微小型電磁分離連接器設(shè)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(fā)展，因機械電磁分離機構(gòu)的復(fù)雜性限制，現(xiàn)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(xiàn)有領(lǐng)域的使用需求。

通過對微小型電磁分離連接器的設(shè)計與研究，驗證微小型電磁分離機構(gòu)插頭、插座及機械電磁分離機構(gòu)在微小空間內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。同時，克服因外形尺寸限制，在受限的空間內(nèi)設(shè)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(tài)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(shè)計

2.1 主要技術(shù)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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(gòu)的護套被壓縮進入支架內(nèi)，使得機械電磁分離機構(gòu)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(xiàn)插頭與插座的鎖緊，完成發(fā)射系統(tǒng)與導(dǎo)彈的信號傳輸；當向后拉動插頭機械電磁分離機構(gòu)中拉桿的尾端移動，鋼球失去支撐滑入襯套內(nèi)，從而實現(xiàn)插頭與插座的解鎖分離，切斷導(dǎo)彈與發(fā)射系統(tǒng)的電氣連接[1]。如圖1所示。

圖1 機電分離機構(gòu)鎖緊示意圖

2.3 方案難點分析

根據(jù)電磁分離連接器的工作原理，電磁分離連接器的關(guān)鍵點為電磁線圈吸力與鎖緊彈簧作用反力的匹配性設(shè)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(fā)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(fù)雜的零部件優(yōu)化、集成至規(guī)定的外形尺寸內(nèi)，并保證各零部件滿足使用功能需求。

2.4 微小型插頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與集成設(shè)計

電磁分離連接器插頭一般由機械電磁分離機構(gòu)、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(nèi)完成接觸件的排列，又要保證接觸件能可靠安裝于基座內(nèi)。同時，還要考慮插頭與機械電磁分離機構(gòu)連接后能保證接觸件接觸可靠，此外，還需設(shè)計有導(dǎo)線的出線口。結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對普通機械電磁分離連接器而言，因空間相對富余，設(shè)計時只需考慮功能性的實現(xiàn)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(jié)構(gòu)“優(yōu)化”與“集成”來實現(xiàn)，設(shè)計時直接通過三維進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證設(shè)計功能的前提下，優(yōu)化各零部件間的配合、間隙，并盡可能將各零部件集成設(shè)計，以實現(xiàn)微小型的尺寸盡可能小。最終實現(xiàn)了在Φ18.4×39 mm尺寸完成了插頭的機構(gòu)設(shè)計。

插頭的結(jié)構(gòu)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(gòu)與插頭合件的連接處設(shè)計為內(nèi)嵌式，既保證了插頭合件與電磁分離機構(gòu)的可靠連接，又確保了外形尺寸滿足要求。

圖2 插頭結(jié)構(gòu)圖

2.5 機械電磁分離機構(gòu)設(shè)計

2.5.1 機械電磁分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前述分析，機械電磁分離機構(gòu)(圖3所示)是實現(xiàn)電磁分離連接器鎖緊與解鎖可靠的關(guān)鍵部件，關(guān)鍵點是電磁線圈產(chǎn)生的吸力與鎖緊彈簧作用反力的匹配性設(shè)計。鎖緊彈簧作用反力關(guān)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(guān)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(jù)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(xiàn)，大吸力需要大的安匝值(IW)，意味著更多的線圈匝數(shù)，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(nèi)設(shè)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(yōu)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(xiàn)了“Φ18.4 mm”尺寸下鎖緊彈簧作用反力能保證關(guān)鍵指標需求，且電磁線圈吸力為作用反力2倍的設(shè)計需求。

