磁吸合力的影響規律，進而確定了影響電磁吸合力的關鍵設計參數，為后續的電磁分離機構優化設計提供理論依據。

2 電磁分離實現原理

分離脫落連接器電磁分離機構如圖1所示。線圈為螺線管式繞組，裝在繞組殼體、鐵心A與鐵心B形成的環形區間內，鐵心A位與繞組殼體上端臺形面重合，鐵心B鑲嵌于繞組殼體內部，有隔斷線圈與鐵心A和滑塊相接觸作用。滑塊位于鐵心B內部，并且滑塊的凹形面與鐵心A的凸形面完全相對關系，可以在空隙內滑動。拉桿凸臺與滑塊凹臺重合，鐵心A內腔通過彈簧與拉桿緊密連接。其中繞組殼體、鐵心A和滑塊由軟磁材料制成，鐵心B與滑塊為非磁性材料制成。當線圈繞組通過電流時，鐵心A與滑塊之間形成特定的磁通分布，滑塊上所產生的電磁力由拉桿輸出，克服彈簧力與其它外力，實現向鐵心A凸面滑動，從而實現分離脫落連接器的解鎖，在分離彈簧力的作用下自由端插頭和固定端插座實現分離；沒有電流，插頭與插座插合時，在彈簧返程力作用下實現復位。

1.繞組殼體 2.線圈 3.鐵心A 4.鐵心B 5.滑塊 6.彈簧 7.拉桿 8.線圈圖1 電磁分離機構結構示意圖

3 基于有限元軟件電磁分離特性研究

3.1 三維實體模型的建立

(a) 簡化前裝配圖(剖視) (b) 簡化后裝配圖(剖視)圖2 電磁分離機構的三維實體模型

文中采用三維構圖軟件建立電磁分離機構的三維實體模型，模型主要包括：繞組殼體、鐵心A、滑塊和拉桿。為減少模型單元數，在保證仿真精度不變的前提下，文中只保留磁性材料零部件，分別為繞組殼體、鐵心A和滑塊。優化前后的電磁分離機構。如圖2所示。

3.2 電磁分離力的數值計算

基于有限元軟件計算電磁分離機構的電磁吸合力，環境溫度設置為室溫，解鎖電壓設置為20V。電磁吸合力與運動位移關系曲線如圖3所示，滑塊運動至2.2mm時電磁分離機構的磁通分布如圖4所示。

圖3 電磁吸合力隨位移變化曲線

圖4 電磁分離機構磁通分布圖

3.3 電磁分離機構的電磁吸合力測量

采用電磁吸合力試驗機測量了5套電磁分離機構在20V解鎖電壓下的電磁吸合力，具體包括測量了滑塊在初始位置(位移為0mm)、位移1.2mm和2.2mm處的電磁吸合力，具體測量數據如表1所示。

表1 當前產品電磁吸合力測量結果

通過仿真與試驗測量結果的對比可知：仿真計算結果與試驗測量結果相吻合，仿真值略小于試驗值，主要原因為：(1) 為了仿真的收斂性，仿真計算過程中需要在相互接觸面處留有一定的空隙；(2) 仿真中安匝數是按電流最小情況設置，而試驗中解鎖電壓為20V，電流會略大于仿真設置值；(3) 仿真模型中鐵心A和滑塊之前的氣隙是按圖紙中的最大距離設置。

3.4 關鍵設計參數分析

對電磁分離機構的電磁吸合力有影響的設計參數主要包括鐵心A與滑塊相對端面角度、鐵心A與滑塊相對端面形狀等。文中基于虛擬樣機仿真技術，采用單參數掃描分析方法，分別分析各設計參數變化對電磁分離機構電磁吸合力的影響規律，進而確定哪些設計參數為關鍵影響因素。

圖5為錐形電磁分離機構結構示意圖。選取不同錐形面角度，電磁吸合力的仿真計算結果如圖6所示。

圖5 錐形電磁分離機構結構示意圖

圖6 不同錐形面角度的電磁吸合力計算結果

圖7電磁分離機構中擋鐵和動鐵芯的相對面形狀改為梯形結構，電磁吸合力的仿真計算結果如圖8所示。

圖7 梯形電磁分離機構

圖8 梯形面不同高、寬組合的電磁吸合力計算結果

圖9電磁分離機構中擋鐵和動鐵芯的相對面形狀改為雙梯形結構，電磁吸合力的仿真計算結果如圖10所示。

圖9 雙梯形電磁分離機構

圖10 雙梯形不同高電磁吸合力計算結果

圖11電磁分離機構中擋鐵和動鐵芯的相對面形狀改為梯形加錐形結構，電磁吸合力的仿真計算結果如圖12所示。

圖11 梯形加錐形電磁分離機構

由圖12所示計算結果可知，針對不同錐形面角度，初始位置的電磁吸合力變化不明顯；在行程的后半段，錐形面角度越大，電磁吸合力越大；采用梯形電磁分離機構，初始電磁吸合力的提升效果有限。不同的高、寬組合只能影響行程后半段的電磁吸合力；采用雙梯形電磁分離機構，初始電磁吸合力的提升效果較好，但在行程的后半段電磁吸合力有所下降；采用梯形在上錐形面在下的電磁分離機構，初始電磁吸合力的提升效果較好，并且整個行程過程中電磁吸合力曲線平穩上升。

圖12 梯形面高度2mm，不同錐形面角度時電磁吸合力的計算結果

3.5 一種新型的電磁分離機構

經上述分析，確定了一種新型的電磁分離機構方案。該方案中提出選取鐵心A和滑塊端面形狀為梯形面與錐形面的結合結構，其中梯形面高度選取2mm，錐形面角度選取60°，優化方案結構示意圖如圖13所示。此種方案可顯著提升電磁分離機構的初始電磁吸合力，并且整個行程過程中電磁吸合力曲線平穩上升。優化設計前后，電磁吸合力與位移關系曲線對比如圖14所示。

圖13 電磁分離機構優化設計方案

圖14 優化前后電磁吸合力與位移關系曲線

4 結論

本文采用三維建模軟件建立了某型號分離脫落連接器的分離脫落機構仿真簡化模型，用有限元軟件對分離脫落機構中滑塊不同位移處的電磁吸力進行了仿真分析，得到的結論具體如下：

(1)三維建模軟建立的仿真簡化模型，是有限元仿真計算最為關鍵的前處理，模型的準確性對仿真計算的收斂性、時間和結果等都有很大的影響；

(2)通過有限元軟件分別對分離脫落機構中鐵心A與滑塊的端面角度、端面形狀進行仿真計算分析。得到鐵心A與滑塊為錐形端面時，角度對電磁分離力初始位移力影響較小，較大位移處影響較大；鐵心A與滑塊為梯形端面時，初始電磁吸合力的提升效果明顯，不同的高、寬組合只能影響行程后半段的電磁吸合力；鐵心A與滑塊為雙梯形端面時，初始電磁吸合力的提升效果較好，但在行程的后半段電磁吸合力有所下降；鐵心A與滑塊為梯形在上錐形面在下結構時，初始電磁吸合力的提升效果較好，并且整個行程過程中電磁吸合力曲線平穩上升。

(3)通過仿真能夠實現關鍵結構參數的有限元優化分析，為高性能航天連接器和武器裝備連接器電磁分離機構的性能優化提供了技術手段和理論支撐。