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开关、插座中端子连接技术的分析及运用

beihua  发表于 2010/8/27 11:27:48      1068 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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        摘要介绍了开关、插座中, 端子各种类型接线方式及主要特点, 详细阐述了影响端子连接可靠性的各种因素, 分析了端子连接技术在开关、插座中的运用。
        关键词         开关          插座          端子连接          螺纹型端子          无螺纹型端子
        端子是指用于进行外导线电气连接的、可重复使用的、有绝缘或无绝缘的连接器件, 它在开关、插座中扮演重要的角色, 端子连接的可靠性直接影响到开关、插座的使用安全。随着开关、插座产品创新的不断发展, 其接线方式也在发生着一系列的演变, 下面将介绍几种常见的端子。
        1 端子连接的分类
        1. 1 螺纹型端子
        用于连接或断开一根导线或用于将两根或多根可以拆卸的导线进行互连的端子, 而这种连接是直接或间接地通过任何类型的螺钉或螺母来进行的, 螺纹型端子主要包括以下几种。
        1. 1. 1 柱型端子
        将导线插入孔或槽中并夹紧在螺钉端部之下的螺纹型端子, 夹紧力可以直接由螺钉端部施加或通过螺钉端部压力的中间夹紧件来施加。
        1. 1. 2 螺钉端子
       将导线夹紧在螺钉头下面的螺纹型端子, 夹紧力可以直接由螺钉端部施加, 或通过一个中间部件, 如垫圈、夹紧板或防松部件之类来施加。
         1. 1. 3 螺栓端子
        将导线夹紧在螺母下面的螺纹型端子, 夹紧力可以由经过适当加工成型的螺母直接施加, 或通过一个中间部件, 如垫圈、夹紧板或防松部件之类来施加。
         1. 1. 4 鞍型端子
        由两个或多个螺钉或螺母将导线夹紧在鞍型片之下的螺纹型端子。
         1. 1. 5 罩式端子
        通过螺母将导线夹紧在螺栓槽底部的螺纹型端子, 在这种端子中, 通过螺母下面、形状经过适当加工的垫圈、中心销或通过能将螺母压力传递到槽内导线上的等效部件将导线夹紧在螺栓槽底。
        1. 2 无螺纹端子
        用于连接或断开一根硬导线或软导线, 或互连两根或多根可拆卸的导线的连接部件, 而这种连接是在相关导线只剥去绝缘或不作其它任何加工的情况下,直接或间接地通过弹簧、锲块、偏心轮或锥轮来进行的, 无螺纹型端子主要包括以下几种。
         1. 2. 1 弹簧端子
        导线只剥去绝缘而不作其它任何加工的情况下,将导线插入接线孔, 直接或间接地通过弹簧、锲块、偏心轮或锥轮来进行夹紧导线的无螺纹型端子; 或用螺丝刀将端子夹紧机构打开, 再将导线插入端子接线位中, 把螺丝刀抽出, 则导线可被夹紧在弹簧和导电条之间。
         1. 2. 2 免剥线快速端子
         导线不用剥开绝缘部分, 即不作其它任何加工的情况下, 将导线插入接线孔, 利用薄片或其它锋利的夹块刺破绝缘, 再直接或间接地通过弹簧、锲块、偏心轮或锥轮来进行夹紧导线的无螺纹型端子。
         2 端子连接方式的特点
        从上面的端子连接分类可以看出, 端子主要分成两大类, 即螺纹型端子和无螺纹端子, 那么它们的特点有什么不同呢?
