CN105679522A - 机械/非接触复合式滑环及工作方式 - Google Patents

机械/非接触复合式滑环及工作方式 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机械/非接触复合式滑环及工作方式，属电能传输和电能变换领域。系统在正常运行时，定子向非接触滑环转子侧移动，保持二者最佳工作间隙，而与机械滑环转子开路，此时电能通过非接触滑环来传输；当非接触滑环发生故障时，辅助动力装置对定子施力，使定子脱离非接触滑环转子，向机械滑环转子侧移动，使复合式定子的电刷与机械滑环转子的集电环相接触，此时电能通过机械滑环来传输；当非接触滑环恢复正常时，定子再按上述方式切换回非接触滑环侧。本发明既能利用非接触滑环的优点，解决了传统接触式滑环存在的机械磨损等问题，又能在非接触滑环出现故障时切换到机械滑环，以保证系统的可靠运行。适用于大多数旋转电子设备的电能传输。

Description

机械/非接触复合式滑环及工作方式
技术领域
本发明涉及一种机械/非接触复合式滑环及工作方式，属于电能传输和电能变换领域。
背景技术
旋转电子设备在航空航天场合得到大量的应用，例如旋转雷达、惯性平台、系留平台、陀螺仪表、卫星电源以及航空发电机励磁系统等。如何确保电能从固定侧向旋转侧高效可靠传输，实现固定侧与旋转侧间准确及时的信息交互，成为保证旋转电子设备功能实现的关键所在。
目前的旋转电子设备多采用导电环和电刷匹配的滑动式电接触装置，又称为导电滑环，来进行电能和信号传输。传统的导电滑环设备旋转过程中电刷与滑环动态接触，导电环和电刷不可避免存在磨损。研制高可靠的导电滑环对导电环和电刷材料的导电性、抗电侵蚀、抗环境气氛腐蚀及抗磨损性等提出极其苛刻的要求。目前导电滑环的摩擦触点是采用金、银、铂、铱等贵金属配合其他稀有元素制成，不仅造价高昂，工艺复杂而且在太空的低重力环境下，摩擦产生的导电粒子的积累和漂浮还会引发短路故障，使得设备失效。显然，以上传统接触式导电滑环的缺点制约了旋转电子设备可靠性和经济性。
非接触滑环利用原副边完全分离的非接触变压器，通过磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。相比于传统的接触式机械滑环，非接触滑环从根本上解决了机械磨损问题。滑环的“非接触化”使其功能更加多样化，不仅可以承担简单的电气连接功能，还能实现电气隔离、功率变换的功能。
但是相比于传统接触式导电滑环，非接触滑环起步较晚，技术不成熟，电能传输效率受到松耦合变压器的制约且在一些恶劣环境下的可靠性及过载能力稍显逊色。本发明提出一种机械/非接触复合式滑环，将机械滑环作为非接触滑环的备用选择，将会大大提升旋转设备电能传输的可靠性。
发明内容
本发明的目的是结合非接触滑环和传统机械滑环的优势，提升在恶劣环境下旋转电子设备电能传输的可靠性，设计一种新的机械/非接触复合式滑环。
第一种机械/非接触复合式滑环，其特征在于：包括主动力轴，以及固定于主动力轴上的非接触滑环转子和机械滑环转子；还包括通过直线轴承安装于主动力轴上且位于非接触滑环转子和机械滑环转子之间的复合式定子；复合式定子是由两种滑环的定子结合在一起组成的，其和机械滑环转子上分别安装有相互匹配的电刷与集电环；还包括与复合式定子相连的，使其能够在主动力轴上轴向移动的轴向进给装置。
所述的机械/非接触复合式滑环的工作方法，其特征在于：系统在正常运行时，轴向进给装置使复合式定子向非接触滑环转子侧移动，保持二者最佳的工作间隙，而与机械滑环转子开路，此时电能通过非接触滑环来传输；当非接触滑环发生故障时，轴向进给装置对复合式定子施力，使复合式定子脱离非接触滑环转子，而向机械滑环转子侧移动，使复合式定子的电刷与机械滑环转子的集电环相接触，此时电能通过机械滑环来传输；当非接触滑环恢复正常时，复合式定子再按上述方式切换回非接触滑环转子一侧。
