CN105359347A - 具有内部温度影响元件的集成滑环组件 - Google Patents

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Abstract

一种改进的滑环具有定子和转子，并且包括刷子，所述刷子的近端安装在定子和转子之一上，远端与定子和转子中的另一个啮合。所述刷子适于跨越定子和转子之间的接口传送电信号。所述改进包括：包括支撑构件(1)的转子；在定子和转子中的另一个上提供的轨道，所述轨道被布置为与刷子远端滑动接触；以及布置在支撑构件内的用于有选择地影响转子的温度的热元件(3或6)；其中，可以增大所述滑环的温度操作范围。

Description

具有内部温度影响元件的集成滑环组件
技术领域
本发明总体上涉及滑环技术，更具体而言，涉及改进的滑环技术，该技术允许在更宽的温度范围内通过滑环进行可靠的信号和功率传输。
背景技术
用于在两个能够相对于彼此旋转或移动的构件之间传导信号的装置是本领域公知的。这样的通常被称为旋转接头的装置既包括滑环，又包括扭转膜盒(twistcapsule)。通常在希望构件之间进行不受限制的旋转时采用滑环，在要求构件之间只能发生有限的旋转的时候采用扭转膜盒。
高边缘速度使得通过旋转接头传输高频信号所面临的各种挑战错综复杂，其中高边缘速度带来了带宽和阻抗匹配的限制。当前存在各种扩展高频滑环技术的技术，但是将有源电子器件物理集成到旋转接头内往往存在困难，其受到热限制的制约，尤其是在低温。低温将损害电接触部的机能，从而给电子器件带来热方面的难题。在这样的条件下，需要改善环境不利影响的措施使得旋转接头可靠运行。
在下面的现有技术专利中代表性地示出并描述了当前的高频滑环技术的例子：
专利号： 发明名称
US 6956445 B2 Broadband High-Frequency Slip Ring System
US 7142071 B1 Broadband High-Frequency Slip Ring System
US 7559767 B2 High-Frequency Drum-Style Slip-Ring Modules
US 8283993 B2 Broadband Twist Capsules
US 6437656 B1 Broadband High Data Rate Analog And Digital Communication Link
专利号： 发明名称
US 6433631 B2 RF Slipring Receiver For Computerized Tomography System
发明内容
将对所公开的实施例的对应零件、部分或表面进行括号引用，其只是为了举例说明而非构成限制，在此情况下本发明提供了滑环改进，所述滑环具有定子和转子并且包括刷子，所述刷子的近端安装在定子和转子之一上，远端与定子和转子的另一个啮合，所述刷子适于跨越定子和转子之间的接口传送电信号。
所述改进主要包括：转子包括支撑构件(1)；在定子和转子中的另一个上提供的轨道，所述轨道被布置为与所述刷子的远端滑动接触；以及布置在所述支撑构件内的热元件(3或4)，其用于有选择地影响转子的温度；由此可以提高滑环的温度工作范围。
所述转子可以是饼型转子。
所述热元件可以是加热器或冷却器。
所述改进还可以包括用于操作所述热元件的控制电子器件(6)。所述控制电子器件可以物理上位于所述支撑构件(1)内。
所述支撑构件可以具有凹部，所述控制电子器件可以物理上位于这一凹部内。
所述支撑构件可以是印刷电路板。所述热元件可以是印刷电路板内的迹线。
所述支撑构件可以由碳纤维复合材料形成。
相应地，本发明的总的目的在于提供一种改进的滑环。
