CN107181150A - 具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，包括外壳、输入端端盖、电转子和导电磁流体，所述外壳两端分别为输出端和开口端，所述输出端设置有输出端子，所述输出端子外围设置有电磁铁，所述开口端与所述输入端端盖连接，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与外壳之间形成内腔，导电磁流体设置在内腔里，导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体。本发明不仅具有开关功能，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

具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种微型旋转电连接器，尤其是涉及一种具有开关功能的磁流体微型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不具备开关功能，如果需要开关功能则需要在旋转电连接器外另加开关装置。这样，造成了空间布置的浪费，且多部件同时工作不易检修。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有开关功能的磁流体微型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、对工作环境要求较多、自身不具备开关功能的问题。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，包括外壳、输入端端盖、电转子和导电磁流体，所述外壳两端分别为输出端和开口端，所述输出端设置有输出端子，所述输出端子外围设置有电磁铁，所述开口端与所述输入端端盖连接，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与所述外壳之间形成内腔，所述导电磁流体设置在所述内腔里，所述导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体。外壳主要作为旋转电连接器的外部固定件和支撑件，其上的输出端子用于输出电流。输入端端盖主要用于固定电转子，并与外壳形成闭合空间。电转子主要承担旋转电连接器的旋转动作，并在电磁铁上电状态下将外部电流传递到输出端。电磁铁用于上电形成磁场。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，电磁铁上电形成磁场，导电磁流体中的导电颗粒根据磁场方向组装成链，使电转子和输出端子连通，电流从电转子的输入端子进入，由导电颗粒进入输出端子，输出电流。

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。

所述外壳设置有密封永磁铁，所述密封永磁铁设置在所述外壳内壁，位于所述外壳内壁与所述电转子外壁之间。密封永磁铁用于防止导电磁流体从外壳与电转子之间泄露，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。

所述密封永磁铁与所述电转子之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。

所述电转子内设置有通道，所述通道一端与所述内腔连通，另一端开设在所述电转子与所述密封永磁铁的连接处，便于补充导电磁流体。

所述外壳的输出端子为导电材料，除输出端子外的部分为不导电材料，所述电转子为整体导电材料，或高分子硬质材料中嵌入导电材料芯棒。

一种具有开关功能的磁流体微型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设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin；

S3根据电转子直径D1和输出端子直径D2设计外壳，外壳的输出端子采用导电材料，除输出端子外的部分采用不导电材料；

S4设计输入端端盖和电磁铁，电磁铁的中心孔径大于D2；

S5将电转子与外壳进行装配，再安装电磁铁；

S6将导电磁流体充满内腔，安装输入端端盖。

步骤S3还包括：在外壳内壁开设密封永磁铁安装槽，安装密封永磁铁，测试防泄漏特性。

步骤S5电转子与外壳装配后，电转子与输出端子之间的间距W根据步骤S1的链长度L确定，间距W取值范围为50μm<W<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，电转子和输出端子之间的缝隙可以小到50μm。

与现有技术相比，本发明不仅具有开关功能，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为本发明的剖视结构立体示意图；

图2为本发明的剖视结构平面示意图；

图3为本发明的外壳的剖视图；

图4为本发明的输入端端盖的剖视图；

图5为本发明的电转子的剖视图；

图6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、输入端端盖2、电转子3和导电磁流体。外壳1的结构如图3所示，两端分别为输出端和开口端，输出端设置有输出端子11，输出端子11外围设置有电磁铁12，开口端与输入端端盖2连接。输入端端盖2的结构如图4所示，设置有通孔。电转子3的结构如图5所示，设置在外壳1内，电转子3一端设置有输入端子31从输入端端盖2的通孔穿出，电转子3另一端与外壳1之间形成内腔4。导电磁流体设置在内腔4里，导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体。

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。

外壳1设置有密封永磁铁5，密封永磁铁5设置在外壳1内壁，位于外壳1内壁与电转子3外壁之间。密封永磁铁5与电转子3之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。电转子3内设置有通道32，通道32一端与内腔4连通，另一端开设在电转子3与密封永磁铁5的连接处。外壳1的输出端子11为导电材料，除输出端子11外的部分为不导电材料。电转子3为整体导电材料，或高分子硬质材料中嵌入导电材料芯棒。为了安装电磁铁12，可设置输出端端盖6。

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6所示；

第三步：根据电连接器需求（电压电流转速）设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin，如果电转子整体用导电材料，则其最小直径D1应该略大于输出端子直径D2，电转子中导电材料的最小直径D11和输出端子直径D2都要大于电极最小安全许用直径Dmin，电转子在内部开有若干条通道，以便于以后补充磁流体；

第四步：根据电转子直径D1和输出端子直径D2设计外壳，外壳除输出电极外必须采用不导电材料；

第五步：根据电转子和外壳设计输入端端盖、电磁铁、输出端端盖，其中电磁铁的中心孔径应大于D2，电磁铁在安装前应根据第一步中的实验，通过调整距离来对与外壳的连接处做最后调整；

第六步：在外壳上开密封永磁铁安装槽，安装密封永磁铁，并测试其防泄漏特性；

第七步：将电转子与外壳进行安装配合，电转子与输出端子之间的间距W根据第一步的链长度L确定，间距W取值范围为50μm<W<L，再安装密封永磁铁、电磁铁、输出端端盖；

第八步：将导电磁流体充满内腔后，安装输入端端盖并密封，在初次装配后，需要进行通电实验，保证装配的有效性。

Claims (10)

1.一种具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，其特征在于，包括外壳、输入端端盖、电转子和导电磁流体，所述外壳两端分别为输出端和开口端，所述输出端设置有输出端子，所述输出端子外围设置有电磁铁，所述开口端与所述输入端端盖连接，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与所述外壳之间形成内腔，所述导电磁流体设置在所述内腔里，所述导电磁流体为带有导电颗粒的磁流体。

2.根据权利要求1所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，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所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，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，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。

4.根据权利要求1所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，其特征在于，所述外壳设置有密封永磁铁，所述密封永磁铁设置在所述外壳内壁，位于所述外壳内壁与所述电转子外壁之间。

5.根据权利要求4所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，其特征在于，所述密封永磁铁与所述电转子之间设置有0.02至0.2毫米的间隙。

6.根据权利要求4所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，其特征在于，所述电转子内设置有通道，所述通道一端与所述内腔连通，另一端开设在所述电转子与所述密封永磁铁的连接处。

7.根据权利要求1所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器，其特征在于，所述外壳的输出端子为导电材料，除输出端子外的部分为不导电材料，所述电转子为整体导电材料，或高分子硬质材料中嵌入导电材料芯棒。

8.一种具有开关功能的磁流体微型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设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin；

S3根据电转子直径D1和输出端子直径D2设计外壳，外壳的输出端子采用导电材料，除输出端子外的部分采用不导电材料；

S4设计输入端端盖和电磁铁，电磁铁的中心孔径大于D2；

S5将电转子与外壳进行装配，再安装电磁铁；

S6将导电磁流体充满内腔，安装输入端端盖。

9.根据权利要求8所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S3还包括：在外壳内壁开设密封永磁铁安装槽，安装密封永磁铁，测试防泄漏特性。

10.根据权利要求8所述的具有开关功能的磁流体微型旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S5电转子与外壳装配后，电转子与输出端子之间的间距W根据步骤S1的链长度L确定，间距W取值范围为50μm<W<L。