耐環境框架面板組合矩形電連接器技術研究

葉 宇，王慶霞

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

隨著數字信息傳輸的廣泛應用，對電連接器提出了集成化、模塊化、小型化、高密度化等要求。近年來，我國工程建設步伐加快，對在軌維修、更換提出了更高的要求，研制集信號、電源、同軸、三同軸、四芯差分、光纖等一體化耐環境框架面板組合式矩形電連接器已經迫在眉睫。

2 框架式電連接器設計

插頭總體結構由插頭外殼、插頭基座合件、固定板、定位銷、壓板、浮動螺釘、屏蔽簧片、鎖緊片組成，見圖1所示。基座合件從插頭外殼尾端裝入，其前端臺階卡在外殼內腔的基座定位臺階處，尾端臺階與外殼法蘭端面齊平；固定板用螺釘鎖緊后便可將基座合件卡在外殼內部。屏蔽簧片通過鎖緊片鎖緊，定位銷采用壓板固定于外殼，浮動鉚管與外殼孔間設計為間隙，浮動功能靠此間隙實現。

圖1 插頭總體結構示意圖

插座總體結構由插座外殼、插座基座合件、壓板、固定板、定位套組成，見圖2所示。基座合件與插座外殼的固定方式也與插頭相同，固定結構及尺寸完全相同，定位套采用壓板固定于外殼。

圖2 插座總體結構示意圖

3 技術研究方案

根據機柜設備系統外形及安裝要求，對照現有成熟產品連接器進行優化設計，即所具備的高可靠、耐環境、高密度、浮動并帶屏蔽功能、已在多種場合得到廣泛應用，并具備集成化、通用化、標準化、系列化，便于系列擴展和推廣應用等特點，開展空間用框架面板組合式矩形電連接器的技術研究。

3.1 真空高電壓高密度多芯絕緣安裝板技術方案

單模塊芯數多達150芯(#22接觸件)，最小間距為2.54 mm×2.54 mm，耐電壓最高為1 500 V，為滿足標準化設計，每種模塊外形尺寸均一致，故不能按常規的增大絕緣安裝板組件內部接觸件間的節點間距來實現，須在滿足節點間距2.54 mm×2.54 mm的條件下增加爬電距離(即可能存在的空氣隙的最大長度)來實現。為此，我們可通過增大上下絕緣板粘接面爬電距離，配合界面采用方形凹凸臺階結構等途徑來實現，增大爬電距離可提高空氣擊穿電壓，進而提高此處的耐電壓能力。

3.2 多規格接觸件集成技術方案

為實現一個絕緣安裝板上同時傳輸低頻(22#)、電源(20#、16#、12#)、四同軸(差分)、三同軸(1553B)等，且安裝面板間存在大范圍公差帶，接觸對須保證超長的有效插合長度，保證設備間電源、信號電路的正常連接和斷開。為此，絕緣安裝板須進行特殊的結構設計，不同規格接觸件對接界面不同，22#接觸件采用座裝孔、頭裝針的方式，低頻、電源接觸件插針采用錐形設計方式，保證連接器較長的插合長度和正常導向插合。

3.3 防結露技術方案

按要求，在環境溫度(21±4)℃，相對濕度大于70%，連續進行240h，24h測試一次連接器的絕緣電阻大于20MΩ，為此，可采用封線體、O型圈等橡膠密封件結構。

通過讓封線體壓縮包裹接觸件尾端導線，實現連接器尾端各接觸件之間的密封，消除或阻斷接觸件間的空氣隙，阻斷此處露水傳輸通道。連接器插合端間隙較大，連接器插合后，水汽容易沿插頭外壁(或插座內壁)侵入型腔、結露，從而影響產品絕緣性能，因此在插頭外壁增加O型腔，連接器插合時，通過O型腔擠壓變形(變形量不小于0.2 mm)，實現對結露的阻隔，降低結露對產品絕緣性能的影響。

3.4 大芯數連接器低插拔力技術方案

由于接觸件數量非常大，對總的插拔力要求較高，因此單個接觸件其插拔力影響較大，特別考慮芯數較多的22#、20#接觸件，22#、20#接觸件采用低插拔力鷹爪插孔，插針頭部采用帶錐度結構，通過尺寸鏈核算，優化接觸件固定結構，進一步降低整體插拔力。

4 解決措施及實施效果

根據以上分析，本研究擬在現有連接器平臺基礎上進行結構改進和功能升級，深入研究耐環境連接器需達到的功能與可采用的結構之間的關系，通過綜合對比進而確定最優的方法途徑，本研究擬采用的解決措施如下：