另一目的在于提供一种具有布置在支撑构件内的内部热元件的改进滑环，因而可以增大所述改进滑环的温度工作范围。
通过前述和正在继续的书面说明书、附图和所附权利要求，这些以及其他目的和优点将变得明显。
附图说明
图1是一种饼型滑环转子的一部分的局部示意性垂直断面图，其示出了热元件和位于支撑构件的凹部内的控制电子器件。
图2示出了结合加热迹线作为两个内层的六层印刷电路板的局部示意性分解垂直截面图。
图3是其局部水平截面图，其示出了加热元件迹线之一的顶视平面图。
图4是转子支撑构件的等角视图。
图5是具有碳纤维径向支撑构件的转子的顶视平面图。
图6是具有附着于其上的某些额外控制电路板的印刷电路板支撑构件的透视图。
图7A是三维印刷电路板的透视图。
图7B是三维印刷电路板的另一透视图。
图8是一种改进的旋转接头的示意性等角视图。
具体实施方式
一开始，应当清楚地理解，几幅附图中的类似的附图标记旨在对相同结构元件、部分或表面做出一致的标识，这样的元件、部分或表面将通过整个书面说明书受到进一步的描述或解释，这一具体实施方式部分是这一说明书的不可分割的部分。除非另行指出，否则应当结合说明书理解附图(例如，交叉影线、各部分的布置、比例、程度等)，应当将附图看作是本发明的整个书面说明书的部分。下面的描述当中采用的词语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”、“下”以及由其派生的形容词和副词(例如，“水平地”、“向右地”、“向上地”等等)只是指在具体的附图面向读者时所示结构的取向。类似地，词语“向内地”、“向外地”一般是指某一表面相对于其伸长轴或旋转轴的取向，具体视情况而定。
在被称为电滑环的装置中，导电刷子在导电环上滑动，从而在转子和定子之间传送电力和信号。
使滑环操作扩展至较低的温度(例如，-50到-60℃)的常规方法涉及适当的电接触部设计以及适当地选择边界润滑剂。电流经由支持接触部之间的负载的每一接触构件上的金属凹凸(asperity)在接触部之间流动。边界润滑剂也支持一部分接触负载。如果润滑剂的粘滞度提高，使得降低了施加在金属凹凸上的接触压力，那么电力和电信号可能中断。随着转子的表面速度的提高，可能出现流体动力升力，因而电路可能断开。可以至少部分地通过提高组件的温度规避这一影响。
提高滑环的工作温度范围也可以使作为旋转接头的部分的电子器件受益。扩展低温范围的常规解决方案是利用有源加热，例如，利用单片或周带加热器(monolithicorperimeterbandheater)提高组件的温度。这样的方案可能有效，但是其缺点是无法将热量有效率地直接提供到最关键的部件当中。典型的将电子器件集成到旋转接头内的方法还面临着将分立的加热器件以及热控制机构结合到密集组件内的困难。
本发明提供了其内具有有源控制电子器件的改进的集成旋转接头组件，本发明的特征在于一种新颖的具有空间效率的构造，该构造利用一种特有的径向支撑轮毂或构件来安装一个或多个饼型滑环，在所述支撑结构内具有内部集成的有源和无源电子器件。本发明的其他权利要求包括利用智能微控制器控制旋转接头组件的加热和冷却，以扩展旋转接头的电及环境工作范围。
本公开描述了能够将滑环的工作范围扩展至对于常规技术而言无法实现的更高频率和更宽温度范围的热及空间管理技术。
本发明利用一种集成旋转接头组件解决了这些缺陷，所述组件在印刷电路板(PCB)旋转接头分组件内结合了电子器件和热调节部。
图1示出了本发明的实质，其相对于现有技术提供改进。在图1中，辐板(1)起着安装平面旋转接头组件(2)的作用，并且提供了凹部内的内部体积以包含电子部件(6)和三维PCB构造(4)、布线(5)以及用于有选择地为所述部件提供加热(3)和/或冷却(4)的措施。
