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CN106575834A - 大功率连接器 - Google Patents

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CN106575834A
CN106575834A CN201580043695.4A CN201580043695A CN106575834A CN 106575834 A CN106575834 A CN 106575834A CN 201580043695 A CN201580043695 A CN 201580043695A CN 106575834 A CN106575834 A CN 106575834A
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contact
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弗朗西斯·达根
安德烈亚斯·沃格特
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Abstract

一种大功率电连接器，包括用于电源传输系统中的插头和插座。所述插头包括安装于安装端的一导线导体以及从一第二端延伸的一圆形接触部。插头设置成与一插座连接器对接，插座连接器具有用于接合圆形延伸部的套筒以及用于连接于一导线的安装端。由编织物制成的一接触环提供插头和插座之间的一低电阻接口，以使经过接口的热累积的可能性最小化并使电气失效最小化。

Description

大功率连接器
相关申请
本申请主张于2014年8月14日提交的美国临时申请US62/037353的优先权，该美国临时申请通过援引其整体上并入本文。
技术领域
本发明涉及电源连接器领域。
背景技术
本发明概况而言涉及一种导电端子接触件，且更具体而言涉及一种大功率导电端子。这些类型的端子用于电源分配和传输(通常发现在风力涡轮机以及其它的大功率应用)中。在这些应用中，导体与端子之间的连接是由专业人员用液压专用压接(crimping)工具手动就地完成的。连接器永久变形到电缆上。这个过程很慢，需要专业人员并需要认证。
通常，这些类型的插头以及起大功率作用的连接器依赖于包括以一个阵列的多个接触梁(以几十个的量级)的一端子结构。通常这些端子在形状上为圆柱形且包括围绕端子内部形成的多个接触梁，这沿各梁与一个对接端子插针之间的接口的周边形成一系列的单个接触点。这种设计公认地会由于累积电流负载效应而失效。当一个接触点失效时，电流负载被转移到下一个接触点，该下一个接触点与外部负载失效，直到最终发生热失控并发生连接器的完全失效。
发明内容
一种连接器系统提供为包括一插头连接器以及一插座连接器。所述连接器系统用于大功率应用(诸如配电系统，配电系统包括需要导电电源线的风车和其它配电系统)中。连接器系统包括具有一导电本体的一插头，导电本体具有一安装端及一连接端。安装端设置成用于连接于一导线或电源传输线(通过将导线压接到导电本体)。连接端适于连接于对接连接器的一对应的端子。接触部包括一圆形或圆柱形延伸部，用于接合对接连接器的一套筒部。对接连接器也包括连接于一导线或电源传输线的一安装端。
所述连接器系统包括：一导电层，位于插头与插座连接器的对接接口之间。导电层包括由一编织物制成的一接触环。编织物包括用于沿接口形成多个接触点的多个单独的导电纤维。在大电流应用中，由于电阻，热累积对于导电性能够成为一个潜在问题。使用较少的接触点，热量累积能够局部化，这导致多个单独接触点失效，单个接触点失效进而转移到下一个点。在这种情况下，失效将从第一失效点继续到第二失效点等等，直到整个连接失效。在这种情况下，人们能够赏识提供一低电阻接触路径的具有一新颖的接触接口的一大功率连接器。
附图说明
本发明借助实例示出但不限制于附图，在附图中类似的附图标记表示类似的部件，且在附图中：
图1是根据本发明的连接器组件的一立体图；
图2是根据图1的连接器组件的一分解图；
图3是根据图1的连接器组件的另一分解图；
图4是插头连接器的对接端的一细节图；
图5是插座连接器的对接端的一细节图；
图6是根据图4的插头连接器的对接端的一分解图；
图7是根据图5的插座连接器的对接端的一分解图；
图8是根据图4的插头连接器的对接端的一剖开图；
图9是根据图5的插座连接器的对接端的一剖开图；
图10是接触环的一立体图；
图11是项圈的一立体图；
图12是根据图1的连接器组件的一剖开图；
图13是根据图12的连接器组件的一细节图
图14是根据图1的连接器组件的表示电流流动和电阻的一示意图；
图15是电流流过接触环的一示意图；
图16是接触环的一电气模型；
图17是接触环的另一示意模型；
图18是接触环的又一示意模型；
图19是根据图1的连接器组件的接触环的编织物的一细节图；
