CN104823340B - 用于滑动环的环形电极、相应的滑动环及用于生产环形电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于滑动环的环形电极、相应的滑动环及用于生产相应的环形电极的方法，其中所述滑动环用于在机器零件之间传输电能,所述机器零件中的至少一个机器零件可以相对于另一机器零件旋转。为了产生环形电极和相应的滑动环及用于生产所述环形电极的方法，该环形电极和相应的滑动环可以经济地生产，并且具有低磨损，根据本发明的电极由棒材料制成，所述棒材料由不锈钢制成，所述棒材料卷成为环，并且所述棒材料的自由端结合在一起以形成封闭环。

Description

用于滑动环的环形电极、相应的滑动环及用于生产环形电极 的方法

技术领域

本发明涉及一种用于滑动环的环形电极，其中所述滑动环用于在机器零件之间传输电能，所述机器零件中的至少一个可相对于另一个旋转。

背景技术

EP2426793公开了一种用于通过电流激活的同步马达的的接触刷环系统，所述接触刷环系统包含根据权利要求1的主题的环形电极。为了限制刷的磨损，如果可能的话，Cu或Cu合金、CuZn、CuSn、Ag或Ag合金、Au或Au合金、钢或由Ni或Co制成的或者由镀锌的Au镀层制成的镀层分别考虑作为用于环形电极的材料。

用于马达或发电机中的接触刷和封闭的环形电极的其它示例分别在FR2.088.839、US2002/1071313和US2003/0137210中公开。

相应的滑动环在很多旋转机器上使用，特别地，当它们被电驱动时，例如像机床、某些类型的电动马达等。特别地，具有更大直径的环形电极的滑动环也通常在计算机断层X光扫描装置中使用。

在这种情况下，这样的滑动环不仅用于驱动能量的传输，而且用于电信号的传输。在滑动环的情况下，在本文中称为'环形电极'的圆形或环形触点滑动轨道安装到第一机器零件。设置在第二机器零件上的是滑动触点，所述滑动触点以某一接触压力与滑动轨道或环形电极相接触。两个机器零件中的一个可相对于另一个旋转，使得滑动触点沿着环形电极的表面上整个周边移动，并且在这种情况下保持与环形电极的恒定的电接触。在这种布置中，电极可以与环形电极的外或内周边表面可选择地接触，但是它们也与环的侧表面相当好地接触，这(在平环的情况下)具有接触表面在相同平面内的优点。原则上，环形电极可以具有任何横截面，但是直角横截面是优选的，因为它们为滑动触点提供平接触表面。

以这种方式，电能和信号可以通过直接电流接触在环形电极与滑动触点之间传输，并且由此在可相对于彼此旋转的机器零件之间传输。

用于这种滑动系统的机械结构的各种技术是已知的。一般而言，黄铜或青铜的实心滑动轨道与石墨或银石墨的滑动触点相结合，然后此可特别用于中等或高功率(换言之从大约100W到大约120W)的直流电或交流电的传输。在信号传输的领域中，涉及的小半径依靠对象也常常制作为镀金滑动轨道与镀金触点弹簧丝的组合。然而，本发明主要涉及环形电极和滑动环，其中利用所述环形电极和滑动环传输电能，但是，这不排除还可能与电能传输并行地传输电信号。

根据现有技术，很多变体形式的石墨触点和用于相应的滑动触点的碳刷是已知的。

根据现有技术，相应的环形电极通常包含黄铜或青铜。它们通常通过从合适直径的管切割出个体环或通过从实心板切割、例如通过激光切割出个体环来生产。

黄铜或青铜滑动轨道与石墨或银石墨触点的组合涉及触点材料的相对高程度的磨损的缺点，该缺点导致相应地缩短了传输系统的使用寿命。在这种情况下，高质量滑动环和触点的制造相对昂贵，因为对于这种布置，环触点的材料必须是非常均质的，并且滑动触点需要高比例的银。略微昂贵的变体常常具有相当大的转移电阻并遭受非常高的磨损，使得可以传输的电功率和使用寿命由此受到限制。

此外，当环形电极例如从实心板切出时，但即使个体环从管材料切割，在此情况下，那么仍然还需要相当多的后处理操作以给切割出或切断出的环去毛刺及使其光滑，常规环形电极的制造是相对复杂且昂贵的，并且涉及到相当多的材料损失。

发明内容

相比于现有技术，本发明的目的是提供避免上面提到的缺点中的至少一个的环形电极和相应的滑动环以及其制造的方法。在这方面，所述目的尤其还特别是简单的制造及环形电极和相应的滑动环的使用中更少量的磨损。另外，或可替换地，本发明试图减小接触噪声以及转移电阻。环形电极和相应的滑动环应当特别适合于在计算机断层X光扫描装置和用于扫描躯体横截面的类似医疗设备中使用，并且应当优选对于该目的进行优化。

