CN101145664A - 结合有纤维尖端接触技术的紧凑集流环 - Google Patents
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Abstract
一种特别适用于小空间中的紧凑集流环(20)用于在转子(22)和定子(21)之间提供电接触。该改进集流环大体包括:导电单丝(24),其具有安装在定子上的一端(28)和具有远端(34);套筒(25),其安装到和固定于所述单丝的靠近所述远端的边缘端部上;和具有纵轴(39)的纤维束(26),所述纤维束的一个边缘端部凹入和固定于所述套筒中,所述纤维束的另一端接合转子,使得所述纤维束的纵向轴线将基本垂直于一个假想线,该假想线在与所述纵轴的接触点处与转子表面相切。
Description
相关申请的横向参照
本申请是申请日为2004年6月18日提交的未决美国专利申请No.10/871,090的部分继续申请。
技术领域
本发明大体上涉及用于在转子和定子之间传递电功率和/或信号的集流环,尤其涉及结合有纤维尖端(fiber-on-tips)电接触技术的紧凑集流环。
背景技术
电集流环用于在转子和定子之间传送电功率和/或信号。这些装置用在许多不同的军事和商业应用中,例如太阳电池阵列驱动机构、航行器和导弹引导平台、海下机器人、计算机辅助测试扫描(CATSCAN)系统,等等。在一些这样的应用中,集流环与其他旋转部件例如转矩马达、分解器和编码器结合使用。电集流环必须被设计成位于平台旋转轴上,或者被设计成带有开孔,该开孔将电接触定位成离轴。因此,分别称为“轴上”和“离轴”集流环。集流环电机的直径范围从几分之一英寸到几英尺,并且角速度可以从每天一转变化到差不多每分钟20,000转。在所有这些应用中,转子和定子之间的电接触必须:(1)以高表面速度不间断地传送功率和/或信号,(2)具有长抗磨寿命,(3)保持低电噪声,和(4)其物理尺寸允许在最小体积中封装多个电路。
电和机械接触物理学的最有效管理允许满足最苛刻的要求。例如,如果应用是允许CATSCAN门架中的x射线管围绕患者的身体旋转的离轴集流环,电接触必须被设计成承载大约100-200安培(带有数百安培的电涌),以大约500英寸每秒的表面速度工作,持续1亿转,并且在门架内占用最小体积。对于直径大约为六英尺的装置而言,为了满足1亿转的要求,电刷力必须小以最小化摩擦生热和在电刷和集流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类电接触包括:(1)悬臂弹簧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)具有多个单纤维的纤维电刷,并且束切向地接合转子,和(4)电刷和转子之间的纤维尖端接触。每个接触类型的接触力、表面速度和润滑类型总结在表I中。表I也显示了如果电刷力在1克以上减小接触摩擦生热所需的润滑剂的类型。
表I | |||
接触类型 | 接触力 | 表面速度 | 润滑的类型 |
复合电刷 | 0.4kg/cm2 | 700in/sec | 牺牲石墨膜* |
单丝金属电刷 | 3-20克 | 12in/sec | 边界润滑** |
切向纤维电刷 | 1-3克 | 200in/sec | 外来的*** |
纤维尖端 | 0.1-1克 | 1200in/sec | 外来的*** |
*使用牺牲石墨膜,电刷和集流环交界面由从电刷转移到集流环的石墨膜润滑。磨损的材料由来自电刷的石墨代替。
**使用边界润滑,边界润滑剂膜支撑接触元件之间的负荷的一部分。金属接触点支撑接触元件之间的剩余负荷,并且提供载流能力。
***使用外膜,很薄的材料膜能够在轻负荷下减小接触元件之间的摩擦系数。
电接触的摩擦性能和正确选择润滑剂以满足应用要求是非常重要的。例如,如果接触将用在空间应用中,那么润滑剂必须满足陆基应用的所有要求,并且具有低蒸汽压力。如果触点具有长寿命要求,那么灰尘、磨损碎屑和其他污染物会积累在接触区域中并且产生寿命和信号传送问题。然而,如果可以用大约一克或更小的力将电接触元件靠在一起,那么润滑剂和相关的复杂情况被消除。