         2. 1 螺纹型端子
        螺纹型端子(见图1) 夹紧原理很简单, 拧紧螺钉时螺钉自锁功能开始作用, 随着扭矩的增大, 螺纹摩擦力逐步增加, 使螺钉本身或压线块的压力也逐步增加, 最终把导线夹紧。
         螺纹型端子技术成熟,通用性强, 操作方便, 无需培训, 是这种接线技术应用畅通无阻的保证, 是应用最为广泛的接线技术。它的使用环境要求不高, 无论在侵蚀性的大气环境中还是在恶劣的气候条件下都能使用螺纹型端子。导线只要剥去绝缘层就可以了, 无须再做任何处理, 它的接线范围宽, 导线截面积从0 . 2 ~240 mm2, 基本覆盖了大部分的使用场合。螺纹型端子的显著特征在于截面间连接, 电流导通能力强, 接触压力的大小与导线的横截面无关, 因而在整个接线容量范围内都能确保稳定优良的接触特性, 这种接触压力是由螺钉通过压线块传到导线上的, 拧紧螺钉后, 导线的压力可高达300 N, 这足以使接触阻抗远低于国家标准给定的最低值。
        2. 2 无螺纹型端子
        随着时间的推移, 除了螺钉接线这一最常用的接线技术外, 无螺纹型端子(见图2) 接线技术作为一种补充的接线技术也在市场上得以推广, 最常见的无螺纹型端子是弹簧端子, 它的夹线原理主要是利用弹簧的弹力实现夹紧导线。弹簧端子操作简单, 通常比螺纹型端子能节省30 % 的接线时间, 因此逐渐受到广大消费者的喜爱。进行接线操作时, 只需一把螺丝刀, 将螺丝刀插入操作孔中, 将接线位打开, 这时可把剥去绝缘层的导线插入端子接线位中, 把螺丝刀抽出, 则导线可被夹紧在弹簧和导电条之间。有的不需要螺丝刀,直接把剥去绝缘层的导线插入接线孔中,利用导线推开弹簧, 弹簧随之夹紧导线。
        随着人工成本的提高, 人们需要更加节省时间的快速连接技术, 目前比较成熟的是免剥线快速端子,采用这种连接技术, 导线不再需要剥线, 也无需专用工具, 与螺钉接线方式相比节省接线时间60 %。只需在截取所需的导线长度后, 插入接线孔, 然后借助普通起子作杠杆, 轻巧一扳, 连接过程也就结束了。快速连接的工作原理在于: 利用开口的弹性刀刃在挤压力作用下自动切入导线的绝缘层, 与导体直接相接触, 实现导体可靠的连接。
        弹簧端子和免剥线快速端子虽然操作方便, 但是也有不少的缺点: 这种端子需要详细查看说明书进行简单的操作人员培训; 接线范围较窄, 导线截面积从0 . 2 ~ 16 mm2, 远低于螺纹型端子的导线截面积0 . 2 ~ 240 mm2; 同等线径时, 通过的电流值低于螺钉连接端子。
        3 影响端子连接可靠性的因素
        3. 1 环境
        接线端子通常面临多种不同的环境因素, 例如,在制造、运输、仓储、安装、维修及用户的使用过程中。这些环境因素具体可细分为温度、湿度、腐蚀、污染、内外部条件和人为因素。所有这些环境因素都会影响端子的使用情况, 如用在海上作业的轮船, 因为海上盐雾有一定的腐蚀性, 端子会产生锈蚀、腐蚀,对电气连接造成危害。所以, 在端子设计的时候应该考虑使用环境对端子产生的影响, 尽量避免环境对端子造成的破坏。
        3. 2 金属材料
        端子的主要金属部件有导电条、螺钉和夹紧件,其中关键是导电条含铜量的多少, 在国标《家用和类似用途插头插座》(GB 2099)和《家用和类似用途固定电气装置的开关》(GB 16915) 中, 明确规定铜含量至少为58 %。铜具有很好的金属加工特性和很高的抗腐蚀特性; 铜的导电性能极佳, 仅次于银。因此, 铜特别适合用来构成组合端子等电气机械连接部件。铜制金属件与铜导线之间具有几乎相同的热膨胀系数, 避免了温度波动较大的情况下产生不同程度的热膨胀, 因而也就能避免在端子中产生机械应力, 避免了由此导致的连接松脱。螺钉和夹紧件的材料一般用铜合金, 或表面电镀防锈材料的钢, 关键是要具有防腐蚀性能和有足够的机械强度, 原则上不直接使用无表面电镀防锈材料的钢, 这样可避免钢制金属件和铜导线在潮湿情况下的电池效应, 避免电腐蚀导致的电连接不可靠及螺钉锈死现象的出现。通常, 钢制部件的表面需要镀镍处理, 这样可起到一定的防腐作用。