上面提到的目的中的至少一部分通过一种环形电极来获得，所述电极包含优质钢的棒或杆材料，所述棒或杆材料卷绕以做出环，并且所述棒或杆材料的自由端结合在一起以形成封闭环，其中所述环形电极的直径位于40cm与2m之间的范围之内。

优质钢的棒材料制造电极的优点尤其是，当棒材料仅必须切成环所需的长度时，几乎没有或仅程度非常小的材料切割浪费。这种棒材料也常常缠绕到大直径的卷筒上，并且因此实际上以环状材料的形式应用。

在这方面，术语'棒材料'用来指恒定的横截面和至少为直径百倍的长度的任何材料。特别地，术语'棒材料'还包括从16mm²的丝横截面到例如30x30mm²的横截面，而无意图涉及到那些横截面细节的任何限制。

在这方面，特别地，在合适的卷绕安装的情况下，能够以良好程度的准确性、换言之以具有环的非常好的圆度生产具有40cm与1.5m或2m之间的直径的环。直角横截面的棒材料是尤其优选的，因为它提供了生产很容易允许与滑动触点良好表面接触的滑动轨道的可能性。

棒的自由端成形为形成封闭环，然后表现为相互倚着的紧靠关系。期望地，棒也嵌入在绝缘塑料承载材料中，使得对于实际目的而言在弯成环形状的棒的自由端之间至多留下可忽略的间隙。

在这方面，这样的塑料承载材料应当期望地如此选定，以至于它具有与由优质钢制成的环形电极的热膨胀系数尽可能相同的热膨胀系数。特别地，热膨胀系数应当在–40与+80℃之间的工作与传输温度的范围内，至少在优质钢的热膨胀系数的范围的2倍之内。

用于制造特定环的棒或棒材料优选具有某一略微过长的长度，因为这使能将总体卷绕以形成环的棒的自由端放置在彼此上面，并使相同的自由端沿着斜切割到达期望的长度。在任何情况下，这都为在对接缝上面滑行的滑动触点确保良好的重叠。通过嵌入并固定环形电极及其自由端并可能地光滑过度区域，能够避免在对接合处增加磨损。

此外，环的相互倚靠的自由端也可以都明显地焊接在一起或铜焊在一起。

在斜切割的情况下，相应的焊缝不是相对于环轴线精确地径向延伸，而是相对于径向方向显著地倾斜。

环形电极上的焊缝区域优选通过铣削、车削或磨削来光滑，以便避免滑动触点在焊缝区域中的过多磨损。

可选地，环也可以在焊缝区域中通过加热到某一程度来进行退火，使得对于滑动触点而言该区域具有与环形电极的其余部分大致相同的摩擦性质。

根据本发明，用于在静止与旋转的机器零件之间传输电能的相应的滑动环的特征在于，所述滑动环具有至少一个上述种类的环形电极，其中所述滑动环具有也呈以环形状的绝缘承载材料。优选地，电极嵌入到滑动环的承载材料中，并且仅具有越过承载材料的相应表面的微小突出。

应意识到，滑动环也可以具有多个上述种类的环形电极。在实施例中，滑动环的多个环形电极具有不同的直径，并且它们共中心地布置在共同的径向平面中、换言之在垂直于共同的环轴线的平面中。

在另一实施例，然而，多个环形电极也能够具有相同的直径，并且平行地布置在环状或圆柱状的承载材料的共同的圆柱形表面中。应意识到，除了至少一个根据本发明的优质钢的环形电极外，其它环形电极也可以布置在滑动环中，所述其它环形电极包含另一导电材料，特别是黄铜。

相应的滑动触点或拾取电极与至少一个优质钢的环形电极摩擦接触，并且优选为含金属的碳电极。特别地，具有高达60％的银含量或高达75％的铜含量的碳电极已经证明适合于与优质钢环形电极进行组合。

在优选实施例中，相应的多个碳电极作为滑动触点布置在关于滑动环的用于每个环形电极的公共拾取导轨上。以这种方式，环与滑动触点之间的可用接触表面显著增加，并且接触压力和由此加重的摩擦及磨损可以以这样的方式优化：形成对于传输而言理想的氧化膜。与空气中的周围湿气相结合的规定材料组合的微小初始磨损导致环形电极涂敷上滑动触点材料，而所述滑动触点材料对关于转移电阻的性质、接触噪声及进一步磨损特性有显著积极的影响。

在上文中已经隐含地描述了生产相应的环形电极的根据本发明的方法，并且其特征在于，使用优质钢的棒材料，其中优质钢棒的长度至少对应于要生产的环形电极的周长，将所述棒卷绕为期望直径的环形状，以及焊接所述棒的已经结合在一起的自由端，以形成环，并光滑铣削或磨削焊接在一起的环的表面上的焊缝区域。