几年来,与集流环成切向的纤维电刷成功地用于满足高表面速度而不使用润滑剂。
当制造直径范围在四到六英尺的集流环时,如果使用连续环方法,则环材料的成本、以及与用于铸造支撑环的电介质材料的设备相关的成本、加工支撑结构所需的设备的成本、和用于在环上电镀贵重金属的设备的成本大幅上升。大直径环通常由合适尺寸的板料或管材加工而成。另一选择是形成所需横截面的金属条,将它弯曲成圈或环,并且将端部面对地熔接在一起。在该情况下,必须为环I.D.和O.D.保持的尺寸公差导致连续环价格极高。另外,将金属电镀在六英尺直径的环上所需的电镀槽比用于制造相同直径的分段集流环的120°弧长所需的电镀槽贵五到六倍。
其全部公开被结合于此以作参考的美国专利No.5,054,189教导了一种制造电集流环组件的环形电介质基部的方法,所述电集流环组件具有形成于外周中的多个环。所述环由具有合适横截面形状和结构的导电金属条形成。当每个环围绕基部的周围缠绕时,面对的端部将彼此抵接。然而,由于基部O.D.的尺寸变化和用于形成导电环的条带的长度的尺寸变化,面对的环端有时并不正确地抵接。在实践中,控制环的长度使得在面对的环端部之间总是存在间隙。该间隙可以从大约0.020英寸变化到大约0.040英寸。用于该环结构的电刷技术是切向纤维电刷,其可以容易地在所述间隙上移动而没有机械和/或电干涉。十年以上的经验表明当集流环旋转时,电刷和环磨损碎屑和其他颗粒污染物将积累在间隙中。当电刷继续在间隙上移动时,细微分割的颗粒被拖曳到环表面上,产生电绝缘薄膜。因此,产生电信号传输问题。数百万次环的旋转可以导致这些问题产生。
通常希望提供一种改进的紧凑集流环,其可以允许在当前集流环技术下实现更长的寿命,更高的电流密度,以及更高的转子表面速度和更低的成本,并且使用纤维尖端电接触技术。
发明内容
用括号参考仅仅用于举例说明而非限制的公开实施例的相应部件、部分或表面,本发明大体提供了一种改进的紧凑集流环,其适于提供定子和转子之间的电接触。
一种改进的集流环(20)大体包括:导电单丝(24),其具有安装在定子(21)上的一端(28)和远端(34);套筒(25),其安装到和固定于靠近所述远端的所述单丝的边缘端部上;和具有纵向轴线(39)的纤维束(26),所述纤维束的一个边缘端部容纳并固定于所述套筒中,所述纤维束的另一端接合转子使得所述纤维束的纵向轴线将基本上垂直于一个假想线,该假想线在与所述纵向轴线的接触点处与转子表面相切。
所述单丝可以具有基本圆形的横截面,并且可以具有大约0.015英寸的直径。所述单丝可以具有大约0.005英寸每克力的弹簧柔量(spring compliance)(即,弹簧刚度的倒数)。所述单丝可以由铍铜形成。
所述套筒通过锻压、卷边或熔接固定到靠近所述远端的所述单丝的边缘端部。所述纤维束的一个边缘端部通过锻压或卷边固定到所述套筒。所述单丝的远端可以抵接所述纤维束的一端。
在所述束中可以有大约25到大约150根单纤维。所述单纤维可以由耐腐蚀和耐磨损硬质材料形成,例如贵金属合金或合适的铜基合金。
集流环的宽度(即,沿垂直于纸平面的方向)可以为至少大约0.040英寸。
准直器可以围绕所述套筒的一部分并且可以从那里伸出。当转子相对于定子旋转时,准直管的下端适于限制所述束中的纤维的下边缘端部的侧向移动。所述准直器可以与所述套筒形成整体。
所述套筒可以被构造成弯头。所述套筒的内表面带有合适的无氧化涂层,例如金或金合金。
因此,本发明的总目标是提供一种紧凑集流环。
另一目标是提供一种带有纤维尖端电接触技术的紧凑集流环。
这些和其他目标和优点将从前述和正在书写的说明书、附图和所附权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是改进的紧凑集流环的示意图,该图显示了两个单集流环,其安装在定子上并且在两个不同的相对角位置接合转子。
具体实施方式
