CN106992416A - 一种磁流体微型多路旋转电连接器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流体微型多路旋转电连接器，包括外壳、两个端盖、两个分线合线盘、两个转子和导电磁流体，端盖设置在外壳两端，外壳与端盖闭合形成内腔，端盖开设有通孔，分线合线盘设置在端盖上，分线合线盘包括分线端和合线端，分线端设置在内腔里，合线端穿过通孔设置在内腔外，转子设置在分线合线盘的分线端，转子上设置有转瓦或转筒，转瓦或转筒内设置有产生轴向磁场的线圈，导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体，导电磁流体设置在两个转子之间的间隙内。本发明结构简单，加工成本较低，同时磁流体又具有良好的密封、散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了电连接器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。

Description

一种磁流体微型多路旋转电连接器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种多路旋转电连接器，尤其是涉及一种磁流体微型多路旋转电连接器及其设计方法。

背景技术

旋转电连接器是其输入端和输出端可绕公共轴转动，并能保证电路连接的连接器，通常应用在汽车转向装置、深井钻机、CNC床等设备中。在旋转连接器中，最为常见的形式是机械结构式，即通过固定外筒体和具有内筒体的可转动体同轴配置，并将带状电缆容纳并卷绕在这些外筒体和内筒体之间划分出的容纳空间内，来实现旋转电路连接的。这种旋转连接器用作汽车的转向装置那样旋转数有限的把手上所安装的安全气囊充气机等的电连接单元。上述带状电缆是绝缘膜中承载有导体的带状体，常见的有将该带状电缆卷绕成螺旋状的螺旋型和在中途反转并卷绕的反转型，但后者的反转型能够显著缩短带状电缆的长度，在一定程度上缩小了旋转连接器的尺寸。

现有技术的主要旋转电路连接器主要靠带状电缆或轴瓦的同轴布置，但这种形式造成电连接器内部电缆和轴瓦在通电状况下不断摩擦，这样极易发热，产生电火花，严重影响电连接器的性能，并可能产生危险事故的发生。另外，当前的电连接器一般都是单路连接，多路旋转的主要依靠电缆之间的绝缘层来实现，一是这种实现方式容易劳损而造成不耐用和连接不可靠的问题，二是这样的结构需要的加工成本较高，导致整个电连接器的成本骤然升高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁流体微型多路旋转电连接器及其设计方法，以解决现有的机械结构式电连接器连接不可靠、工作环境要求较多、多路连接成本较高的问题。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种磁流体微型多路旋转电连接器，包括外壳、两个端盖、两个分线合线盘、两个转子和导电磁流体，所述两个端盖分别设置在所述外壳两端，所述外壳与所述端盖闭合形成内腔，所述端盖开设有通孔，所述两个分线合线盘分别设置在所述两个端盖上，所述分线合线盘包括分线端和合线端，所述分线端设置在所述内腔里，所述合线端穿过所述通孔设置在所述内腔外，所述两个转子分别设置在所述两个分线合线盘的分线端，所述转子上设置有转瓦或转筒，所述两个转子上的转瓦或转筒互相交替插入，所述转瓦或转筒内设置有产生轴向磁场的线圈，所述导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体，所述导电磁流体设置在所述两个转子之间的间隙内。外壳主要作为旋转电连接器的外部固定件和支撑件。端盖用于封闭内部空间。分线合线盘主要用于输入时将各路电缆分开到各层转瓦或转筒上，输出时保持各路电缆独立的同时将转瓦或转筒上的各个电缆汇合成一股。两个转子主要用于实现相对旋转，并在旋转过程中保持其各个电缆的独立连接。导电磁流体主要用于控制电路的闭合和断开，磁流体中的导电颗粒在一定的磁场作用下，会出现沿磁感线方向呈线性自组装特性，能够实现通电导电，因此可以通过控制磁场改变磁性流体的状态来实现电路闭合、断开。工作时，转瓦或转筒产生轴向磁场，导电磁流体中的导电颗粒根据磁场方向组装成链，使两个转子互相对应的转瓦或转筒连通，电流从一个分线合线盘的合线端输入，经过分线端，再经过转瓦或转筒，由导电颗粒进入另一分线合线盘的转瓦或转筒，经过分线端后从合线端输出。

所述导电颗粒为微纳米导电颗粒，所述磁流体为感温绝缘磁性流体，所述导电颗粒与所述磁流体通过保持剂保持均匀混合状态。

所述导电颗粒为非磁性颗粒，所述非磁性颗粒为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线或碳纳米管。