         3. 3 外壳材料
         对组合端子绝缘外壳的质量性能如同对其金属构件一样有很高要求, 绝大部分绝缘外壳都是由PA66、PC、PP 等塑料制成。不管哪种材料, 对外壳都要求达到相应的阻燃等级、耐热性能、环保性能、绝缘性能及机械强度等要求。
        比较常见的材料是PA66, 它具有高达600 kV / cm的耐压强度, 可持续工作于100 ℃ 的温度下, 短时内可承受200 ℃, 其熔点为250 ℃。低温至- 40 ℃仍能保持弹性。PA66 一般不滋生各类生物, 能很好抵御微生物、细菌、霉菌、酵素及蚁类的侵蚀。汽油、油类、脂类、脂肪族及芳香族化合物、氯化合物、酯类、甲酮及酒精都不会侵蚀这些材料。碳酸酯PC 也是很常见的一种材料, 聚碳酸酯集多项优点于一身, 如硬度高、冲击韧性好、透明、尺寸稳定、绝缘性能好, 以及热稳定性好等。这种非结晶材料只吸收极其少量的水分, 因而被用来制造较大的、形状稳定的电子元器件外壳。透明的聚碳酸酯特别适合作盖罩或标识材料。
         3. 4 压紧机构
        压紧机构(见图3) 是对导线和导电条之间产生压力的机构, 只有产生足够的压力, 才能保证较低的接触电阻(见图4), 形成良好的连接, 所以压紧机构的可靠性直接影响到导线连接的好坏。对螺纹型端子来说, 螺钉、铜柱和压板是组成压紧机构的重要部件; 对无螺纹端子来说, 弹簧或弹簧卡片是压紧机构的重要组成部件。螺纹型端子, 螺钉的自锁能力起到决定性因素, 一般的端子螺钉自锁原理是以“升降筒原理” 为基础的, 在拧紧螺钉时, 螺钉的拧紧力不直接作用于导线, 而是作用于夹紧件, 由此产生的自动步进自锁使得螺纹摩擦力逐步增大, 实现螺钉自锁, 最终将导线夹紧在导电条上。导线上将产生300 N 的接触压力, 接触电阻可达到0 . 3 mΩ, 远小于标准所要求的最低值。
        无螺纹型端子, 压紧机构主要是弹簧, 所以对弹簧的选材至关重要, 既要保证有足够的接触压力, 要保证不会过分损伤导线, 弹簧端子是目前比较可靠的无螺纹端子。进线时, 可以通过推块或螺丝刀压住弹簧, 进线后, 松开弹簧, 利用弹簧的回拉力紧紧把导线压住, 产生足够的接触压力, 再利用弹簧的刃口掐死导线, 使之不会松脱或人为拉出来。所以, 在设计端子时, 要着重考虑接线的接触压力和防松脱。好的压紧机构还要有可靠的定位装置, 产品使用过程中, 一般会产生很大的扭矩, 保证导线有足够的接触压力, 标准GB 2099 和GB 16915 中明确规定, 当拧紧或拧松夹紧螺钉时, 不会引起端子本身的松脱。对不同螺纹直径有不同的扭矩要求, 如M3 的压线螺钉, 要求80 N 的扭矩不会对端子产生破坏作用, 因此, 定位装置对接线可靠性和操作性是一大考验。
         3. 5 连接的气密性
        在国标中有明确的规定, 端子应设计得能将导线牢靠地夹紧在两个金属表面之间, 以确保接线连接的机械和电气可靠性。如果连接的气密性不够的话, 周围环境会污染或氧化接触表面, 不良接触将会使接触表面的温度上升, 造成严重的后果。为了保证连接的气密性, 对螺纹型端子来说, 平直的夹紧件底面确保各种规格导线能被夹紧, 并能保证结构稳定, 产生足够的接触压力, 保证实现气密的连接。另外, 可以在导电条上增加一些横纹, 这种工艺能切开导线上可能存在的氧化层, 增加接触面积, 以实现良好的气密连接和抗拉扯连接, 保证连接可靠, 即使在侵蚀性的环境中也能确保长期稳定的连接。
