CN104868295B - 一种采用电磁分离的智能连接器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用电磁分离的智能连接器，解决了现有技术中连接器使用寿命短、工作稳定性差等问题。该智能连接器包括插头和插座，插座包括以下部件：插座外壳；插座电路模组，连接电源；插座接触件，用于在插头和插座插接后与插头连接实现插座与插头导通；电磁线圈组件，包括铁芯和饶于铁芯外的电磁线圈；插头包括：插头外壳；插头电路模组；插头接触件，用于在插头和插座插接后与所述插座接触件连接实现插头和插座导通；磁铁，在插头与插座插接时，所述磁铁与所述铁芯之间产生磁吸力；在拔出插头时，电磁线圈通电产生与所述磁铁同性的电磁力，二者之间产生斥力，弹出插头。本发明结构简单、实现方便，且使用寿命长、工作稳定性强。

Description

一种采用电磁分离的智能连接器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种接插件，具体的说，是涉及一种采用电磁分离的智能连接器及其使用方法。

背景技术

目前，在国内的连接器(接插件)，按照QJ1796A-1998标准，插座与插头的分离形式分为机械分离与电分离；按插头和插座的连接方式又可分为卡口连接、直插连接、螺纹连接，和自动连接。

现有自动分离连接器领域，多采机械分离或者是机械和电磁共同配合致使插头与插座分离。自动分离连接器在插头与插座连接方式方面，多采用卡口、直插等形式，然而，这样的自动分离连接器存在智能化程度低、寿命短，插座无保护设施，插头的抗拉力固定等诸多弊端。

现有技术中，自动分离连接器主要存在以下缺陷：

1、现有自动分离连接器，均需要外力插入，依靠机械摩擦或机电卡死结构保持连接。因频繁插拔，容易造成接触不良，连接不畅等故障；部分连接器采用电磁吸合，但需要线圈保持电流，功耗较大，发热严重；弹出机构多采用外力、电磁顶杆或电磁释放机械卡勾的方式，容易发生机械故障。

2、自动分离连接器，采用机械结构或机电结合结构进行分离的系统，虽然可以将插头弹出，但缺少智能化，弹出时，需要使用机械力弹出插头，容易产生机械性的故障，经常会出现卡死的情况，造成由于没有完全弹出而引起的损失。

3、自动分离连接器，现在多是插头弹出后，对插座的本身没有相关的自动保护措施。插座基本都是裸露在外，灰尘，水容易进入，对其性能造成影响。个别插座采用了手动防尘盖，在插头弹出后，需要人工将防尘盖盖上。

4、自动分离连接器，按照QJ1796-1998标准，都对抗拉力有严格的要求，抗拉力额定或者过大，当插头因故障未弹出时，如操作人员疏忽进行设备移动，可能会损坏设备，造成不必要的损失。

现有自动分离连接器大多采用的连接方式是插针与卡式的弹片连接，通过电磁顶杆或弹簧方式致使分离，这样的连接和释放方式，多次插拔后会造成接触不良等连接故障，整个连接器使用寿命不长，通常为几百次插拔，不仅提高了使用成本，而且降低了系统可靠性，造成人力物力等资源的大量浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便的采用电磁分离的智能连接器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用电磁分离的智能连接器，包括插头和插座，所述插座包括以下部件：

插座外壳；

插座电路模组，连接电源；

插座接触件，用于在插头和插座插接后与插头连接实现插座与插头导通；

电磁线圈组件，包括铁芯和饶于铁芯外的电磁线圈，插头和插座插接时，吸附插头；插头拔出时，通电产生电磁场，弹出插头；

所述插头包括以下部件：

插头外壳；

插头电路模组；

插头接触件，用于在插头和插座插接后与所述插座接触件连接实现插头和插座导通；

磁铁，在插头与插座插接时，所述磁铁与所述铁芯之间产生磁吸力；在拔出插头时，电磁线圈通电产生与所述磁铁同性的电磁力，二者之间产生斥力，弹出插头。

进一步的，所述插座还包括由微控制单元、插头感应检测模块、限位检测模块和通信总线构成的控制板。所述电磁线圈由微控制单元控制供电。其中，所述通信总线用于连接向所述智能连接器下达控制命令的设备，实现所述智能连接器的智能控制，具体的说，智能连接器通过通信总线与其它设备连接组成智能系统，智能连接器内置多个操作程序流程，只需通过总线接收命令，向微控制单元下达控制命令，即可自动完成相关操作，如开关仓门，吸附连接与弹开等。