所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。选用时综合考虑流体粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，磁流体固体特性越明显。

所述端盖设置有端盖密封永磁铁和轴向密封永磁铁，所述端盖密封永磁铁设置在所述端盖与所述外壳的连接处，所述轴向密封永磁铁设置在所述通孔处。端盖密封永磁铁用于防止导电磁流体从端盖与外壳的连接处泄露。轴向密封永磁铁用于防止导电磁流体从端盖与分线合线盘的连接处泄露。该结构提高了密封性，主要利用了磁流体在磁场作用下的磁粘性增大的特性，对于水基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.1T（特斯拉）。常用的材料有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。

所述端盖密封永磁铁与所述外壳之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，所述轴向密封永磁铁与所述分线合线盘之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。

所述转子为表面镀有绝缘材料的永磁铁或电磁铁，所述转瓦或转筒为导电材料。如电连接器不需要带有开关功能，则转子可使用永磁铁，如钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁等。如果需要通断功能则转子应采用电磁铁，此时分线合线盘上应多出两路电路用于控制电磁铁线圈的电流通断。

一种磁流体微型多路旋转电连接器的设计方法，包括以下步骤：

S1配置导电磁流体，进行实验测量在设计磁场强度下组装成链率80%以上的链长度L；

S2设计分线合线盘端子，如独立电路数目为N个，不需要开关功能则端子数为N个，需要开关功能则端子数为N+2个；

S3设计转子，两个转子的转瓦或转筒有同轴关系，转瓦或转筒的层数等于端子数N；

S4根据转子的直径设计外壳和端盖；

S5将两个转子分别与两个分线合线盘装配，再将两个转子互相装配，置于外壳中，用导电磁流体填满两个转子之间的间隙，并安装端盖。

步骤S4还包括：在端盖上开设端盖密封永磁铁安装槽和轴向密封永磁铁安装槽，安装端盖密封永磁铁和轴向密封永磁铁，测试防泄漏特性。

步骤S5两个转子互相装配后，转瓦或转筒的间距d根据步骤S1的链长度L确定，间距d取值范围为L/4<d<L。

本发明具有以下优点：（1）本发明结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修；（2）本发明具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计；（3）本发明对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境；（4）本发明利用磁性流体自身特性，可以适应高速旋转；（5）本发明对连接段的长度尺寸无特殊要求，可以做的很小，转瓦或转筒之间的缝隙可以小到50μm。

与现有技术相比，本发明结构简单，加工成本较低，同时磁流体又具有良好的密封、散热和润滑性能，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了电连接器的响应速度、稳定性、可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明的立体剖视图；

图2为本发明的平面剖视图；

图3为本发明的分线合线盘的结构示意图；

图4为本发明的两个转子互相装配后的结构示意图；

图5为本发明的转瓦的结构示意图；

图6为本发明的转筒的结构示意图；

图7为本发明的导电磁流体在显微镜下磁组装的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的结构如图1、图2所示，包括外壳1、两个端盖2、两个分线合线盘3两个转子4和导电磁流体。两个端盖2分别设置在外壳1两端，外壳1与端盖2闭合形成内腔，端盖2开设有通孔，两个分线合线盘3分别设置在两个端盖2上。如图3所示，分线合线盘3包括分线端31和合线端32，分线端31设置在内腔里，合线端32穿过通孔设置在内腔外。两个转子4分别设置在两个分线合线盘3的分线端31，转子4上设置有转瓦或转筒5，两个转子4上的转瓦或转筒5互相交替插入，如图4所示，转瓦或转筒5内设置有产生轴向磁场的线圈。转瓦的结构如图5所示，转筒的结构如图6所示。导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体，导电磁流体设置在两个转子4之间的间隙内。

导电颗粒为微纳米导电颗粒，磁流体为感温绝缘磁性流体，导电颗粒与磁流体通过保持剂保持均匀混合状态。导电颗粒为非磁性颗粒，非磁性颗粒为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线或碳纳米管。

端盖2设置有端盖密封永磁铁6和轴向密封永磁铁7，端盖密封永磁铁6设置在端盖2与外壳1的连接处，轴向密封永磁铁7设置在通孔处，即端盖2与分线合线盘3的连接处。端盖密封永磁铁6与外壳1之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，轴向密封永磁铁7与分线合线盘3之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。转子4为表面镀有绝缘材料的永磁铁或电磁铁，转瓦或转筒5为导电材料。