在这种情况下，如已经提到的，优选使用直角横截面的棒材料。

例如，由于环形电极的优质钢的优选材料是具有铬和碳含量的优质钢，所述优质钢例如与类型X10Cr13或X20Cr13的钢一样可用。

附图说明

根据优选实施例和相关附图的以下描述，将会明白本发明的其它优点、特征和可能使用，其中：

图1示出了环形电极的平面图和焊缝区域中相应的局部放大图，

图2示出了滑动环的平面图，

图3示出了滑动环的横截面，

图4示出了与环形电极摩擦滑动接触的碳刷，以及

图5示出了用于为多个环形电极提供滑动触点的刷块。

具体实施方式

图1示出了概略地图示的环1的平面图，所述环1包含优质或不锈钢，并且例如在图3示出的其横截面可以是尺寸10x10mm²的正方形。

部分A以放大的比例示出在图1的上部分中，并借助于虚线概略地表示沿着斜切割延伸的焊缝8。

为了产生这样的切割，使用略微过长的棒材料，并使其卷绕以形成相应的环，并且由于过大尺寸而稍微重叠的自由端放置为一个在另一上面，然后沿着对应于焊缝8的线以斜切割的方式共同切割。切割表面然后齐平地靠着彼此放置并焊接，使得焊缝8具有在图1中示出的构造。环的表面然后通过铣削或磨削来弄光滑。当环形电极夹持在相应的装置中或嵌入在图2和3示出的滑动环20中时，整个环表面也可能会再次遭受车削。

图2示出了滑动环的平面图，所述滑动环包含环形状的承载盘5，承载盘5由具有矿物填充物的绝缘塑料材料、优选聚氨酯制成，其中所述填充物提供了塑料材料整体具有这样的热膨胀系数，所述热膨胀系数具有优质钢的热膨胀数量级，并且在涉及–40与80℃之间的温度范围内的任何情况下与优质钢的热膨胀系数区别在于小于2倍。

承载盘5整体具有四个嵌入的滑动环1、2、3和4。承载盘5与环1、2、3和4的共同轴线10指示在盘的中心处。图3示出了通过承载盘5以及突出稍微超过在径向平面上延伸的表面6的四个嵌入的环形电极1、2、3和4的横截面。环形电极1、2、3和4的表面相对于表面6的突出可以例如在1与3mm之间。具有正方形横截面的环形电极1、2、3和4分别超过一半嵌入承载盘5的材料中。环形电极1、2、3和4的平行于径向平面6延伸的表面转而优选例如通过磨削、车削或铣削来光滑，并且共同设置在平面6'中，所述平面6'与平面6平行，并且所述平面6'通过虚线来表示。

图4概略地示出了环形电极1的侧视图，所述环形电极1与碳刷11摩擦滑动接触，所述碳刷再次仅以截面的方式概略地示出。碳刷11整体包括金属填充的或金属浸渍的石墨块12、导向套筒13、盖14和弹簧15，所述弹簧15保持石墨块12与环形电极1的表面接合。

碳刷11通常安装在刷块21的导轨中，如在图5中示出的。期望地，套筒13、盖14和弹簧15包括导电材料、通常为金属，并且可选地，平的挠性接触突起点或线也可以布置在弹簧15与石墨块12之间，利用其自由端连接到盖14和/或套筒13，以提供石墨块12与套筒13或盖14之间良好的电接触。

如在图5中示出的，通常多个碳刷11连接到刷块21的导电触点导轨22，具体言之，每一个容纳在触点导轨22中的合适配合孔中。例如，套筒13可以压或收缩配合到导轨中的孔中，也可能用螺丝拧紧或焊接，并且以这种方式，固定地且导电地连接到触点导轨22。布置在相同触点导轨22上的多个碳刷11可以同时且一个在另一个后面地与同一环形电极1摩擦滑动接触。在触点导轨12上用于接收碳刷11的孔可以可能地遵循环形电极1的弓形构造，然而当环形电极具有大直径时，这一般不需要，因为线性地布置在短部分上的平滑碳刷保持与环形电极接触，虽然环形电极有微小弯曲。

在这里示出了无碳刷的相邻触点导轨23、24，但是明显通常也承载与相邻环形电极、例如图3中的环形电极2和3接触的碳刷11。应意识到，刷块21的壳体25是电绝缘的，使得固定到其上的个体触点导轨22、23、24相互电绝缘。