圖3 機械電磁分離機構(gòu)示意圖

圖4 吸力、反力作用特性曲線

2.5.2 鎖緊彈簧設(shè)計

根據(jù)機械電磁分離機構(gòu)估算拉桿及動鐵芯的重量共為1.56g，結(jié)合電磁連接器的設(shè)計經(jīng)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(tài)時，因彈簧會繼續(xù)壓縮1.5mm，此時的彈簧力為F=6N。按初始壓縮2.7mm，結(jié)合電磁分離機構(gòu)內(nèi)部空間的要求，彈簧外徑設(shè)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(shù)：n=Gd4/8D3p′=12.3圈

考慮產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)，取n=13圈，彈簧的實際剛度為：

p′= Gd4/8D3n=1.4 N/mm

全部數(shù)據(jù)用Microsoft Excel處理，計算平均數(shù)和標準差。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用SPSS21.0軟件系統(tǒng)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?cè)?shù)：n1=n+2=15圈

彈簧節(jié)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(shè)計

電磁線圈需能保證其電磁吸力大于鎖緊彈簧的預(yù)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(shè)計，需先進行相關(guān)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(jié)構(gòu)圖

2.5.3.1 線圈理論計算

根據(jù)電磁吸力與安匝數(shù)公式確定線圈的安匝數(shù)：

(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(shù)；

Sб為截錐面面積；

δ為工作氣隙；

根據(jù)上式確定最小安匝數(shù)，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(shù)(n):550；工作電壓：25V、28V、31V三種。

a)邊界條件設(shè)置

模型為軸對稱圖形，應(yīng)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(shù)，在線圈上加載2438.4安匝，除了線圈其余為DT4C。

設(shè)置求解參數(shù)動鐵芯吸力。

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

圖7 邊界條件設(shè)定

圖8 激勵25V時產(chǎn)品的磁場分布(單位：T)

圖9 激勵25V時產(chǎn)品的磁場分布(單位：T)

圖10 激勵25V時產(chǎn)品的磁場分布(單位：T)

b)仿真結(jié)果

分別設(shè)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(jié)果

2.5.3.3 電磁吸力測試

電磁線圈制作完成后，制作相應(yīng)工裝，隨后將其安裝于電磁吸力測試臺，測試規(guī)定電壓下，電磁線圈產(chǎn)生的吸力是否滿足使用需求。經(jīng)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(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，滿足設(shè)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(jīng)對插頭、插座進行機械解鎖力測試，產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計值基本相符，滿足設(shè)計要求。

圖12 機械解鎖力測試

2.6 微小型插座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

同插頭設(shè)計原理類似，插座需與插座的機電分離機構(gòu)可靠對接，并通過插座鎖緊套與插頭鋼球的配合實現(xiàn)鎖緊功能。且需設(shè)計有鍵槽與插頭的凸鍵進行配合，防止錯插拔，導(dǎo)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(yōu)化及結(jié)構(gòu)布局，成功將插座尺寸控制為21×21×20 mm。

插座的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)要求的影響，產(chǎn)品的設(shè)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(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

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

1)微小型插頭結(jié)構(gòu)在狹小空間的優(yōu)化與集成設(shè)計；

2)微小型插座在小空間下的優(yōu)化設(shè)計；

3)微小型機械電磁分離機構(gòu)在小型空間內(nèi)實現(xiàn)電磁吸力與彈簧作用反力匹配性設(shè)計與驗證。

針對以上問題，總結(jié)出設(shè)計過程中可借鑒的經(jīng)驗如下：

1)針對插頭、插座等需要在狹小空間內(nèi)進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的部件，應(yīng)在方案設(shè)計時直接通過三維軟件設(shè)計，在確定結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性后，將結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化與集成，以滿足產(chǎn)品尺寸滿足設(shè)計要求；

2)針對狹小空間內(nèi)機械電磁分離機構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)先進行必要的理論計算，再將理論計算的結(jié)果進行建模，之后通過仿真分析對計算結(jié)果及結(jié)構(gòu)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(shè)計難點：微小型空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及機械電磁機構(gòu)的設(shè)計有了進一步認識，為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了設(shè)計參考。