第二种机械/非接触复合式滑环，其特征在于：包括主动力轴，以及固定于主动力轴上的复合式转子；还包括均通过直线轴承安装于主动力轴上，且分别位于复合式转子两侧的非接触滑环定子和机械滑环定子，其中非接触滑环定子和机械滑环定子相互固定形成定子组件；复合式转子是由两种滑环的转子结合在一起组成的，其和机械滑环定子上分别安装有相互匹配的集电环和电刷；还包括与上述定子组件相连的，使其能够在主动力轴上轴向移动的轴向进给装置。
所述的机械/非接触复合式滑环的工作方法，其特征在于：系统在正常运行时，轴向进给装置使非接触滑环定子向复合转子侧移动，保持二者最佳的工作间隙，而与机械滑环定子开路，此时电能通过非接触滑环来传输；当非接触滑环发生故障时，轴向进给装置对定子组件施力，使非接触滑环定子脱离复合转子，机械滑环定子向复合转子侧移动，使复合式转子的集电环和机械滑环定子的电刷相接触，此时电能通过机械滑环来传输；当非接触滑环恢复正常时，非接触滑环定子再按上述方式切换回复合转子侧。
本发明相对现有技术，既能利用非接触滑环的优点，解决了传统接触式滑环存在的机械磨损等问题，又能在非接触滑环出现故障时切换到机械滑环，以保证系统的可靠运行。适用于大多数旋转电子设备的电能传输。
上述第一种滑环的变形结构，其特征在于：上述非接触滑环转子、复合式定子和机械滑环转子至少包括以下两种结构形式：第一种：非接触滑环转子、复合式定子和机械滑环转子均为盘状结构；第二种：非接触滑环转子为筒状结构，复合式定子为罐状结构，机械滑环转子为盘状结构；其中复合式定子罐状结构的开口朝向非接触滑环转子，复合式定子罐状结构的筒状内壁面与非接触滑环转子的筒状外壁面配合工作；复合式定子罐状结构的端面与机械滑环转子配合工作。
上述第一种滑环的轴向进给装置至少包括以下两种结构：第一种：轴向进给装置由安装于复合式定子中的丝杠螺母、与丝杠螺母配合的螺杆、与螺杆相连的电机组成；第二种：轴向进给装置由安装于复合式定子中的直线轴承、与直线轴承配合的光杆、与光杆相连的电磁吸盘组成。
上述第二种滑环的变形结构，其特征在于：上述复合式转子、非接触滑环定子和机械滑环定子至少包括以下两种结构形式：第一种：复合式转子、非接触滑环定子和机械滑环定子均为盘装结构；第二种：上述非接触滑环定子为筒状结构，复合式转子为罐状结构，机械滑环定子为盘状结构；其中复合式转子罐状结构的开口朝向非接触滑环定子，复合式转子罐状结构的筒状内壁面与复合式转子的筒状外壁面配合工作；复合式转子罐状结构的端面与机械滑环定子配合工作。
上述第二种滑环的轴向进给装置至少包括以下两种结构：第一种：轴向进给装置由安装于复合式定子中的丝杠螺母、与丝杠螺母配合的螺杆、与螺杆相连的电机组成；第二种：轴向进给装置由安装于复合转子中的直线轴承、与直线轴承配合的光杆、与光杆相连的电磁吸盘组成。
附图说明
图1是本发明的工作方式流程图；
图2是本发明中的一种由位于中间的盘状定子及两个盘状滑环转子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环立体图；
图3是本发明中的一种由位于中间的盘状定子及两个盘状滑环转子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环剖面图；
图4是本发明中的一种由位于中间的盘状转子及两个盘状滑环定子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环立体图；
图5是本发明中的一种由位于中间的盘状转子及两个盘状滑环定子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环剖面图；
图6是本发明中的一种由位于中间的罐状定子，一个盘状机械滑环转子及一个筒状非接触滑环转子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环立体图；
图7是本发明中的一种由位于中间的罐状定子，一个盘状机械滑环转子及一个筒状非接触滑环转子组成，采用第一种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环剖面图；
图8是本发明中的一种由位于中间的盘状定子及两个盘状滑环转子组成，采用第二种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环立体图；