将电子器件和布线集成到旋转接头组件内的优点包括：(a)由于共享组件包络内的空间而节省了尺寸和重量，(b)提高了高频性能，从而降低了损耗，改善了阻抗匹配，(c)利用结合到PCB堆叠(3)内的印刷电路板加热元件对部件进行局部加热，从而扩展了低温工作范围，(d)采用结合到旋转接头组件内的热电装置(4)提供加热、冷却或绝热，以扩展诸如微处理器、时钟数据恢复装置和现场可编程门阵列(FPGA)的有源器件的温度下限和上限，(e)利用在板传感器和微处理器控制对旋转接头加热芯和热电致冷器(TEC)进行智能热管理，(f)通过径向安装结构(1)降低了发射，改善了屏蔽。
在径向安装结构内采用碳纤维或类似的复合结构提供了与金属相当的电磁干扰(EMI)屏蔽，并且允许将RF吸收材料安装到组件内，从而对电磁场进行吸收和衰减。
图2示出了一种PCB结构，该PCB结构在PCB堆叠内结合了被实现为迹线层的加热元件。这样的加热层可以通过常规的铜迹线实现，例如，如图3所示，或者利用高电阻材料实现，例如，镍合金，其允许以更加紧凑的配置来构造更高电阻的迹线。将整体式加热芯结合到了其结构内的印刷电路板结构能够通过对所述结构加热而扩展接触旋转接头的低温工作范围，还能扩展集成到所述组件内的电子器件的低温范围，如图1所示。
通过径向支撑构件提供对旋转接头部件的物理支撑，例如，如图4所示。图1也示出了所述径向安装板，其提供了用于将印刷电路板结构安装到上下表面上的安装基座。所述径向支撑结构提供了本发明的几项重要特征；也就是说，其(a)为旋转接头结构(例如，用于滑动电接触或非接触信号传送的印刷电路板)提供了刚性安装表面，(b)为部件和有源电子器件，包括热电及控制器件的安放提供内部孔穴或凹部，(c)为布缆和布线提供了内部孔穴，(d)提供了屏蔽，以保护电子器件不受内外EMI的影响，(e)提供了用于结合RF吸收体材料的空间，或者在由碳纤维或其他复合材料构成的情况下提供了结构、屏蔽和吸收特性。
图5是本发明的样品的照片，其包含了八条3.125千兆比特/每秒(Gbps)的高速数字信道，连同整体式驱动电子设备和热管理部。这一样品中的径向支撑实例采取了碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的使用得到平的、刚性的结构，其能够以更近的板间隔工作，并且能够要求较低的传输功率。碳纤维复合材料的屏蔽特性降低了电磁发射和磁化率，并且降低了信道间串扰。可以在所述组件内包含射频吸收材料，从而使得电磁场受到进一步的吸收和衰减。
三维PCB构造
所述集成旋转接头组件的实施例是采用三维PCB构造，如图6所示。三维PCB构造的使用允许建立与主PCB构造同时构建并集成到主PCB内的PCB电路模块。这一技术的优点包括优化具有与主板不同的特征的小电路板的能力，连同在空间和重量节约以及信号完整性方面的收获。从集成旋转接头组件的立场上来看所述三维PCB构造也是有利的，因为其实现了对总物理体积的最佳使用。
旋转接头的微处理器控制和健康监测
可以利用集成到组件内的基于微处理器的热管理系统完成旋转接头组件的有源加热和冷却。安装到集成旋转接头组件内的、且与一些集成电路成为整体的温度传感器提供了数据，从而利用对加热和冷却装置加以控制的在板微控制器和支持电路来支持对组件内的温度的智能控制。