4.1 真空高電壓高密度多芯絕緣安裝板結構設計

本研究連接器采用接觸件可拆卸結構，絕緣安裝板設計為上、下兩體式以便固定撐簧圈，如圖3所示，連接器中電壓擊穿的薄弱部位為接觸件孔位間的絕緣安裝板，以及上、下絕緣安裝板粘接面。為了提高耐電壓能力，可通過提高爬電距離，將接觸件孔位間的絕緣安裝板界面設計為方形凹凸臺階狀(見圖4)來實現。上、下絕緣安裝板采用環氧

圖3 絕緣安裝板粘接界面結構設計

圖4 絕緣安裝板

膠進行粘接固定，環氧膠的介電強度遠高于空氣，可消除或阻斷絕緣安裝板粘接界面上的空氣隙(放電通道)，避免接觸件孔位間空氣擊穿。

由于孔位排列為矩形2.54mm×2.54mm，做成方形凸臺，并采用高低錯位結構，采用該結構后，運輸過程中不易被損壞，從而保證粘接后滿足耐電壓1500V。

4.2 多規格接觸件集成設計

機柜式連接器本身無設計鎖緊機構，靠對接機構的對接保證插合到位，由于對接可能存在較大誤差，這就要求接觸對具有較長的插合長度來彌補對接機構的對接誤差，且機構在對接過程中，對連接器施力進行強制性插合，其對接條件較手握對接更惡劣，本研究采用的多規格接觸件集成設計固定結構見圖5所示。連接器采用插頭基座合件組裝插孔接觸件(22#接觸件組裝插針)，插座基座合件組裝插針(22#接觸件組裝插孔)，以此來獲取超長的有效插合深度，插合時接觸件有較高的強度來自動導正插合。

圖5 多規格接觸件集成設計結構

4.3 防結露結構設計

本項目連接器為可拆卸式接觸件，為滿足防結露設計，尾端采用封線體對導線密封，防止水汽進入影響產品絕緣性能，此外，還可對導線起到固定限位作用。連接器插合端結構采用圖6結構，機柜用連接器插合端間隙較大，連接器插合后，水汽容易沿插頭外壁(或插座內壁)侵入型腔、結露，從而影響產品絕緣性能，因此在插頭外壁增加O型腔，連接器插合時，通過O型腔擠壓變形(變形量不小于0.2mm)，實現對結露的阻隔，降低結露對產品絕緣性能的影響。

1-插頭外殼，2-插座外殼，3-O型圈

4.4 大芯數連接器低插拔力設計技術

為降低連接器整體插拔力，本研究采用如下設計：

a)采用低插拔力鷹爪插孔

鷹爪插孔結構示意見圖7所示。該鷹爪插孔接觸對結構具有以下優點：

圖7 鷹爪插孔結構示意圖

1)接觸件有3個接觸瓣周圈均布，簧圈采用模具成型，一致性好，接觸點數目比開槽式接觸件多，且周圈受力比單側受力更均衡；

2)該方式均能夠保證插針正常插合而不損壞接觸瓣；接觸件簧圈放于插孔內部，通過插孔口部翻鉚固定及限位。

3)簧爪口部采用較大的圓角，插針插入時平穩順暢，插入力小，插拔壽命長(可達5000次以上)。

b)插針均采用錐形設計

為降低整體插入力，插針頭部采用帶錐度結構，兩接觸件在對接過程中，插孔接觸瓣變形較緩慢，壓力較小，則摩擦力較小，達到插入力較小的目的，結構如圖8所示。

圖8 錐形插針結構示意圖

c)優化接觸件固定結構

因產品芯數較多，不僅嚴格控制單個接觸件插拔力，接觸件裝配進絕緣安裝板晃動量大，也將導致插合與分離時插拔力過大，并減小接觸件與絕緣安裝板配合間隙，接觸件與絕緣安裝板的固定采用過渡配合，可明顯降低連接器整體插拔力。

5 結束語

通過本技術研究，使我國在耐環境電連接器核心技術方面取得突破，打破歐美發達國家在關鍵元器件上的技術壟斷，通過自主研發掌握核心技術，實現關鍵元器件的自主可控，填補了國內耐環境用框架面板矩形電連接器的空白，推動空間站自主可控建設步伐，同時為國家節省大量外匯，并推動我國電連接器行業向技術難度更大、經濟附加值更高的方向發展，具有深遠影響和重要現實意義。