[发明专利]大直径电滑环的电接触技术和制造方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于在转子和定子之间传递电功率和/或信号的滑环，尤其涉及允许以比当前滑环技术更低的成本实现更高电流密度、更长寿命和更高转子表面速度的大直径滑环的改进。

背景技术

电滑环用于在转子和定子之间传输电功率和/或信号。这些设备用在许多不同的军事和商业应用中，例如太阳能电池阵驱动机构、飞机和导弹制导平台、水下机器人和CATSCAN系统等。在一些这样的应用中，滑环与其他旋转部件例如扭矩马达、解算器和编码器结合使用。电滑环必须被设计成位于平台旋转轴上，或者被设计成带有开口孔，该开口孔将电接触定位成离轴。因此，分别设计“轴上”和“离轴”滑环。滑环电机的直径范围可以从一英寸的几分之一到几英尺，并且角速度可以从每天一圈变化到高达每分钟20,000圈。在所有这些应用中，转子和定子之间的电接触必须：(1)在高表面速度下无中断地传输功率和/或信号，(2)具有长耐磨寿命，(3)保持低电噪声，(4)具有允许多个电路封装在最小体积中的物理尺寸。

电气和机械接触物理学的最有效管理能够满足最苛刻的要求。例如，如果应用的允许CATSCAN机架中的x射线管围绕患者身体旋转的离轴滑环，电接触必须被设计成携带大约100-200安培(带有几百安培的电涌)，在大约每秒钟500英寸的表面速度下工作，持续1亿圈，并且在机架内占用最小体积。对于直径大约为六英尺的设备为了满足1亿圈的要求，电刷力必须较小以最小化摩擦发热和在电刷和滑环之间保持大量的接触点以实现所需的电流密度。

转子和定子之间的四种类型的电接触包括：(1)悬臂式弹性件上的复合固体材料电刷，(2)切向地接合转子的单丝金属合金电刷，(3)具有多个单个纤维的纤维电刷，并且纤维束切向地接合转子，(4)电刷和转子之间的纤维尖端接触。在表I中总结了每种接触类型的接触力、表面速度和润滑类型。表I也显示了当电刷力在一克以上时减小接触摩擦发热所需的润滑剂类型。

表I接触类型接触力表面速度润滑类型复合刷0.4 kg/cm²700 in/sec牺牲石墨薄膜^＊单丝金属合金3-20克12 in/sec边界润滑^＊＊切向纤维刷1-3克200 in/sec无定形的^＊＊＊尖端纤维0.1-1克1200 in/sec无定形的^＊＊＊

^＊使用牺牲石墨薄膜，电刷和滑环的交界面由从电刷转移到滑环的石墨薄膜润滑。被磨损的材料由来自电刷的石墨替换。