图20是接触环的编织物的一细节图；
图21是接触环的编织物的一电阻模型；
图22是连接器与接触环接口的一总电阻示意图；
图23是根据图22的总连接器接口的编织部的一电阻示意图；以及
图24是现有技术的一立体图。
具体实施方式
如下所述，本文给出了本发明的多个实施例；但应理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制，而仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础，以用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。应理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。
如图1-图3所示，连接器系统100包括：一第一连接器或插座连接器60以及适于沿A方向对接在一起而电气接合的一第二连接器或插头连接器10。如图5、图7和图9所示，插座连接器60包括：一导电本体80，由一导电材料(通常为铜或一铜基合金)制成。在某些电源线传输应用中，铝也可以用作导电元件。一安装端62设置在本体80的一端而一连接端64设置在本体80的另一端。具有一绝缘护套以及一露出的导电部72的一导线70固定于插座连接器60的本体80的安装端62。在所示的实施例中，导电部72插入安装部62且安装部62被压接在74以将导电部72固定于本体80。其它的实施例包括连接方法(诸如熔接或焊接)。
本体80的连接端64以一套筒82的形式构造，套筒82具有一开口84和一对形成在套筒82上的一对槽缝(slot)86。套筒的内部包括：一对突起88，形成在套筒82的开口84的内表面上且围绕开口84的圆形周边延伸。在所示的实施例中，突起88被示出为圆形，但是可以考虑其它形状。形成在套筒82的侧面的槽缝86在套筒82中产生柔性，以使套筒82在对接连接器插入时套筒82能够变形(deflection)和扩张。一夹具90设置套筒82的外部且置于槽缝86上。夹具90限制了套筒82的变形和扩张，从而当连接器对接在一起时提供过应力保护并增加法向力。在本实施例中，夹具由一较高抗拉强度的材料(诸如不锈钢)制成，但也赏识限制套筒82扩张的其它材料。
如图4、图6和图8所示，第二连接器或插头连接器示出为具有一本体20，本体20包括：一安装端12，从本体20的一端延伸；以及一连接端14，从本体20的另一端延伸。具有一绝缘护套以及一露出的导电部32的一导线30固定于插头连接器10的本体20的安装端12。在所示的实施例中，导电部32插入安装部12且安装部12被压接在34以将导电部32固定于本体20。其它的实施例包括连接方法(诸如熔接或焊接)。
插头连接器10包括带有一连接端14的一本体20，连接端14具有从本体20沿A方向延伸的一圆形部24。尽管实施例中延伸部24被示出为圆形，其它的横截面(诸如正方形，六边形等)可以考虑。延伸部24包括一圆形的头部(tip)28，用于在插头连接器10与插座连接器60对接时提供一引入功能。在本实施例中，与延伸部24的形状一致的一接触环40(接触环为40圆形)设置在延伸部24上，且一项圈(collar)50置于延伸部24上并将接触环50保持在延伸部24上。
如图10中最佳所示，接触环40由多个单根导电纤维42编织成一编织物44而制成，在本实施例中，编织物可以为一银镀铜的编织物并通过将多个单股线编织在一起形成一网状图案而制成。在所示的实施例中，多个单根导电纤维示出为镀银的铜线，替代实施例可包括其它铜基合金或具有其它高导电镀层(诸如锡或金)的导电材料。编织物符合Mil SpecQQB575或A-A-59569并以管状形式提供。如图11最佳所示，项圈50形成为与延伸部相同的形状并设置在延伸部24上。项圈50由一金属材料形成但也可以由一绝缘材料形成。项圈包括一安装端56以及一鼻端58。
一旦接触环40已经定位在延伸部24上，则项圈50被置于延伸部24上并朝接触环40平移。项圈50的安装端56与接触环40的编织物44的前缘接合并向内压接或压挤，以将接触环40夹紧就位。为了有助于组装，一凹部26形成在延伸部24，以形成供项圈50坐落(reside)的一穴部26。穴部26还使项圈50和接触环40就位置于延伸部24上。这在接触环40和项圈50的组装期间通过产生触觉反馈来建立，也就是说，当项圈50朝向接触环40行进时，项圈50基本上被推到延伸部24上且当项圈50的安装端56向下夹紧在接触环40的相对边缘时而卡扣到穴部26中。项圈50能够进一步压挤以使项圈50最终锁定在延伸部24上。此外，项圈50包括形成在项圈50的外表面上的多个间隔开的斜坡54(ramps)，且这些斜坡54包括渐缩的缘部55、55’以在对接时进一步将插头10的延伸部24引导到插座60的套筒82中。
