小型化圆形高压电连接器的设计

李岩　王佩　程德帅

摘  要：文章主要介绍了一种小型化圆形高压电连接器的设计方案，简述了高压电连接器基本工作原理、结构设计以及独特的密封设计，并使用ANSYS仿真软件进行了仿真和优化，提高了产品的可靠性。

关键词：圆形高压电连接器;小型化;ANSYS仿真

中图分类号：TM503.5       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）21-0095-02

Abstract： This paper mainly introduces a design scheme of a miniaturized circular high voltage connector， briefly describes the basic working principle， structure design and unique sealing design of the high voltage connector， and uses ANSYS simulation software to simulate and optimize， which improves the reliability of the products.

Keywords： circular high voltage connector; miniaturized; ANSYS simulation

1 概述

高压电连接器作为一种高压信号传输元器件，主要用于行波管、磁控管、高压电源等设备中，与电真空器件配套，是系统工程中不可缺少的部分。高压连接器所传输的高压信号越高，对高压电连接器的耐电压性能要求就越高，相应的连接器尺寸就越大。随着整机设备小型化、轻型化、耐环境性、高可靠性要求的不断提高，对小型化高电压连接器提出了需求。为了提高整机设备的性能，需要使用小型化、环境适应性好的圆形高压电连接器。

本文介绍了一种小型化圆形10kV高压电连接器的设计，满足整机的安装及使用要求，且具有工作电压高、环境适应性好、性能稳定可靠等特点。

2 主要技术指标

（1）工作电压：10kV d.c.;（2）工作电流：3A d.c.;（3）接触电阻：≤10mΩ;（4）绝缘电阻：>5000MΩ;（5）介质耐电压：15kV d.c.（海平面）;12kV d.c.（1.4kPa）;（6）低温低气压：10kV d.c.（-55℃@1.4kPa）;高温低气压：10kV d.c.（125℃@1.4kPa）;（7）振动：10～2000Hz，15g;（8）冲击：50g;（9）机械寿命：500次;（10）工作温度：-55℃～125℃。

3 整体结构设计

小型化圆形高压电连接器为一配对连接器，包括插头与插座连接器。使用时通过插头和插座之间的机械连接，带动接触件之间的插合。接触件包括插针和插孔，其中插针为刚性接触件、插孔为弹性接触件，使得接触件在插合时形成弹性接触，产生低的接触电阻，从而实现良好的电气连接。由于采用高性能绝缘材料以及插合界面密封结构设计，有效地阻断气隙通路，达到了耐高电压的目的。本文介绍的小型化圆形连接器工作电压10kV d.c.， 插合后总长约为34mm。安装方式为竖直安装，螺母紧固。

3.1 插头结构设计

插头连接器由插针、安装板、壳体、连接套、挡板、螺母和高压导线组成，结构示意图如图1所示。

安装板采用硅橡胶模压制作，它具有很高的介电强度、极好的耐电晕的能力、高温稳定性、低温柔性、耐压缩形变性能和极低的吸水性，是很好的界面密封材料和绝缘材料，安装板内表面为圆柱面，圆柱表面有两个等距排列凸起的“密封环”，利用“密封环”的凸起进行界面密封，具有良好的耐压密封效果。外壳采用工程塑料制造，具有良好的机械强度和尺寸稳定性，且重量轻、耐电压强度高;插针接触件采用铜合金，表面镀硬金，提高导电性和抗磨损能力。

外壳进行处理后与安装板之间用胶剂进行密封粘接;连接器外壳能可靠地保持住绝缘安装板;插针和高压导线压接;高压导线表面均匀涂胶后装入安装板内，高压导线为硅橡胶被覆导线，与胶剂粘接性好，保证了插头尾部的密封。

3.2 插座结构设计

插座由插孔组件、紧固螺母、壳体、护套、挡板、螺母和高压导线组成，结构示意图如图2所示。

壳体采用工程塑料模压制作，插孔接触件为圆孔两瓣槽结构，采用具有良好弹性的铜合金、通过精密机械加工制造而成，表面镀硬金，壳体、挡板采用工程塑料制作。

插合界面因采用软-硬配合结构，使得插座部分为硬质工程塑料，工程塑料与导线的密封需要进行处理才能保证粘接性及密封性能。为了实现现场装配，在结构设计中使用具有密封环的护套进行过渡，护套采用硅橡胶模压制作，硅橡胶与导线进行粘接，密封性好。预先对壳体进行处理后，与护套进行粘接，如需要现场装配时，插孔接触件在与高压导线进行压接后，导线和插孔尾部表面均匀涂胶后装入壳体的安装孔内即能保证良好的耐电压性能。

3.3 插合界面设计

插合界面是指插头和插座之间的接触面，如图3所示。

插合界面的结构形式为圆孔和圆柱，通过圆孔和圆柱的插合，形成界面密封结构。

插座壳体设计有六根凸起的圆柱，插头的软安装板上设计有圆孔。圆柱的材料为硬质的工程塑料，具有一定的脱模斜度，端部直径小、底部直径大;圆孔的材料为软质的硅橡胶，圆孔的内壁设计有密封环。

当连接器在插合时，圆柱插入圆孔，由于圆柱的直径和长度均大于圆孔，且材料为一软一硬，因此在轴向和径向上均会产生一定的弹性压缩，形成了界面密封结构，阻断了气隙通路，使得产品在海平面条件下以及低温低气压条件下，都具有良好的耐电压性能。

4 模拟仿真技术

将Creo的三维结构图导入ANSYS中，对电场强度及电场分布进行仿真分析，根据仿真结果优化机构设计。经过多次迭代，最优化的设计结构电场分布均匀，最大电场强度小于材料击穿电压，说明设计合理。

5 试验样品试验数据对照表

对两个摸底批次的试验样品按技术要求进行试验，试验证明设计合理、结构可靠、符合技术要求。数据如表1。

6 结束语

本文介绍的小型化圆形高压电连接器结构简单，使用方便，工作电压高，更加小型化。可长期在低温低气压环境下工作，耐环境性好;尾部特殊密封技术及结构，可实现现场安装及更换，不需要尾部灌封，使用更加灵活方便。

参考文献：

[1]苏太东.DH型矩形高压连接器的设计[J].机电元件，2011，14（2）：1-2.

[2]黄志新.ANSYSWorkbench16.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016：83-88.

[3]高压连接器的基本原理[A].美国第24届連接器与互连会议论文集[C].1991：184-186.