开始,应当清楚地理解在所有几个附图中类似的参考数字旨在一致地识别相同的结构元件、部分或表面,这样的元件、部分或表面可以由整个书面说明书进一步描述或解释,其中该具体描述是整体部分。除非另外指出,附图应当与说明书一起被阅读(例如断面线,部件的结构,比例,度数等),并且应当被视为本发明的整个书面描述的一部分。当在以下描述中使用时,术语“水平”,“垂直”,“左”,“右”,“上”和“下”及其形容词和副词派生词(例如“水平地”,“向右”,“向上”等)仅仅指示当特定附图面对读者时所示结构的方向。类似地,术语“向内”和“向外”通常指示在适当时表面相对于其延伸轴线或相对于旋转轴线的方向。
现在参考附图,尤其参考图1,本发明大体提供一种改进的紧凑集流环,其结合有纤维尖端电接触技术。
在图1中,分别标示为20的两个这样的集流环被描绘成可操作地安装在大体上标示为21的定子和大体上标示为22的转子之间。转子22适于沿如双向箭头23所指示的任一角方向移动。
每个集流环被布置成在转子和定子的部分之间提供电接触。本领域的技术人员将容易理解集流环并不仅仅连通转子与定子。相反,它们连通转子上的特定电路和定子上的特定电路,以跨过转子和定子之间的旋转分界面在这些各种电路之间建立电连通。除了如这里所述之外,两个集流环是相同的,并且被显示成相对于转子处于不同的角位置。因此,将仅仅清楚地描述其中一个集流环,应当理解相应附图标记将指示另一集流环的相应部件、部分或表面。
如在开始部分所述的,本发明提供一种紧凑集流环,其适于用在转子和定子之间的物理间隙相对较小的情况中。在现有申请No.10/871,090中,披露的集流环型式特别适合用于大直径转子,例如用在CATSCAN机器或类似物中的转子。前述声明并非想要限制早先申请中的权利要求的范围。然而,作为比较,本发明特别适合用在转子和定子之间的间隙更有限的情况中。因而,本发明被认为是紧凑集流环。这里再次地,尽管这是优选的,但是该声明不应当被认为是限制所附权利要求的范围。
现在注意图1,改进的集流环被显示成大体包括:一般标示为24的导电单丝纤维;套筒25;和一般标示为26的纤维束。
单丝24由合适的导电材料例如铍铜形成。在优选的实施例中,单丝具有直径大约为0.015英寸的基本圆形横截面。然而,尽管优选实施例是示例性的,应当清楚地理解单丝也可以具有其他横截面形状。例如,单丝可以具有正方形,矩形,多边形,卵形,和一些其他横截面形状或结构。
在所示形式中,单丝是弯曲成一定程度的S形状或外形的整体成形元件。更特别地,单丝具有固定到定子以与其导电的一个边缘端28、从其向下延伸的一个边缘端部29、弯曲部30、中间部分31、第二弯曲部32和具有终止于圆形端面34中的远边缘端部33。理想地,单丝可以合适地成形为将单丝弯曲成所示形状。在图1的左边所示的实施例中,弓形部分30和32标称地记录大约90°角。在图1的右边的实施例中,单丝被显示成朝着转子移动以保持与其接触。换句话说,尽管右边实施例中的角部分32仍然是大约90°,但是目前角部分30包含大于90°的钝角。
集流环可以由合适的材料例如铍铜形成,并且典型地具有大约0.005英寸每克力的弹簧柔量。当在这里使用时,弹簧柔量是弹簧刚度的倒数。本领域的技术人员将容易理解弹簧力的方程是F=kx,其中F是力,k是弹簧刚度,x是位移。当在这里使用时,术语“弹簧柔量”是1/k。
现在转到附图,套筒25安装到和固定于靠近其远端34的单丝的边缘端部上。更特别地,在所示形式中,套筒被配置成有点像弯头。套筒由合适的导电材料形成,并且其一个或多个表面可用镀有无氧化性材料,例如金。套筒的上边缘端部通过锻压、卷边或熔接合适地固定到单丝的远侧边缘端部。在附图中,管的上边缘端部被显示成具有标示为35的环形凹痕,所述环形凹痕由锻压或卷边操作产生。备选地,套筒例如可以通过例如电子或超声的方式合适地熔接到套筒。