        3. 6 导线所占空间
        对应不同额定电流的产品, 端子的导线所占空间(见图5) 也有相应的规定。如额定电流10 A 的插座柱型端子, 导线所占空间的最小直径D 为4 . 5 mm, 最小直径保证了用户能使用额定电流规定值的导线。夹紧螺钉与导线完全插入时的线端之间的最小距离L 为2 . 0 mm, 最小距离保证了导线与导电条和螺钉间都有充分的接触面积, 实现可靠的连接。
         4 端子连接在开关、插座中的应用分析
        国内开关、插座中最常见的端子主要有铜柱螺纹型端子、平行式压板螺纹型端子、鞍型螺纹型端子和快速无螺纹接线端子。不论是哪种接线方式, 一定要牢固、可靠和耐用, 满足国家标准的要求。
         4. 1 铜柱螺纹型端子
         铜柱螺纹型端子(见图6) 是比较传统的接线方式, 这种接线方式最大的优点是比较方便、牢靠。由于铜柱体积大, 本身散热非常好。大电流的开关、插座会产生很高的温升, 所以一般都使用铜柱端子来散热, 达到温升试验的要求。螺钉产生巨大的压力会使导线产生轻微变形, 并牢靠压住导线使之不易脱出。而缺点在于, 螺钉容易将导线压伤甚至压断, 成本相对其它螺纹型端子较高, 铜柱与铜片铆接处会产生较高的接触电阻, 拧紧螺钉时铜柱可能会相对铜片产生转动, 造成严重的后果。
         4 . 2 平行式压板螺纹型端子
        平行式压板螺纹型端子(见图7) 是应用最广泛的接线端子, 它的工艺简单,加工方便, 成本非常低廉。压板和螺钉材料一般都是用
A3 钢制成, 经过热处理后表面镀锌, 可以达到较高的强度和抗腐蚀能力。通常这种端子的导电条和压板都会利用模具冲压一些横纹或网格之类的压痕, 拧紧螺钉时, 横纹能破坏导线表面, 增加接触面积, 使导线不易脱出。这种接线方式最大的缺点是难以同时压紧两根不同线径的导线, 压板与导电条始终保持平行关系, 拧动螺钉时, 压板平行升降, 两根不同线径的导线只能压紧线径较大的导线。
         4. 3 鞍形螺纹型端子
        鞍形螺纹型端子(见图8) 类似于铜柱端子, 只是加工方式和材料不同罢了, 成本介于铜柱端子和压板端子之间。鞍形夹紧件和螺钉一般采用A3 钢,热处理后表面镀锌, 以达到较高的强度和抗腐蚀能力。这种接线方式的优点与铜柱接线类似, 接线孔大, 方便接不同线径的导线, 但是它的散热效果没有铜柱端子好。导线和导电条直接连接, 鞍型压板不用经过铆接, 因此不会产生类似铜柱端子那样的毛病。不过它的缺点也是比较明显的, 容易将导线压伤或压断,特别是线径较小的多股线、细线很容易被螺钉压断。
         4. 4 快速无螺纹接线端子
        无螺纹接线端子(见图9) 是应用比较成熟和广泛的快速接线端子, 不过在开关、插座国家标准中, 只适用额定电流为10~16 A 的产品, 对于大电流的产品, 不适合采用无螺纹接线端子。最明显的优点就是接线速度快, 只要将导线插入安装孔即可, 省去了拧螺钉的时间; 可实现正面接线, 导线和螺丝刀可从同一方向平行进入端子, 这样接线装配人员就能获得对接线位的最佳能见度。但其缺点也非常明显, 拆卸导线不方便, 对导线要求严格,弹力压线不可靠等等, 因此在市场上, 快速接线的产品无法成为消费主流, 不过由于使用习惯的原因, 在江浙一带快速接线还是非常流行的。

 

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