优选的，所述插座接触件为弹簧插针，所述插头接触件为与所述弹簧插针匹配的接触片；

或者，所述插座接触件为接触片，所述插头接触件为与所述接触片匹配的弹簧插针。插座接触件与对应的插头接触件可以分别为两个或三个，甚至更多，其与现有技术中插头及插座的规定来确定。

本方案中，铁芯的具体设计如下：所述铁芯套接于一根空心管内并可相对于所述空心管轴向移动，所述电磁线圈绕制于所述空心管外壁。在所述插座外壳上设置有固定支架，所述铁芯底部通过螺纹连接与所述固定支架连接，以此实现所述铁芯相对于所述空心管轴向移动。

在一种实施方案中，所述插座外壳截面呈“凹”字形结构，在插座外壳的凹形内的底部设置有一个截面呈“凹”字形的凸起，所述插座接触件设置于“凹”字形凸起的两侧边上，所述电磁线圈组件设置于“凹”字形凸起的凹形内的底部。

进一步的，在所述插座外壳的开口处还设置有可开闭的保护仓门。

在一种实施方案中，所述插头外壳的截面呈“凹”字形并与所述插座外壳形状匹配，所述磁铁设置于插头外壳凹形内的底部，所述插头接触件设置于磁铁两侧，插头与插座插接后，插头接触件与插座接触件连接导通。

在所述插座上设置有用于控制所述电磁线圈通电的出仓开关。

一种采用电磁分离的智能连接器的使用方法，包括以下步骤：

插接过程

插接过程

(1)开启保护仓门的步骤；

(2)插头逐渐靠近插座，插头上磁铁与插座上的铁芯逐渐吸附的步骤；

(3)插头接触件与插座接触件连接导通的步骤；

(4)插头上磁铁与插座上的铁芯吸附，插头与插座紧密连接的步骤；

弹出过程

(I)出仓开关控制电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相同磁性的步骤；

(II)电磁线圈与磁铁之间产生斥力，插头通过该斥力弹出插座的步骤；

(III)控制保护仓门关闭的步骤。

所述步骤(2)中，当插座上的控制板检查到插头靠近时，所述电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相反磁性，电磁线圈与磁铁之间产生吸力，使得插头吸附在插座，插头与插座紧密连接后，电磁线圈断电，此时插头与插座依靠磁铁与铁芯之间的吸力维持连接。

本发明的设计原理：完全采用电磁力吸合和分离，不依靠任何机械型式和结构的外力进行连接和弹出，根据电磁理论以及磁极间，同极相斥，异极相吸的原理，完全依靠磁力实现插头与插座的连接和分离(弹出)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明完全采用电磁力吸合和分离，不依靠任何机械型式和结构的外力进行连接和弹出。插头插入后，瞬间产生强电磁场，将插头吸入插座；插头吸入连接可靠后，释放电磁力，依靠插头内的永久磁铁和插座内的铁芯之间的吸力保持连接。弹出时，电磁线圈产生异性磁场，将插头弹出。与现有技术相比，本发明故障率低、可靠性高。

(2)本发明在插座上配有保护仓门，在任何没有插头连接的情况下，仓门都处于关闭状态，以保护插座；需要连接时，通过按键打开仓门，插座将插头弹出后，仓门自动关闭，或者通过按键关闭仓门，自动控制异常的情况下也可手动关闭仓门。这样的结构对插座起到了一定的保护作用，同时对于防尘，防水也起到一定的作用。

(3)本发明的抗拉力可调，可在一些单边设备频繁移动的场合起到保护作用。插座内的铁芯和插头内的磁铁之间的间隙可以调整，以改变插头的抗拉力的大小，在特殊情况下，插头或插座一方的设备在插头未弹出的情况下移动，可以强拉出来，而不会损坏设备或造成其它损失。

(4)本发明的连接器使用寿命长。插头和插座采用弹簧插针与导电金属片平面接触，依靠插针内的弹簧力保证连接的可靠性；插座与插头保持连接的力为磁铁与铁芯的吸力，弹出的力为电磁力与永久磁铁的斥力，这种设计，吸合和弹出没有机械力介入，连接没有摩擦力，保证了可靠的连接，增加了连接器的使用寿命，从而扩大了本发明的应用领域，避免了由于寿命制约而不能使用的场合，同时也避免了使用寿命短的而极易更换并导致资源浪费的情况。

(5)本发明中智能连接器通过通信总线与其它设备连接组成智能系统，智能连接器内置多个操作程序流程，只需通过总线接收命令，向微控制单元下达控制命令，即可自动完成相关操作，如开关仓门，吸附连接与弹开等，从而有效地克服了现有技术中自动连接器智能化程度低的问题。