套筒的另一端被显示成接纳单纤维的束26。这些纤维的上端面被显示成抵接单丝的远端面34以与其电接触。如图所示,纤维束的上边缘端部接纳在套筒的下开口端中。套筒可以通过卷边或锻压合适地变形以将纤维束保持在该位置中。在附图中,套筒被显示成具有由该卷边或锻压操作产生的环形凹痕36。纤维的下操作端部向下延伸超出套筒的下端面38,并且与转子的外表面连续接触。更特别地,纤维束的标称中心线39被保持以基本垂直于与接触点相切的假想线(未显示)。因而,在改进的致动器的情况下,单纤维的尖端保持与转子的外表面接触。纤维束可以具有从大约25到大约150个的单纤维。
所示实施例的区别在于右边的实施例被显示成具有整体成形的准直器部分40,该准直器部分向下延伸到左边套筒的标称端面之下。该准直器的目的是当转子相对于定子旋转时限制束中纤维的下边缘端部的侧向移动。在优选形式中,该准直器与套筒形成整体。然而,这不是不变的。
所以,本发明大体提供一种改进的集流环,其特别适于用在紧凑空间中,其适于提供转子和定子之间的电接触。该改进的集流环大体包括导电单丝,其具有安装在定子上的一端并且具有远端;套筒,其安装到和固定于靠近所述远端的所述单丝的边缘端部上;和具有纵向轴线的纤维束,所述纤维束的一个边缘端部凹入和固定于所述套筒中,所述纤维束的另一端与转子接合,使得所述纤维束的纵向轴线将基本垂直于一个假想线,该假想线与所述纵向轴线的接触点与转子表面相切。
变型
本发明预料可以进行许多变化和修改。例如,转子的相对尺寸和直径不认为是特别关键的,尽管本发明特别适合用在紧凑空间中。
单丝附着或固定到定子的方式不被认为是关键的,而是可以变化的,然而单丝应当由导电材料形成。尽管铍铜是这样一种材料,但是可以替代用其他类型的导电材料。如先前所述,单丝的横截面。类似地,单丝可以弯曲或另外被构造成具有不同于图中具体所示的形状。
套筒可以弯曲成弯头的形状或者也可以具有一些其他形状。纤维束的上边缘端部优选地接纳在套筒的开口中,并且通过卷边或锻压合适地固定在其中。类似地,当前优选的是套筒被卷边、锻压或熔接到单丝。
转子可以采用圆筒的形式(如图所示),或者可以是饼式的。例如参见饼式转子的美国专利No.5,901,429和6,222,297。
所以,尽管显示和描述了改进集流环的当前优选形式,并且论述了其中的几个改进,但是本领域的技术人员将容易理解可以进行各种附加变化和修改,而不脱离由以下权利要求限定和区分的本发明的精神。
Claims (14)
1.一种适于在定子和转子之间提供电接触的集流环,其包括:
导电单丝,其具有安装在所述定子上的一端并且具有远端;
套筒,其安装到和固定于所述单丝靠近所述远端的边缘端部上;以及
具有纵向轴线的纤维束,所述纤维束的一个边缘端部接纳并固定在所述套筒中,所述纤维束的另一端接合所述转子,使得所述纤维束的纵向轴线将基本上垂直于一个假想线,该假想线在与所述纵向轴线的接触点处与所述转子表面相切。
2.如权利要求1所述的集流环,其中所述单丝具有基本圆形的横截面。
3.如权利要求2所述的集流环,其中所述单丝具有大约0.015英寸的直径。
4.如权利要求3所述的集流环,其中所述单丝具有大约0.005英寸每克力的弹簧柔量。
5.如权利要求3所述的集流环,其中所述单丝由铍铜形成。
6.如权利要求1所述的集流环,其中所述套筒通过锻压、卷边或熔接固定到所述单丝靠近所述远端的边缘端部。
7.如权利要求1所述的集流环,其中所述纤维束的一个边缘端部通过锻压或卷边固定到所述套筒。
8.如权利要求1所述的集流环,其中所述单丝的远端抵接所述纤维束的一端。
9.如权利要求1所述的集流环,其中在所述束中有大约25到大约150根单纤维。
10.如权利要求1所述的集流环,其中所述集流环的宽度为至少大约0.040英寸。
11.如权利要求1所述的集流环,进一步包括准直器,其围绕所述套筒的一部分并且从那里伸出,当所述转子相对于所述定子旋转时,所述准直管的下端适于限制所述束中的纤维的下边缘端部的侧向移动。
12.如权利要求11所述的集流环,其中所述准直器与所述套筒形成整体。
13.如权利要求1所述的集流环,其中所述套筒形成为弯头。
14.如权利要求1所述的集流环,其中所述套筒的内表面设有无氧化性涂层。
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