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高壓連接器設計中的6大障礙及其解決之道

2014年07月29日  | Keith Rooney, David Galambos

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設計高壓電纜元件和連接器非常具有挑戰性,必須將電纜元件的許多因素納入考慮。


在開始設計之前,工程師必須先回答幾個普通但非常重要的問題,如:工作電壓和電流是多少?電纜將在何種環境下工作?電纜要求滿足某些規範嗎?用戶有沒有特殊要求?

工程師在回答完上述第一批問題後,就可以開始設計草案了。本文提出了六個最常見的設計問題以及如何避免和克服這些問題的技巧。


尺寸約束

尺寸約束經常使得設計高壓連接器和電纜元件面臨的挑戰特別嚴峻。一般來說,高壓電纜元件是客戶在設計設備時需要考慮的最後一道難題。


高壓連接為了滿足工作所需的空間經常得不到滿足。產品的發展勢是不斷地朝著更小更輕但工作閾值更高的元件方向發展。以空間抵消高壓的做法已經成為過去式了。


許多公司現在希望設計團隊能提出有效的解決方案來解決這些問題,同時還要降低電纜元件的成本。一般來說,必須以客製化的連接器設計才能達到這個目標要求。


以現有連接器為中心的設計

以現有連接器為中心的設計被證明是非常困難的。用戶經常提出的要求是,要使用他們無法丟棄的現有連接器。一般來說,這些連接器的性能達不到他們的要求,或者是與另外一個元件匹配,而此一元件是他們設計中的一顆元老級器件。


另外一個原因是,連接器需要在當前配置不能滿足的更高性能閾值下工作。不管是哪種情況,都要求深入分析連接器元件的內部工作原理。通過與使用者的緊密合作,工程小組需要分析設計所涵蓋的各各領域:使用什麼材料?這些材料有什麼樣的機械和電氣特性?在不影響設計的安裝、形式和功能條件下,可以修改設計的哪些部份來滿足要求的規格?


成本

在當前經濟形勢下,高壓設計的一個主要障礙是保持成本下降。在試圖設計一個可靠、高效和穩健性的連接器並且滿足甚至超過用戶要求時,這被證明是很困難的。在許多情況下,性能最終還是不敵降低成本的要求。


有一些技術可以用來最大程度地降低成本同時又不影響性能。例如,使用庫存並且可用的現有材料,使用現有設計中的硬體,將它們融進新的設計中,並使用現有工具、模具和夾具,用極具成本效益又不影響性能的材料設計新元件。


可製造性

設計的可製造性是一個關鍵部分。設計可能在紙上看起來很漂亮,但容易生產嗎?設計難度影響開發電纜組件所需的直接人力時間,進而影響成本。


設計難度也會影響維持一個可重複且可靠製程的能力。如果製程不可重複,那麼工程師就可能遇到內在的電纜故障。這些潛在製程問題應該在設計審查過程中就要被找出來並解決。


材料

選擇具有所要求的性能特徵並保持設計效率的正確材料很重要。高壓電纜元件和連接器要求材料在電氣性能上和機械性能上都要有優異的表現。


仔細分析工作環境以及環境對材料的影響是很關鍵的。使用不同材料被證明很容易產生問題。材料間良好的黏附力在試圖抵消高壓時尤其重要。材料間沒有很好的黏附力,就無法抵消電壓接受空氣,進而要求設計元件時在高壓和地之間留出更大的空間。


使用相同的材料可實現材料間的凝聚結合(cohesive bond),從而有效地抵消高壓,可使用更小的連接器。如果設計中要使用不同的材料,那麼使用塗料和附著力促進劑被證明是很有用的,具體取決於工程師想要結合的材料。


電暈

無電暈設計(corona-free design)有時確實非常困難。設計良好的無電暈電纜元件可確保可靠、具有彈性,能夠承受長時間的考驗。


在設計無電暈電纜元件時必須考慮許多因素。首先是選擇正確的電纜。大多數設計使用三重擠壓成形的電纜。這可以確保導體和地的平滑和均勻。其次是連接器介面。介面應有足夠的距離來抵消施加的電壓,並消除空氣。


避免設計障礙的技巧

  ◇ 尺寸:儘早開始考慮電纜元件或連接器結構。高壓所要求的空間可能比工程師的想像還多。

  ◇ 使用現有設計:如果工程師需要修改現有設計,最好是諮詢定制設計師,以便他們能夠確保滿足工程師的新要求。

  ◇ 成本:不要太執著於成本。從長期來看,可靠、耐用和安全的設計將會更便宜。

  ◇ 可製造性:不要過度設計。工程師的期望要現實一些。有時越簡單越好。

  ◇ 材料:為了確保電介質之間最佳和最可靠的結合,要使用相同的材料。

  ◇ 電暈/部分放電:連接器幾何形狀非常重要。尖銳的邊角就像電暈天線。所有尖銳邊緣都應盡可能圓形鈍化。

  ◇ 不恥下問:不要害怕向客戶設計師問問題,通過諮詢可以獲得一些有用的設計靈感。





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