在图12和图13中示出了对接组件。插头连接器10插入插座90的套筒82中且头部28与开口84对准。随着插头60进一步插入，头部28引导插头10并沿轴向A方向预对准插头60。再进一步插入，斜坡54通过渐缩的缘部55、55’接触套筒82的内表面且使插头10的延伸部24与套筒82的开口84进一步对准而提供一更精确的对准度。一旦对准，延伸部24的进一步插入启动位于延伸部24上的接触环40与套筒82的连接端64之间的电接触。
如图13最佳所示，在插头10完全与插座60对接时，两个连接器之间的电接触通过接触环40形成。如图所示，形成在套筒82上的突起88直接设置在接触环40的编织物44上。由于套筒82的施压(biasing)效果和弹性与夹具90的附加硬度组合，突起88突出到编织物42中。编织物44的构造允许导电纤维42移动并使得纤维42与编织物44接合的突起88的形状相符合。在这种情况下，编织物基本上围绕突起88。一旦对接，电流从电缆70穿过母插座80和套筒82并均匀地分布在由编织物44产生的多个接触点和插座连接器60与插头连接器10的延伸部24之间的接触。
在另一实施例中(未示出)，插头连接器的延伸部可包括一台阶部，也就是说，延伸部将具有一附加部分(附加部分具有较小直径)。在本实施例中，连接器组件将包括利用一个接触环的两个电气接口。各接触环在尺寸上将适合于延伸部的各台阶部。插座连接器包括与延伸部的对应的台阶部匹配的一台阶状的套筒。在本实施例中，存在有能使通过连接器系统的电流分流而进一步均匀的一第二电接口。在数百个接触点上分流(split)电流的过程减少了连接器的焦耳热。编织物接口长度也使焦耳热过程(process)最小化。编织物长度小于1mm。例如一1000安培负载能够在编织物接口被分成更易于管理的5A负载。如图13和图15示出通过编织物接口的一段。
如图24所示，Louvertac带140通常用于电流设计中，以在大功率接口处将电流分流。公压接插针110包括一个或多个凹槽以收容能够镀铜、锌、镍、银及锡(Cu Zn Ni Ag&Sn)的Lourvertac带140。例如，一Louvertac公端子(LA1BS型)0.15mm BeCu能够以3英尺长度最小银镀镍获得；对于直径(ID)为36.8mm的母端子160而言额定为1100A/带且对于直径(ID)为30mm的母端子而言额定为900A/带可选地通过增加额外的带来减小直径。母压接端子160能为镀铜、锌、镍、银和锡(Cu Zn Ni Ag&Sn)。
所示实施例的设计通过提供降低总体电阻的一较低电阻(整体(bulk)编织物)来改进Louvertac带140。图12和图13示出了周向接触点CPC以及电流路径CP的最小长度。如图14所示，一电阻模型由电阻(总体)(Resistance(overall))＝电阻(整体电缆1)(Resistance(bulk cable 1))+电阻(永久连接1)(Resistance(permanent connection1))+电阻(整体端子1)(Resistance(bulk terminal 1))+电阻(触点)(Resistance(contact))+电阻(整体编织物)(Resistance(bulk braid))+电阻(整体端子2)(Resistance(bulk terminal 2))+电阻(永久连接2)(Resistance(permanentconnection2))+电阻(整体电缆2)(Resistance(bulk cable 2))表示。
如图19所示，如果假定电流从圆形横截面的中心穿过过多根股线(strand)并进入外套筒，那么电流必须穿过编织物的股线的距离非常小。Pouillets定律将电阻R定义为材料电阻率ρ乘以电流行程L的距离除以垂直于电流行进方向的截面积A，即R＝ρL/A。所以，如果L很小，那么电阻也会很小，且这是编织物很好起作用的原因之一。图15-图18显示了通过系统的电流路径，而图21显示了电流路径电阻。图22和图23所示的示意图提供了能够预期的使用编织物接口的典型电阻布置的一般描述。该系统的另一个优点是它以一个可定义和可预测的阵列图案创建多个接触高点(contact high points)，这对于设计者是一个优点。
必须考虑的该电接口的其它因素是增加的编织物间距减少了电流流动的并行路径的数量，这增加了电阻和产生的焦耳热。股线数量的减少增加了连接器的热电阻。组合的热电效应增加了编织物接口的温度。增加的接触力通过增加可用于编织物和端子的接触面积来减小接口电阻。在电阻上的减小减小了装置的焦耳热和接口的总体温度上升。连接器设计应通过使铜编织物材料具有一最大股线直径、紧密压紧的股线间距、具有一涂有高导热及导电率-硬度比(对于这种情况银是最佳的选择)的镀层表面以及考虑到编织物损伤应用于各股线上的尽可能高的接触力而使焦耳加热最小化。
以上描述说明了用于一线对线连接系统的一连接器组件系统。系统示出为利用一插针和插座形式的连接元件的一个单线导体到一个单线导体。插针和插座露出，且插针和插座的导电本体部能够没有任何绝缘屏障被接触(access)。在采用了上述大功率连接系统的其它实施例中，结合有绝缘基座。