本发明的电连接器，可以根据不同的实际需求进行快速设计，包括以下步骤：

第一步：根据微纳米级导电颗粒的物理化学性质选用不同基质的绝缘磁流体，一般常用感温绝缘磁流体，因为感温绝缘磁流体混合液具有良好的散热性，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，选用时综合考虑实验流体粘度和经济性来选择不同磁化强度的磁流体；

第二步：对所配置批次的带有导电颗粒的磁流体进行磁组装实验，通过实验测量在设计磁场强度下组装成链率80%以上的链长度L，如图7所示；

第三步：根据电连接器需求（如：是否需要开关功能，独立的电路数目）设计分线合线盘端子，如独立电路数目为N个（N≥1），不需要开关功能则端子数为N，需要开关功能则端子数为N+2个；

第四步：根据分线合线盘的端子数设计带有转瓦或转筒的转子，转子中的转瓦或转筒有如图4所示的同轴关系，转瓦或转筒的层数等于端子数N，如图5所示为六层转瓦，如图6所示为六层转筒；

第五步：根据转子的直径设计电连接器外壳和端盖，在端盖上开端盖密封永磁铁和轴向密封永磁铁安装槽，安装永磁铁，并测试其防泄漏特性；

第六步：先将转子分别与分线合线盘装配，再将两个转子装配，两个转子互相装配后，转瓦或转筒的间距d根据第一步的链长度L确定，间距d取值范围为L/4<d<L，后置于外壳中，用导电磁流体填满两个转子之间的间隙，并安装端盖，如图1、图2所示；

第七步：在初次装配后，需要进行通电实验，确保装配的有效性。

Claims (10)

1.一种磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，包括外壳、两个端盖、两个分线合线盘、两个转子和导电磁流体，所述两个端盖分别设置在所述外壳两端，所述外壳与所述端盖闭合形成内腔，所述端盖开设有通孔，所述两个分线合线盘分别设置在所述两个端盖上，所述分线合线盘包括分线端和合线端，所述分线端设置在所述内腔里，所述合线端穿过所述通孔设置在所述内腔外，所述两个转子分别设置在所述两个分线合线盘的分线端，所述转子上设置有转瓦或转筒，所述两个转子上的转瓦或转筒互相交替插入，所述转瓦或转筒内设置有产生轴向磁场的线圈，所述导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体，所述导电磁流体设置在所述两个转子之间的间隙内。

2.根据权利要求1所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述导电颗粒为微纳米导电颗粒，所述磁流体为感温绝缘磁性流体，所述导电颗粒与所述磁流体通过保持剂保持均匀混合状态。

3.根据权利要求2所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述导电颗粒为非磁性颗粒，所述非磁性颗粒为纳米级铜粉、纳米级铝粉、纳米级银粉、纳米级银线或碳纳米管。

4.根据权利要求3所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。

5.根据权利要求1所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述端盖设置有端盖密封永磁铁和轴向密封永磁铁，所述端盖密封永磁铁设置在所述端盖与所述外壳的连接处，所述轴向密封永磁铁设置在所述通孔处。

6.根据权利要求5所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述端盖密封永磁铁与所述外壳之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，所述轴向密封永磁铁与所述分线合线盘之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。

7.根据权利要求1所述的磁流体微型多路旋转电连接器，其特征在于，所述转子为表面镀有绝缘材料的永磁铁或电磁铁，所述转瓦或转筒为导电材料。

8.一种磁流体微型多路旋转电连接器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1配置导电磁流体，进行实验测量在设计磁场强度下组装成链率80%以上的链长度L；

S2设计分线合线盘端子，如独立电路数目为N个，不需要开关功能则端子数为N个，需要开关功能则端子数为N+2个；

S3设计转子，两个转子的转瓦或转筒有同轴关系，转瓦或转筒的层数等于端子数N；

S4根据转子的直径设计外壳和端盖；

S5将两个转子分别与两个分线合线盘装配，再将两个转子互相装配，置于外壳中，用导电磁流体填满两个转子之间的间隙，并安装端盖。

9.根据权利要求8所述的磁流体微型多路旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S4还包括：在端盖上开设端盖密封永磁铁安装槽和轴向密封永磁铁安装槽，安装端盖密封永磁铁和轴向密封永磁铁，测试防泄漏特性。

10.根据权利要求8所述的磁流体微型多路旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S5两个转子互相装配后，转瓦或转筒的间距d根据步骤S1的链长度L确定，间距d取值范围为L/4<d<L。