附图说明

图1为本发明中插座的结构示意图。

图2为本发明中插头的结构示意图。

图3为本发明中插头和插座的连接示意图。

图4为本发明的实现原理示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-插座固定支架，2-限位机构，3-插座接触件，4-电磁线圈，5-铁芯，6-控制板，7-伺服电机，8-螺钉，9-保护仓门，10-定位盖板，11-插头接触件，12-磁铁，13-出线孔，14-磁铁保护外壳，15-插头，16-插座，17-固定支架，18-空心管，19-螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至4所示，本实施例提供了一种采用电磁分离的智能连接器，其包括插头和插座两部分，进一步的，本实施例中插头和插座完全采用电磁力或磁力实现二者的连接和弹出，没有任何机械力的介入，具体结构如下：

插座，包括插座外壳；插座电路模组，连接电源；插座电路模组与现有插座的电路模组保持一致，本发明申请中并未对具体的电路结构做改进；插座接触件，用于在插头和插座插接后与插头连接实现插座与插头导通，插座接触件的数量根据具体规格来确定，其可以是两个、三个、四个甚至更多；电磁线圈组件，包括铁芯和饶于铁芯外的电磁线圈，插头和插座插接时，吸附插头；插头拔出时，通电产生电磁场，弹出插头；电磁线圈的电由电源提供。

插头，包括插头外壳，插头外壳背对插接部位设置有出线孔；插头电路模组；插头接触件，用于在插头和插座插接后与插座接触件连接实现插头和插座导通，插头接触件数量根据具体规格来确定，其可以是两个、三个、四个甚至更多；磁铁，优选为永磁铁，在插头与插座插接时，磁铁与铁芯之间产生磁吸力，插头与插座连接后，依靠磁铁与铁芯的吸力维持连接状态；在拔出插头时，电磁线圈通电产生与磁铁同性的电磁力，二者之间产生斥力，弹出插头。

本实施例中，插座外壳截面呈“凹”字形结构，在插座外壳的凹形内的底部设置有一个截面呈“凹”字形的凸起，插座接触件设置于“凹”字形凸起的两侧边上，电磁线圈组件设置于“凹”字形凸起的凹形内的底部。进一步的，在插座外壳的开口处还设置有可开闭的保护仓门，在与保护仓门相对的一段设置有限位机构，保护仓门可以手动开闭，也可以采用伺服电机进行控制，在此基础上，伺服电机的运行受微控单元控制。

与插座匹配的，插头外壳的截面呈“凹”字形并与插座外壳形状匹配，磁铁设置于插头外壳凹形内的底部，插头接触件设置于磁铁两侧，插头与插座插接后，插头接触件与插座接触件连接导通。

插头与插座实现插拔的过程如下：

初始状态下，电磁线圈不通电，插头与插座依靠磁铁与铁芯相互吸引靠近，以此实现二者的连接，插头和插座连接后，插座接触件与插座接触件同时接触连接，从而完成插头和插座的连接，其中，插座接触件应当与插座电路模组连接，以实现其与电源的连接。进一步的，为了更好的实现插头和插座的连接，在插头靠近插座后，可对电磁线圈进行通电，电磁线圈产生与磁铁相反的磁力，二者之间产生吸引力，以实现插头与插座的快速连接，插头和插座紧密连接后，电磁线圈断电，二者之间的连接依靠磁铁和铁芯的吸引力维持。

进一步的，本实施例中，插座接触件为弹簧插针，插头接触件为与弹簧插针匹配的接触片，从而可以依靠插针内的弹簧力保证连接的可靠性；或者，插座接触件为接触片，插头接触件为与接触片匹配的弹簧插针，该方案与前述方案达到的目的及效果一致，只是在具体的设置选择上刚好相反，但并不影响二者的连接牢固性。

插头弹出时，依靠电磁线圈所产生的电磁力与磁铁之间的排斥力来实现，具体的说，在需要拔出插头时，电磁线圈通电，产生与靠近其一端的磁铁的磁性相同的磁极，二者产生排斥力，在排斥力的作用下，插头主要克服磁铁与铁芯的吸引力和插头自身的重力完成弹出动作；值得说明的是，插座通过插座固定支架垂直方向安装，插座固定支架通过螺钉固定在墙面，电磁线圈与磁铁之间产生的斥力需满足：主要是插头在重力作用下，水平方向产生的摩擦力。只有插座生产的斥力大于插头产生的摩擦力时，方能弹出。在插接和弹出时，分别给电磁线圈通电的电流方向相反，以此在不同情况下获得两种不同的磁力。