在操作中，滑动触点在弹簧偏置下保持与环形电极1、2、3和4的表面接触，在此情况下，或具有环形电极1、2、3或4的承载盘5，或然而滑动触点安装到其上的机器零件，围绕共同轴线10旋转，在此情况下，滑动触点与环形电极1、2、3和4的表面连续地接触，并且以这种方式，可以连续地传递电能或功率。凭借一方面用于环形电极1、2、3和4的优质钢与具有高达60％银的银石墨或具有高达75％铜的铜石墨的优选的材料配对，静止与旋转的机器零件之间非常良好的接触电阻、低的接触噪声和高水平的传输效率通过由于涉及的材料而非常良好的氧化膜的形成来实现。

根据本发明的通过卷绕优质钢生产环形电极尤其还具有这样的优点，即几乎任何直径的环或环形电极可以由同一个棒材料来制造，只要所述材料可以恰好卷绕到期望的直径。在这方面，几乎不存在材料切割浪费(除了例如在斜接面上切掉的端部)，表面具有且保持高质量，并且材料极其耐磨损且与含金属的石墨电极相比仅呈现微小摩擦，使得包含滑动环和滑动触点的系统的总磨损也保持极其微小，并且同时实现与电流承载能力和信号质量有关的卓越功率数据。以这种方式，根据本发明的环形电极和滑动环特别适合于具有旋转拾取器或传感器或辐射发射器的医疗成像设备。

为了初始公开的目的，应当指出，如本领域的技术人员可从本说明书、附图和权利要求书可以看出的所有特征，即使它们仅以与某些其它特征关联的下位术语来描述，可分别组合和以与本文迄今为止所揭示的其它特征或特征组的任何组合相组合，只要未明白地排除或技术方面没有使这种组合不可能或无意义即可。仅为了说明书的简要和可读性的目的而在这里取消对各特征彼此独立性的强调和对特征的所有可设想组合的全面的清楚的表示。

Claims (18)

1.一种用于滑动环的环形电极，所述滑动环用于在机器零件之间传输电能，所述机器零件中的至少一个可相对于另一旋转，其特征在于，所述环形电极包括优质钢的棒材料，所述棒材料卷绕以形成环，并且所述棒材料的自由端结合在一起以形成封闭环，所述封闭环具有在至少40cm的范围内的直径。

2.根据权利要求1所述的环形电极，其特征在于，卷绕成环形状的所述棒材料的所述自由端在斜接面上进行切割。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的环形电极，其特征在于，卷绕成环形状的所述棒材料的所述自由端焊接或铜焊在一起。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的环形电极，其特征在于，所述棒材料具有最小尺寸5x5mm²和最大尺寸30x30mm²的矩形横截面。

5.根据权利要求1所述的环形电极，其特征在于，所述环形电极的直径的范围大到1.5m。

6.根据权利要求1所述的环形电极，其特征在于，所述环形电极嵌入在塑料承载材料中，塑料承载材料在–40与80℃之间的工作温度的热膨胀系数在优质钢的热膨胀系数的范围的2倍之内。

7.一种用于在静止与旋转的机器零件之间传输电能的滑动环，所述滑动环包括环形式的绝缘承载材料以及安装在其上的至少一个环形电极，其特征在于，所述滑动环具有至少一个如权利要求1至6中任一项所述的环形电极。

8.根据权利要求7所述的滑动环，其特征在于，它具有多个如权利要求1至6中任一项所述的环形电极。

9.根据权利要求权利要求8所述的滑动环，其特征在于，所述多个环形电极具有不同的直径，并且共中心地布置在共同的径向平面中。

10.根据权利要求权利要求8所述的滑动环，其特征在于，所述多个环形电极分别具有相同的直径，并且平行地布置在所述环形式的绝缘承载材料的共同的圆柱形表面中。

11.根据权利要求7所述的滑动环，其特征在于，除了至少一个优质钢的环形电极外，进一步提供黄铜的环形电极。

12.根据权利要求7所述的滑动环，其特征在于，含金属的碳电极提供为与所述至少一个优质钢的环形电极摩擦接触的拾取电极。

13.根据权利要求12所述的滑动环，其特征在于，所述含金属的碳电极具有高达60％的银含量或高达75％的铜含量。

14.根据权利要求12所述的滑动环，其特征在于，相应的多个碳电极布置在每个环形电极的公共拾取导轨上。

15.一种生产优质钢的环形电极的方法，其特征在于：

-使用优质钢的棒材料，其中优质钢棒的长度至少对应于要生产的环形电极的周长，

-将所述棒卷绕为期望直径的环形状，

-将所述棒的自由端接合为封闭环，所述封闭环具有40cm至2m的直径。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，使用矩形横截面的棒材料。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其特征在于，使用超长度的棒，所述棒的端部在结合在一起并通过斜切割固定之前被切割至适当的长度。

18.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，焊接或铜焊所述棒的成形的接合自由端，以形成环，并且可选地光滑铣削或磨削焊缝区域。