图9是本发明中的一种由位于中间的盘状定子及两个盘状滑环转子组成，采用第二种轴向进给装置的机械/非接触复合式滑环剖面图；
图中标号名称：1—主动力轴，2—非接触滑环转子，3—复合式定子，4—复合式转子，5—机械滑环转子，6—直线轴承，7—辅助电机，8—螺杆，9—丝杠螺母，10—非接触滑环定子，11—机械滑环定子，12—电磁吸盘，13—光杆，14—铁盘。
具体实施方式
附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，结合附图对本发明作进一步描述如下。
实施实例一：
参见附图2、3，非接触滑环和机械滑环均为盘状结构。非接触滑环转子和机械滑环转子固定在主动力轴上。复合式定子位于非接触滑环转子和机械滑环转子之间，通过直线轴承安装在主动力轴上。复合式定子是由两种滑环的定子结合在一起组成的，其和机械滑环转子上分别安装有相互匹配的电刷和集电环。
轴向进给装置轴向进给装置由安装于复合式定子中的丝杠螺母、与丝杠螺母配合的螺杆、与螺杆相连的电机组成。电机为螺纹杆提供旋转动力，以推拉复合式定子在非接触滑环转子和机械滑环转子之间移动。
实施实例二：
参见附图4、5，非接触滑环和机械滑环均为盘状结构。复合式转子固定在主动力轴上。非接触滑环定子和机械滑环转子位于复合式转子两侧，均通过直线轴承安装在主动力轴上，且相互固定形成定子组件。复合式转子是由两种滑环的转子结合在一起组成的，其和机械滑环定子上分别安装有相互匹配的集电环和电刷；
轴向进给装置轴向进给装置由安装于定子组件中的丝杠螺母、与丝杠螺母配合的螺杆、与螺杆相连的电机组成。辅助电机为螺纹杆提供旋转动力，以推拉定子组件分别与非接触滑环转子和机械滑环转子配合工作。
实施实例三：
参见附图6、7，非接触滑环转子为筒状结构，机械滑环为盘状结构，复合式定子为罐状结构。非接触滑环转子和机械滑环转子固定在主动力轴上。复合式定子位于非接触滑环转子和机械滑环转子之间，通过直线轴承安装在主动力轴上。复合式定子是由两种滑环的定子结合在一起组成的，其和机械滑环转子上分别安装有相互匹配的电刷和集电环。
其中复合式定子罐状结构的开口朝向非接触滑环转子，复合式定子罐状结构的筒状内壁面与非接触滑环转子的筒状外壁面配合工作；复合式定子罐状结构的端面与机械滑环转子配合工作。
轴向进给装置轴向进给装置由安装于复合式定子中的丝杠螺母、与丝杠螺母配合的螺杆、与螺杆相连的电机组成。辅助电机为螺纹杆提供旋转动力，以推拉复合式定子在非接触滑环转子和机械滑环转子之间移动。
实施实例四：
参见附图8、9，非接触滑环和机械滑环均为盘状结构。非接触滑环转子和机械滑环转子固定在主动力轴上。复合式定子位于非接触滑环转子和机械滑环转子之间，通过直线轴承安装在主动力轴上。复合式定子是由两种滑环的定子结合在一起组成的，其和机械滑环转子上分别安装有相互匹配的电刷和集电环。
辅助动力装置由直线轴承、光杆及安装在光杆两端的电磁吸盘组成。直线轴承固定在复合式定子下方，并被光杆穿过；分别给两个电磁吸盘充退磁，使复合式定子实现双向移动，以达到非接触滑环和机械滑环切换的目的。

Claims (8)

1.一种机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
包括主动力轴（1），以及固定于主动力轴（1）上的非接触滑环转子（2）和机械滑环转子（5）；
还包括通过直线轴承安装于主动力轴（1）上且位于非接触滑环转子（2）和机械滑环转子（5）之间的复合式定子（3）；复合式定子（3）和机械滑环转子（5）上分别安装有相互匹配的电刷与集电环；
还包括与复合式定子（3）相连的，使其能够在主动力轴（1）上轴向移动的轴向进给装置。
2.根据权利要求1所述的机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
上述非接触滑环转子（2）、复合式定子（3）和机械滑环转子（5）至少包括以下两种结构形式：
第一种：非接触滑环转子（2）、复合式定子（3）和机械滑环转子（5）均为盘状结构；