插座还包括由微控制单元、插头感应检测模块、限位检测模块和通信总线构成的控制板。插头感应检测模块主要完成插头靠近时的检查，在其检测到插头靠近后，将信号传递至微控制单元，微控制单元再控制电磁线圈通电。在此基础上，本实施例还设置有出仓开关，出仓开关用于在插头弹出时，控制电磁线圈通电，具体的说，该出仓开关是通过微控制单元实现对电磁线圈通电的控制。另一种实施方案中，可通过通信总线与其它智能设备构成智能系统，然后，通过通信总线命令微控单元实现上述对电磁线圈的通电动作(吸附和弹开)。

通过上述设置，本发明在智能化上程度大大提高，插头、插座的连接与弹出采用电磁控制，保护插座的仓门采用伺服电机控制，整个连接器采用总线通信，可与其它设备连接，组成智能系统，只需通过总线接收命令，即可自动完成相关操作。如开关仓门，吸附连接与弹开等。

本实施例中，铁芯的具体设计如下：铁芯套接于一根空心管内并可相对于空心管轴向移动，电磁线圈绕制于空心管外壁。在插座外壳上设置有固定支架，铁芯底部通过螺杆与固定支架螺纹连接，以此实现铁芯相对于空心管轴向移动。需要说明的是，铁芯相对于空心管道的移动实现方式有多种，不可穷举。通过上述设置，实现了抗拉力可调，具体的说，插座内的铁芯和插头内的磁铁之间的间隙可以调整，以改变插头的抗拉力的大小，在特殊情况下，插头或插座一方的设备在插头未弹出的情况下移动，可以强拉出来，而不会损坏设备或造成其它损失。

一种采用电磁分离的智能连接器的使用方法，包括以下步骤：

插接过程

(1)开启保护仓门的步骤；

(2)插头逐渐靠近插座，插头上磁铁与插座上的铁芯逐渐吸附的步骤；

(3)插头接触件与插座接触件连接导通的步骤；

(4)插头上磁铁与插座上的铁芯吸附，插头与插座紧密连接的步骤；

弹出过程

(I)出仓开关控制电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相同磁性的步骤；

(II)电磁线圈与磁铁之间产生斥力，插头通过该斥力弹出插座的步骤；

(III)控制保护仓门关闭的步骤。

在所述步骤(2)中，当插座上的控制板检查到插头靠近时，所述电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相反磁性，电磁线圈与磁铁之间产生吸力，使得插头吸附在插座，插头与插座紧密连接后，电磁线圈断电，此时插头与插座依靠磁铁与铁芯之间的吸力维持连接。

本实施例中，电磁线圈组件的设计如下：

注：在以下的电磁计算中，不考虑线圈通电产生的温升对线圈磁势及导磁材料磁阻的影响，忽略导磁材料的磁滞效应，假定材料均匀。可根据以下公式计算电磁铁的吸力：

N：线圈匝数；

I：电流强度；

U_O：真空磁导率，值为4π×10^-7 _WB/A·_M；

K_f：漏磁系数；

δ：气隙长度；

s：磁路截面积；

由以上公式可以看出，磁力的大小与(NI)²成正比，即线圈磁力的大小跟匝数与电流强度的乘积的平方成正比，增加匝数与电流可提高电子线圈的磁力。与δ²成反比，即线圈磁力的大小与气隙长度的平方值成反比，气隙长度值越小，电子线圈的磁力就越大。其中，气隙长度即磁间隙，磁间隙即可根据本实施例中铁芯的可调设计实现。根据以上理论计算和经验，选取漆包线选取Φ＝0.43mm的铜丝，采用双线并绕，匝数1000匝，气隙长度设计可调，产生的磁力即可将插座完全弹出。

为了更好的实现本发明，在上述结构的基础上，本实施例还可作以下改进：

1、将插座与插头契合部位的轮廓设置为具有棱角的结构，同时在插头上设置定位盖板，通过该设计可以起到很好的定位作用，以此保证插头接触件和插座接触件接触良好。

2、将插座的凹陷部分的内部设置为圆台形结构，将插头的外轮廓设置为圆柱形结构，通过该设计可以更利于插头的插入和弹出。

3、将插座靠近控制保护仓门伺服电机的一侧挖空，目的是减小插座与插头的接触面，即减小它们之间的摩擦力，便于插座与插头的分离，更利于插头的弹出。

4、插头凹形的长度长于磁铁的长度构成磁铁保护外壳，二者之间具有一定的高度差，一方面，为了防止插头被弹出后，插头吸附在别的铁物体上；另一方面，也有利于保护磁铁；插头内部的接触片，采用内置凹陷，与插座弹簧插针的接触为平面接触，这样做，即对接触片起到保护作用，防止与外界接触，同时这种接触方式与其它方式的连接相比，大大提高了连接器的使用寿命。

