电磁联锁连接器的研制

电磁联锁连接器的研制

唐高健，陈龙，施淼森

南京康尼科技实业有限公司 江苏省 南京市 210038

1引言

本文介绍一款电磁联锁（结构）连接器，解决现有连接器因误操作出现带电插拔的安全隐患问题。

2总体结构及工作原理

2.1总体结构及工作原理

电磁联锁连接器由插头、插座及联锁结构组成。插座通常安装在电箱端面，后部通过端子压接电缆与电力系统连接。

插头整体外形呈水滴状并带有插头防护盖，通常设置在电箱外侧。插头体与插头盖间配有密封圈，用来提升防护性能。当插头与插座接合后即可实现电力传输。插座上带有行程开关用于检测插头插座是否插合到位，当插头与插座插合到位时，插套受力产生动作，触发行程开关，传递控制信号。为了满足互换性的要求，电磁联锁结构做成独立的控制单元，这样就可在不改变原连接器的接口尺寸条件下，实现防止带电插拔的目的。连接器操作件的设计综合考虑了操作方式、操作力的大小、操作力的平稳性及接触对的接触稳定性。操作件和标准件采用不锈钢材料，可有效地防止污染和使用环境恶劣而引起的锈蚀和操作不灵活。接触对采用了锥度自锁紧式的接触对形式，目的是为了用较小的操作力就能在结合面上获得较大接触应力，并在结合后能产生自锁作用，从而保证接触面积大、接触电阻小；同时接触对也采用压缩弹簧保持恒定的接触压力，提高耐振动性能要求，保证电性能连接定可靠。

2.2插头插座工作原理：

插座在无插头插入时，或插头插合未到位时，行程开关属于断开状态，连接器电路不具备通电要求，插座无法通电，只有当插座插合到位后，连接器才可正常通电。连接器通电后，电磁铁得电向前动作将钢球顶出并使其卡入拉钩的槽中（拉钩被限位不能前后运动），摇臂不可打开，实现锁紧功能；连接器失电，电磁铁复位让出钢球活动空间，摇臂可以自由打开，锁紧功能解除。

3技术创新点

3.1电磁联锁机构设计（产品结构见附件1：）

结构原理：在确保与原产品互换性的前提下，通过在导向机构上设置联锁机构控制连接器的开合动作，解决连接器因误操作出现带电拔出的安全隐患。

电磁连锁结构中的动力源为推拉式直流电磁铁（通电保持型），是通过将磁力转化为往复运动的动力。推拉式直流电磁铁并紧螺母和内螺纹过渡套可形成双螺纹防松结构，保证推拉式直流电磁铁连在振动的环境下连接可靠不会松动。过渡套端面开有密封圈安装的密封槽，通过螺纹拧紧压缩O型密封圈从而达到密封防护的功能。导杆端面也是通过密封螺栓加“O”型密封圈达到密封防护的功能。

插座在通电状态下，推拉式直流电磁铁（通电保持型）得电，带动锁紧拉杆动作至前位，此时钢球被顶出，顶出的部分钢球进入锁紧拉杆限位卡槽内，锁紧拉钩被钢球锁死，摇臂无法向上推起，锁紧拉钩与插头上定位柱保持卡接，插头无法拔出插座

在传动中需克服锁紧拉杆的自身重量及与导杆间的摩擦力。为了减轻零件的自身重量，将锁紧拉杆设计为台阶轴式。为了减少摩擦力，将台阶的台阶面增加R角减小与导杆的接触面。同时为减少动力源在传动过程的动力流失，传动结构和动力源的连接设计为卡扣式浮动连接，此连接的优点在于传动时可以消除动力源和锁紧拉杆的装配误差，提高动力源的使用率也方便零件的安装拆卸。电磁连锁机构中的传动结构为活塞式推拉传动，锁紧拉杆和伸缩杆接触方式为点面接触可以保证施加的动力和传动方向一致，此也可保证在传递动力时不会因锁紧拉杆过长发生憋劲、卡涩等现象。

由于锁紧拉杆的前端的顶出部为球面，可以减小钢球顶出时的摩擦力。导杆端面也是通过密封螺栓加“O”型密封圈达到密封防护的功能。

插座在失电状态下，推拉式直流电磁铁不得电，锁紧拉杆缩回保持在原位状态，此时钢球可在导杆中自由活动，钢球无法对锁紧拉钩进行限位，在向上推起的锁紧摇臂作用下锁紧拉钩伸出，锁紧拉钩与插头上定位柱脱离，插头插座可以正常插拔。

失电时，推拉式直流电磁铁靠复位弹簧的弹力拉动锁紧拉杆进行复位，为了保证复位的精确性，增加了限位套，限位套为塑料件，在复位时不仅不会对锁紧拉杆底部造成磨损而且可以起到减震的作用。推拉式直流电磁铁并紧螺母和内螺纹过渡套可形成双螺纹防松结构，保证推拉式直流电磁铁连在振动的环境下连接可靠不会松动。过渡套端面开有密封圈安装的密封槽，通过螺纹拧紧压缩O型密封圈从而达到与插座体之间密封防护的功能。

3.2电磁联锁机构推力分析计算

3.2.1电磁连锁结构推力分析

因电磁联锁机构是水平安装使用所以推力等于摩擦力F推力= F摩擦力=m×g×(sinα+μcosα) ×S

零件受公差等因素影响，推力计算公式中∠α大小取决于零件公差等级

实际传动中存有2处夹角（∠a1与∠a2见附件1），但∠a1接触后∠a2不会接触，所以本联锁结构夹角按∠a1值进行计算

3.2.2电磁连锁结构设计计算

3.2.2.1∠a1计算

tanα=短直边/长直边 (两直边相比)

短直边 与tanα成正比 →选最大值

长直边 与tanα成反比 →选最小值

∠a1短直边 max= 0.5mm 长直边=3.9mm

tana1=0.5/3.9=0.125 →∠a1=arctan0.128≈7.3°

3.2.2.2 F推力计算

F推力参数

锁紧拉杆质量：m≈0.21kg

摩擦系数：μ=0.15(钢-钢 无润滑摩擦系数)

g=10

钢球质量过小推力忽略，安全系数提高S=3

F推力=mg(sinα+μcosα) ×S

F推力=0.21×10×(sin7.3°+0.15×cos7.3°) ×3

F推力≈1.71N

推拉式直流电磁铁推力≥1.71N即可

3.3行程开关结构设计（防止带电插入）

结构原理；沿用插销、插套锥度设计,在插座上增加行程开关（图3-3-1），并让插套在轴向留有一定的浮动量，用弹簧作为受力的支持，在受到来自插销轴向力时也可以轴向移动，触发行程开关，实现禁止带电插入的需求。同时将插套根部改为R角，是为了保证行程开关与插套根部接触平稳，

插座未插入插头（插合深度未到位）时图3-3-2，弹簧不受力，插套保持在前位，行程开发无法被触发，插座不具备通电条件；

插座插入插头时，下拉连杆摇臂，插销向插套施加压力，压缩弹簧，带动插套向后移动，摇臂连杆移动至极限位置后，行程开关触发，插座具备通电条件，可正常通电

附件1

1.推拉式直流电磁铁（通电保持型）、2.并紧螺母、3.内螺纹过渡套、4.限位套、5.“O”型密封圈 6.导杆、7.锁紧拉杆、8.钢球、9.端面密封螺栓、10.“O”型密封圈

参考文献

[1]成大先《机械设计手册》.廊坊市.三河市航远印刷有限公司.2017