KH型光电混装连接器的设计

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以前高压连接器、低压连接器和光纤连接器在电子装备中是分开安装的，但随着高低压和光纤端子的增加，安装需要的空间会越来越大，维护和保养也越来越困难。现代及未来战争对军用电子装备提出了小型化、集成化和模块化的要求，并且要求越来越高，国外的先进武器系统许多部件都实现了集成化和模块化，一旦有问题，可以用手提电脑连接上武器装备上的数据检测系统进行在线检测，检测后可立即对损坏的模块进行整体更换，所以维护和保养特别方便，节省了维护的时间，战场生存性更强。在这个背景下，许多军用的电子装备各部件都进行了整合，光电混装连接器也因此应运而生，有效地解决了安装空间和维护问题。

本文的连接器主要用于电子对抗装备中电源供电、电信号和光信号的数据连接，它不仅可以具有低压接触件和高压接触件，还包括了光接触件，是光纤连接器、低压连接器和高压连接器的有机组合。

产品整体结构设计

该连接器属于多芯快速分离类。为了防止误插，插头壳体和插座壳体设计有五键槽结构；多芯快速分离类连接器是采用卡钉和螺旋套实现快速连接与快速分离，借助于五键槽完成连接器定位，用连接套将插头连接器连接到插座连接器，采用波纹簧锁紧机构保持恒定界面压力。为了达到快速分离的目的，在插头外壳上配有连接套，连接套的内孔壁上设计有三条等螺距的螺旋线结构的卡口螺旋槽，在卡口槽的底部有卡钉通孔，可观察连接器的啮合；相应的，插座外壳表面设计有三只卡钉，可旋至螺旋槽的底部，插头旋到位后，连接器即可锁紧。

由于采用了金属外壳、EMI设计，可靠性高，高低空都有优良的耐

压力，在插座和插座插配时，弹簧的压缩量达到最大，弹簧的设计可以参考图6。

配合结构的设计计算

高压连接器设计的关键在于绝缘体的各个部分及各个层面都要有足够的耐击穿强度，通过对电场强度的计算分析，校核本产品绝缘材料的击穿强度是否能够满足要求。

本连接器的主要技术指标为：

工作电压：5.6kVDC；

耐 电 压：10kVDC；

使用的材料：硅橡胶：体积电阻率9.6×1016Ω？cm 耐电压30kV/mm；

DAP：体积电阻率8.2×1016Ω？cm耐电压22kV/mm。

直流电压下，三层介质中各层分到的电场场强为： 3.7mm，ρ1（ρ3=ρ1）和ρ2分别为8.2×1016Ω？cm和9.6×1016Ω？cm，试验电压V为10kV。将相应数值分别代入公式，可以得到插合部位内、中间层和外层的最大电场强度为4.09kV/ mm、4.96kV/mm和2.67kV/mm。同时，考虑到场强的叠加，我们按照最严酷的工作条件进行分析，即四个接触件全部加上高电压，这时连接器内部的电场会相互抵消，而外部的电场则相互叠加，在图中的A处形成最大场强，计算A处的场强则需要经过复杂的积分和叠加计算。

通过对绝缘界面进行电场强度的设计计算后可知，连接器的最大场强远远小于材料的介电强度，同时各层的电场场强设计得比较均匀，说明连接器在结构尺寸和材料的选择上是合适的。

ANSYS的仿真分析

对于高压电连接器的设计来说，快速和准确地了解整个连接器结构设计中各点的场强，找出结构中的最大场强点和场强值，以满足设计要求的在最大的测试电压下都不会损害绝缘材料。这对于高压连接器设计论证、优化结构和缩短产品的研制周期来说非常重要。对于单芯连接器来讲，理论计算电场强度较为容易，但对于复杂的多芯连接器来说，则变得很困难，而借助ANSYS有限元分析则简单准确。

图9和图10为所形成的多层结构各点的电场和电压分布。

图11和图12是模型截面的ANSYS仿真图。可以定性和定量地分析我们所关心的各个部分的电场强度，有助于我们在设计时多考虑电场强度最严酷地方的界面进行空气密封或结构优化，同时也可以据此对产品的结构力进行ANSYS仿真，分析界面所需要的密封压力。从图10中上部分的箭头标记处可以看处密封界面的场强所对应的色彩区域，具体的值如图中的箭头所指，可以看出和计算的值有些出入，但差别不大，这是由于计算时，接地面和实际的接地面有所区别，但仍然可以得出结论仿真和计算结果是接近一致的。图8中的场强最大点MX是由于网格划分得不够细，也很难避免零件的尖角，从而产生此处界面的网格尖角，这也要求我们在加工接触件时应尽量避免向外凸的尖角。

图11和图12是该连结器插头插座配合时横截面的电压、电场分布图，在靠近四个高压接触件的外端产生的场强是最大的，从分布图中可以看出理论计算和仿真的图基本一致，都在材料的承受范围内，所以该产品耐压设计的难点应主要考虑的不是材料的耐压能力，而是材料的密封性能，特别是在低温低压下的材料收缩后的密封性。