测试例

选取本发明与五个对比插座与插头(对比实验1至5)进行实验，以成功导通为标准，测试插拔次数，实验结果如下表所示：

	插拔次数
		本发明	2000
对比实验1	320
		对比实验2	345
对比实验3	322
		对比实验4	310
对比实验5	308

实验中，在对比实验1至5达到对应的次数后，便不能成功的导通，而本发明申请在插拔了2000次后，仍然可以成功的导通，鉴于本发明预估的插拔次数远远大于实验中的次数，故实验未彻底进行，但是，由上表可知，本发明申请的使用寿命已经远远超过现有技术。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种采用电磁分离的智能连接器，包括插头和插座，其特征在于，所述插座包括以下部件：

插座外壳；

插座电路模组，用于连接电源；

插座接触件，用于在插头和插座插接后与插头连接实现插座与插头导通；

电磁线圈组件，包括铁芯和饶于铁芯外的电磁线圈，插头和插座插接时，吸附插头；插头拔出时，通电产生电磁场，弹出插头；

所述插头包括以下部件：

插头外壳；

插头电路模组；

插头接触件，用于在插头和插座插接后与所述插座接触件连接实现插头和插座导通；

磁铁，在插头与插座插接时，所述磁铁与所述铁芯之间产生磁吸力；在拔出插头时，电磁线圈通电产生与所述磁铁同性的电磁力，二者之间产生斥力， 弹出插头；

所述插座外壳截面呈“凹”字形结构，在插座外壳的凹形内的底部设置有一个截面呈“凹”字形的凸起，所述插座接触件设置于“凹” 字形凸起的两侧边上，所述电磁线圈组件设置于“凹”字形凸起的凹形内的底部；

所述插头外壳的截面呈“凹”字形并与所述插座外壳形状匹配，所述磁铁设置于插头外壳凹形内的底部，所述插头接触件设置于磁铁两侧，插头与插座插接后，插头接触件与插座接触件连接导通；

所述铁芯套接于一根空心管内并可相对于所述空心管轴向移动，所述电磁线圈绕制于所述空心管外壁；

在所述插座外壳上设置有固定支架，所述铁芯底部通过螺纹连接与所述固定支架连接，以此实现所述铁芯相对于所述空心管轴向移动。

2.根据权利要求1所述的一种采用电磁分离的智能连接器，其特征在于，所述插座还包括由微控制单元、插头感应检测模块、限位检测模块和通信总线构成的控制板；其中，所述通信总线用于连接向所述智能连接器下达控制命令的设备，实现所述智能连接器的智能控制。

3.根据权利要求1所述的一种采用电磁分离的智能连接器，其特征在于，所述插座接触件为弹簧插针，所述插头接触件为与所述弹簧插针匹配的接触片；

或者，所述插座接触件为接触片，所述插头接触件为与所述接触片匹配的弹簧插针。

4.根据权利要求1所述的一种采用电磁分离的智能连接器，其特征在于，在所述插座外壳的开口处还设置有可开闭的保护仓门。

5.根据权利要求4所述的一种采用电磁分离的智能连接器，其特征在于，在所述插座上设置有用于控制所述电磁线圈通电的出仓开关。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种采用电磁分离的智能连接器，其特征在于，所述插头和所述插座的结构相互调换。

7.如权利要求5所述的一种采用电磁分离的智能连接器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

插接过程

(1)开启保护仓门的步骤；

(2)插头逐渐靠近插座，插头上磁铁与插座上的铁芯逐渐吸附的步骤；

(3)插头接触件与插座接触件连接导通的步骤；

(4)插头上磁铁与插座上的铁芯吸附，插头与插座紧密连接的步骤；

弹出过程

(I)出仓开关控制电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相同磁性的步骤；

(II)电磁线圈与磁铁之间产生斥力，插头通过该斥力弹出插座的步骤；

(III)控制保护仓门关闭的步骤。

8.根据权利要求7所述的一种采用电磁分离的智能连接器的使用方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当插座上的控制板检查到插头靠近时，所述电磁线圈通电并产生与插头上磁铁相反磁性，电磁线圈与磁铁之间产生吸力，使得插头吸附在插座，插头与插座紧密连接后，电磁线圈断电，插头与插座依靠磁铁与铁芯之间的吸力维持连接。