第二种：非接触滑环转子（2）为筒状结构，复合式定子（3）为罐状结构，机械滑环转子为盘状结构；
其中复合式定子（3）罐状结构的开口朝向非接触滑环转子（2），复合式定子（3）罐状结构的筒状内壁面与非接触滑环转子（2）的筒状外壁面配合工作；复合式定子（3）罐状结构的端面与机械滑环转子（5）配合工作。
3.根据权利要求1所述的机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
上述轴向进给装置至少包括以下两种结构：
第一种：轴向进给装置由安装于复合式定子（3）中的丝杠螺母（9）、与丝杠螺母（9）配合的螺杆（8）、与螺杆相连的电机（7）组成；
第二种：轴向进给装置由安装于复合式定子（3）中的直线轴承（6）、与直线轴承（6）配合的光杆（13）、与光杆（13）相连的电磁吸盘（12）组成。
4.根据权利要求1所述的机械/非接触复合式滑环的工作方法，其特征在于：
系统在正常运行时，轴向进给装置使复合式定子（3）向非接触滑环转子（2）侧移动，保持二者最佳的工作间隙，而与机械滑环转子（5）开路，此时电能通过非接触滑环来传输；
当非接触滑环发生故障时，轴向进给装置对复合式定子（3）施力，使复合式定子（3）脱离非接触滑环转子（2），而向机械滑环转子（5）侧移动，使复合式定子（3）的电刷与机械滑环转子（5）的集电环相接触，此时电能通过机械滑环来传输；
当非接触滑环恢复正常时，复合式定子（3）再按上述方式切换回非接触滑环转子（2）一侧。
5.一种机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
包括主动力轴（1），以及固定于主动力轴（1）上的复合式转子（4）；
还包括均通过直线轴承安装于主动力轴（1）上，且分别位于复合式转子（4）两侧的非接触滑环定子（10）和机械滑环定子（11），其中非接触滑环定子（10）和机械滑环定子（11）相互固定形成定子组件；
复合式转子（4）和机械滑环定子（11）上分别安装有相互匹配的集电环和电刷；
还包括与上述定子组件相连的，使其能够在主动力轴（1）上轴向移动的轴向进给装置。
6.根据权利要求5所述的机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
上述复合式转子（4）、非接触滑环定子（10）和机械滑环定子（11）至少包括以下两种结构形式：
第一种：复合式转子（4）、非接触滑环定子（10）和机械滑环定子（11）均为盘装结构；
第二种：上述非接触滑环定子（10）为筒状结构，复合式转子（4）为罐状结构，机械滑环定子（11）为盘状结构；
其中复合式转子（4）罐状结构的开口朝向非接触滑环定子（10），复合式转子（4）罐状结构的筒状内壁面与复合式转子（4）的筒状外壁面配合工作；复合式转子（4）罐状结构的端面与机械滑环定子（11）配合工作。
7.根据权利要求5所述的机械/非接触复合式滑环，其特征在于：
上述轴向进给装置至少包括以下两种结构：
第一种：轴向进给装置由安装于复合式定子（3）中的丝杠螺母（9）、与丝杠螺母（9）配合的螺杆（8）、与螺杆相连的电机（7）组成；
第二种：轴向进给装置由安装于复合转子（4）中的直线轴承（6）、与直线轴承（6）配合的光杆（13）、与光杆（13）相连的电磁吸盘组成。
8.根据权利要求5所述的机械/非接触复合式滑环的工作方法，其特征在于：
系统在正常运行时，轴向进给装置使非接触滑环定子（10）向复合转子（4）侧移动，保持二者最佳的工作间隙，而与机械滑环定子（11）开路，此时电能通过非接触滑环来传输；
当非接触滑环发生故障时，轴向进给装置对定子组件施力，使非接触滑环定子（10）脱离复合转子（4），机械滑环定子（11）向复合转子（4）侧移动，使复合式转子（4）的集电环和机械滑环定子（11）的电刷相接触，此时电能通过机械滑环来传输；
当非接触滑环恢复正常时，非接触滑环定子（10）再按上述方式切换回复合转子（4）侧。
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