通常，连接器系统包括一对由绝缘材料模制而成的配合的基座。两个基座均包括：一腔体，穿过基座形成的一腔体，保持相应的插头连接器或插座连接器，且两个基座包括：一接口，用于将两个基座接合在一起并提供一穿过开口，以使插头和插座能够对接而提供电连接。两个基座还可包括设置在接口上的一锁定特征(锁定特征防止两个连接器在正常操作中分离)，从而在基座之间提供一正(positive)连接。两个基座通常由塑料模制而成，且本质上是刚性的；由弹性材料(诸如橡胶)制成的其它基座也可被认可。这些材料提供必要的绝缘屏障，但也要有一定程度的柔性。在大规模连接器系统中，这可以提供额外的应变消除并且容易操控。
将理解的是，存在有上面所述的列举的实施例的对于本领域普通技术人员而言显而易见的各种修改，诸如压接(compression)连接器组件和/或其构件的各种变形和修改，所述各种变形和修改包括在本文中单独公开或主张的那些特征的组合、明确包括这些特征的其它的组合或者接触阵列连接器(contact array connectors)的可替代的其它类型。此外，在材料和结构上存在有许多可能的变形。

Claims (28)

1.一种连接器组件，包括：
一第一连接器，具有：一第一端，连接于一导体；以及一第二端，具有一套筒，套筒端包括形成在其上的一槽缝并限定一开口，以及
一第二连接器，具有：一安装端，连接于一导体；以及一对接端，具有设置成装配于所述开口中的一接触部，一接触环设置在所述接触部上，其中在所述第一连接器对接于所述第二连接器时，所述接触环提供所述套筒与所述接触部之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的连接器组件，其中，所述接触环通过一项圈保持在所述接触延伸部上。
3.根据权利要求2所述的连接器组件，其中，所述项圈包括一对准斜坡。
4.根据权利要求3所述的连接器组件，其中，所述项圈由一导电材料制成。
5.根据权利要求1所述的连接器组件，其中，所述接触环为一编织物。
6.根据权利要求5所述的连接器组件，其中，所述编织物由多根单个导电纤维构成。
7.根据权利要求6的连接器组件，其中，所述编织物为铜。
8.根据权利要求1所述的连接器组件，其中，所述开口包括一突起。
9.根据权利要求8所述的连接器组件，其中，所述突起围绕所述开口环形设置。
10.根据权利要求9所述的连接器组件，其中，所述开口包括一第二突起。
11.根据权利要求10所述的连接器组件，其中，所述突起具有一圆形横截面。
12.根据权利要求1所述的连接器组件，其中，一夹具设置在所述套筒上。
13.一种连接器，包括:
一安装端，连接于一导体；以及
一对接端，所述对接端具有一接触部，所述接触部设置成接合形成在一第二连接器上的一套筒，所述接触部包括设置在所述接触部上的一接触环，其中在所述第一连接器对接于所述第二连接器时，所述接触环提供所述接触部与所述套筒之间的电连接。
14.根据权利要求13所述的连接器，其中，所述接触环通过一项圈保持在所述接触部上。
15.根据权利要求14所述的连接器，其中，项圈包括一对准斜坡。
16.根据权利要求13所述的连接器，其中，所述接触部为圆形。
17.根据权利要求16所述的连接器，其中，所述接触部包括一台阶部。
18.根据权利要求17所述的连接器，其中，一第二接触环设置在所述台阶部上。
19.根据权利要求13所述的连接器，其中，所述接触环为一编织物。
20.根据权利要求19所述的连接器，其中，所述编织物由多根单个导电纤维构成。
21.根据权利要求20所述的连接器，其中，所述编织物为铜。
22.一种连接器系统，包括:
一第一连接器组件，包括一第一基座，一第一连接器保持在所述基座中，所述第一连接器具有：一第一端，连接于一导体；以及一第二端，具有一套筒，套筒端包括形成在其上的一槽缝并限定一开口，以及
一第二连接器组件，包括设置成可拆装地接合所述第一基座的一第二基座，一第二连接器保持在所述第二基座内，所述第二连接器具有：一安装端，连接于一导体；以及一对接端，所述对接端具有设置成装配于所述开口中的一接触部，一接触环设置在所述接触部上，其中在所述第一连接器对接于所述第二连接器时，所述接触环提供所述套筒与所述接触部之间的电连接。
23.根据权利要求22所述的连接器系统，其中，所述接触环通过一项圈保持在所述接触部上。
24.由权利要求23所述的连接器系统，其中，所述项圈由一导电材料制成。
25.由权利要求22所述的连接器系统，其中，所述接触环为一编织物。
26.由权利要求25所述的连接器系统，其中，所述编织物为铜。
27.由权利要求22所述的连接器系统，其中，所述第一基座与所述第二基座锁定在一起。
28.由权利要求22所述的连接器系统，其中，所述第一基座及所述第二基座均由一绝缘材料制成。
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