自动对接电缆连接器的设计

摘要：本文介绍了一种特殊电缆连接器，用于连接可移动感应加热炉的中频电缆，可实现自动对接，接触压力可以调整。详细描述了连接器的结构和工作原理，确定技术要求、技术参数，分析了接触电阻的影响因素，讨论了接触电阻的计算方法。

关键词：电缆连接器 接触电阻 可移动感应炉

0 引言

电磁感应加热炉是金属热处理的常用加热设备，它工作效率高、操控方便，在工业热加工中得到广泛应用。但在使用过程中装填料比较麻烦，只能单个装取，无法实现批量生产，特别是加热处理细小零件非常不便。可移动钟罩式感应加热炉[1]（图1所示）很好地解决了上述问题。加热前可以先将零件码放在物料舟皿当中，加热时将感应加热器罩在物料舟皿上，加热完成后再将感应加热器移开，这样工作效率大大提高了。

在实际使用过程中又出现了另一个问题。感应加热器功率较大，开机时既要通电，还要通水，感应加热器连接着电缆和水管，在移动的过程中会受到电缆和水管的牵扯，很容易碰到物料舟皿。如果每次移动感应加热器都拆装电缆和水管，又很麻烦，本案就是要设计一种特殊的电缆连接器，可实现自动对接和拆卸。

1 电缆连接器的结构和工作原理

连接器如图2 所示，由接触件A（插接头）、接触件B（插接孔）、壳体、漏屑孔、预紧弹簧、调整螺栓、弹簧座圈、连接线等组成。接触件A与图1中的感应器3刚性连接，接触件B通过连接线7与中频电缆连接。接触件A与感应器一起移动，靠感应器的重力插入接触件B的座孔中，接触压力可通过调整螺栓进行调节，插接头与插接孔略带锥形，压紧时接触牢靠，分离时方便拔出。一般热处理车间工作环境比较恶劣，灰尘、铁屑较多，很容易落入接触件座孔中，影响连接器接触效果，因此，座孔中设计了漏屑孔。

2 连接器的技术要求

工业用感应加热炉功率较大，连接器在工作中要承受高电压、大电流的冲击，还要承受反复拔插的磨损，因此要求连接器要有足够的机械强度，良好的绝缘性能，可靠的接触。以200KW感应炉为例，连接器主要技术参数：

额定电压：1500V 额定电流：280A

接触电阻：≤0.1mΩ。绝缘电阻：接触件对护套间绝缘电阻≥500MΩ。

耐压：接触件对护套间承受AC 2800V 1分钟绝缘

介电强度试验，无击穿，无闪络。

3 接触电阻

在使用电缆连接器时，必须将其接触电阻控制在设计范围内，这是保证设备正常运行的前提和基础。接触电阻是对导体件呈现的电阻，它主要包括收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻三部分：①当电流流经接触区时，电流会从原来截面较大的导体流向截面很小的接触点，在此过程中，电流发生剧烈收缩（或集中），这种现象呈现出来的附加电阻即为收缩电阻或集中电阻。②接触电阻的表面氧化物时间一长，就会形成一层表面氧化层。表面氧化层和其他污染物所形成的电阻就被称为表面膜电阻，又称界面电阻。③导体受自身导电性能的影响，在实际测量电连接器接触件的电阻时，一般都在接点的引出端进行，因此实际测出的接触电阻同时也包含了接触面以外的接触件以及引出导线本身的导体电阻。导体电阻大小主要由金属材料本身的导电性能决定，它与周围环境温度的关系可以用温度系数来表示。

为了便于区分，我们通常将收缩电阻和表面电阻合称为真实的接触电阻，而把实际测量出来的包含导体电阻的接触电阻称为总接触电阻。

R=Rs+Rf+Rp，Rs——收缩电阻，Rf——膜层电阻，Rp——导体电阻

4 接触电阻的影响因素

将连接器置于显微镜下，即可观察到其接触件的表面，尽管它的镀金层较为光滑，但仍能观察到其表面有5-10微米的凸起部分，并能看到一对插合的接触，它不是整个接触面的接触，而是散布于接触面的一些点的接触。通常情况下，实际的接触面必然比理论接触面要小。从表面的光滑程度和接触压力的大小来看，实际接触面和理论接触面的差距可以高达几千倍。

影响接触电阻的因素主要包括接触材料、接触压力、接触形式以及温度等。

4.1 接触材料 电接触本身的组成材料会直接影响接触电阻的大小，而这些影响性质主要包括金属材料的电阻率ρ、布氏硬度HB、化学性能以及金属化合物的机械强度和电阻率等。接触材料的电阻率越大，接触电阻越大；材料的硬度越大，接触电阻也越大。本装置在充分考虑性能和成本的基础上，选择了铜镀锡作为其接触材料。

4.2 接触压力 接触压力，即接触件彼此施加给对方表面的力，直接作用并垂直于接触表面。随着接触压力的不断增加，接触微点的数量以及所占面积也逐渐增加。同时，接触微点也逐渐由弹性变形向塑性变形过渡。集中电阻变小，接触电阻也相应地变小。当接触压力高于一定数值（150N左右）后，接触电阻将不再发生变化。实验表明，当接触压力值较小时，接触电阻最大值与最小值的差别将减小至1.5倍。而本装置的弹簧压力必须高于150N。

4.3 接触形式 接触电阻的接触形式同样会对接触电阻的大小造成影响。接触形式主要有以下三种：电接触、线接触和面接触，当接触压力较小时，点接触的接触电阻值也较低；而接触压力较大时，面接触的接触电阻也较低；当接触压力增至更大时，三种接触形式的接触电阻差异不大。本装置主要依靠感应器自身的压力以及弹簧弹力压紧连接器，相比其他形式，其接触压力较大，故采用面接触。

5 计算接触电阻的经验公式

影响接触电阻的因素很多，要准确计算接触电阻是很困难的，通常只能用经验公式进行估算。一般经验公式如下：Rc=Kc÷（0.102F）m[μΩ]

F：接触压力

m：与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5、0.7、1（也有线接触取0.75，高压力时的面接触取0.8～0.95）。

Kc：与接触材料、表面情况、接触形式等有关的系数，通常由实验得出，见下表：

■

6 结论

本装置结构简单，维修调整方便，加工成本低。使用的关键是要保证连接器连接可靠，接触面干净光滑，有足够的接触压力，确保接触电阻≤0.01mΩ。缺点是，连接器对接比较困难，需要导向装置进行配合，使得设备结构变得复杂，这需要进一步完善改进。

参考文献：

[1]兰新武.新型钟罩式多炉膛感应加热炉的设计与开发[J].西安：热加工工艺，2008（1）.

[2]兰新武.浅谈晶闸管中频电源零压启动[J].电源技术应用，2008（12）.

[3]李景祥.电缆的故障处理方法及电缆与电气设备连接应注意的问题[J].科技与企业，2012（04）.

本文为湖南省高校科研课题论文，《可移动钟罩式感应加热炉中频电缆连接器设计研究》（编号：11C1339）。

作者简介：

兰新武（1967-），男，湖南株洲人，副教授，硕士学位，从事中频感应加热设备的开发与应用研究，主持省级课题1项、市级课题2项，发表论文十余篇。