在组件内结合电阻加热器能够极大地扩展装置的低温工作范围包络，但是类似的高温极限的扩展则需要对组件进行冷却的措施。将热电致冷器(TEC)结合到组件内能够借助于TEC装置的热泵模式提供冷却能力以及加热能力。有利地，能够在三种工作模式内使用TEC：有源冷却、有源加热以及实施为无源绝热的无动力模式。热电装置的正常冷却模式将热量从热生成装置转移到起着热沉作用的相邻结构内，其将显著降低热生成部件的温度，并允许在否则将不切实际的更高环境温度下工作。类似地，可以逆转通过TEC的电流方向和热传递的方向，使热量从周围环境转移到可能接近了其低温极限的电子装置，从而扩展组件的低温操作。与TEC自加热结合的来自环境的热传递允许在否则将不切实际的较低温度下工作。此外，在无动力时，TEC起着绝热器的作用，以避免采用无源热沉时可能发生的对电子装置的过度冷却。采用能够灵活地利用在板加热装置和热电致冷器的所有的这三种操作模式的微控制器和控制软件将提供对较宽操作热包络的显著扩展，否则这样的扩展将无法实现。
上文概括的控制机制的实施例是利用受到微处理器控制的H电桥控制电路，其允许在微处理机控制下向TEC施加任一方向的控制电压。监测温度数据的软件算法能够有选择地向加热元件以任何占空比来施加电流，以及有选择地控制TEC操作模式的操作，从而根据需要对装置进行加热、冷却或绝热，由此实施集成组件的灵活热调节策略。电阻加热和热电装置两者的使用对于扩展热包络下限和上限都是有利的。
图8是一种改进的旋转接头的示意性等角视图，其示出了饼型转子、轨道、刷子和定子。在这一组件内有三个滑块盘片(platter)，所有的三个盘片都具有蛇管加热器，以避免润滑剂在低温下使刷子升高。所述蛇形加热元件还能够在低温下对电子器件加温。但是，在升高的温度处，滑动接触部将继续工作，而电子器件可能超过其工作温度范围，因而需要紧挨着电子器件结合TEC，以提供升高温度处的冷却。
因此，本发明提供了对滑环的广泛改进，所述滑环具有定子和转子，并且包括刷子，所述刷子的近端安装在定子和转子之一上，远端与定子和转子中的另一个啮合，刷子适于跨越的定子和转子之间的接口传送电信号。所述改进主要包括：转子具有支撑构件(1)；在定子和转子中的另一个上提供的轨道，所述轨道被布置为与所述远端滑动接触；以及布置在所述支撑构件内的热元件(3或4)，其用于有选择地影响转子的温度；由此可以提高滑环的工作温度范围。
修改
本发明可以设想很多可以做出的变化和修改。例如，所述热元件可以是加热器或冷却器。所述控制电子器件可以物理上位于所述支撑构件内，例如，位于在支撑构件内提供的凹部当中。所述热元件可以是印刷电路板内的迹线。
因此，尽管示出并描述了优选的改进形式并且讨论了几种对其做出的修改，但是本领域技术人员可以容易地认识到，在不背离下面的权利要求定义和区分的本发明的精神的情况下可以做出各种额外的变化和修改。

Claims (8)

1.在具有定子和转子并且包括刷子的一种滑环当中，其中所述刷子具有安装在所述定子和所述转子中的一个上的近端，以及与所述定子和所述转子中的另一个啮合的远端，所述刷子适于跨越所述定子和所述转子之间的接口传送电信号，改进包括：
包括支撑构件的所述转子；以及
在所述定子和所述转子中的所述另一个上提供的轨道，所述轨道被布置为与所述刷子远端滑动接触；以及
布置在所述支撑构件内用于有选择地影响所述转子的温度的热元件；并且
其中，可以增大所述滑环的温度工作范围。
2.根据权利要求1所述的改进，其中，所述转子是饼型转子。
3.根据权利要求1所述的改进，其中，所述热元件是加热器。
4.根据权利要求1所述的改进，其中，所述热元件是冷却器。
5.根据权利要求1所述的改进，还包括用于操作所述热元件的控制电子器件，并且其中所述控制电子器件物理上位于所述支撑构件内。
6.根据权利要求5所述的改进，其中，所述支撑构件具有凹部，并且其中所述控制电子器件物理上位于所述凹部内。
7.根据权利要求1所述的改进，其中，所述支撑构件是印刷电路板，并且其中所述热元件是所述印刷电路板内的迹线。
8.根据权利要求1所述的改进，其中，所述支撑构件是由碳纤维合成材料形成的。
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