CN108512005A - 一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，包括:外壳、滚动式汇流环、绝缘层、绝缘片、绝缘支架、外盖板、外转子电机、滚动轴承、电机轴承以及中心裸电缆。本发明通过双向汇流、空心同轴汇流模块化以及真空绝缘中心裸电缆等创新型设计，实现了大型发电阵组装，提高了输电的模块化装配能力，节省了常规滚动式导电旋转关节使用中的电缆重量以及空间高电压绝缘防护问题，使空间太阳能电站等电力可扩展的大型空间设施的能源收集与传输成为可能。

Description

一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节

技术领域

本发明涉及一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，用于新型多旋转关节空间太阳能电站太阳电池帆板(旋转端)和电站结构本体(固定端)的大功率电力传输。

背景技术

导电旋转关节是卫星、航天器以及空间大型航天设施必不可少的机电部件，负责太阳电池帆板对日定向并将采集的能源传输至卫星航天器本体。传统的导电旋转关节功率传输等级在10kW以内，随着空间传输功率需求的大幅提高，大型航天器、超大型空间设施的功率传输需求达100kW，甚至MW级。目前的传统产品日益增长的空间技术发展需求，导电旋转关节已经成为大功率航天器的关键制约因素，也是未来超大型空间设施的瓶颈技术。本专利提出的方案中，结合新型空间太阳能电站功率传输需求，通过模块化、空心同轴连接、同轴式真空绝缘中心裸电缆以及双向汇流设计，较好的解决了功率传输较小、太阳能电池帆板扩展以及空间高压绝缘等问题。

申请号201310114534.2的国内专利公开了一种适用于大功率传输的滚动汇流环装置，滚环装置内部容纳多个导电的滚环，可以有效的增大导线的截面积；滚环装置与外环通过弹簧连接预紧，保证汇流环在正转和反转时的导电接触。这种汇流环装置在传输功率及信息时，要经过滚动盘和滚环两次滚动传输过程，由于增加了一次滚动传输过程，就会增大波动电阻，增加制造成本，并降低滚环的可靠性。

申请号201010622163.5的国内专利公开了一种空间应用小型滚动式导电环组件，通过内环、外环、滚子和保持架之间的相对运动实现了太阳帆板收集的电能向卫星本体传输的功能。另外，在内环和外环的凸台上设置保持架的形式，来固定多滚子间的相对位置，使多个滚子相互之间在滚动时保持相互隔离，避免摩擦带来的磨损，可以在滚子加工精度较低的情况下实现较高的装配精度，提高滚环的可靠性。这种滚动式导电环组件没有考虑多个组件串联汇流、大功率航天器电缆布设困难、占用空间较大以及空间超高压绝缘等问题，因此只适用于连接单个太阳电池帆板、空间传输功率较小与电压较低的情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，解决了空间电能大功率、双向汇流传输以及多个导电旋转关节独立使用等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，包括:外壳、滚动式汇流环、绝缘支架、外盖板、外转子电机以及中心裸电缆；

所述外壳为圆筒状结构，中部设置有机械结构接口，用于安装外转子电机，绝缘支架也为圆筒状结构，设置在外壳内且与外壳同轴，中心裸电缆沿轴线从绝缘支架中穿过，外壳与绝缘支架之间设置有多个滚动式汇流环，外盖板将滚动式汇流环封装在外壳内部；外壳的两端设置有机械和电气接口，用于连接航天器的太阳电池帆板，从而实现双向扩展；太阳电池帆板生成的电流通过滚动式汇流环汇流到中心裸电缆输出，外壳与绝缘支架之间相对旋转运动，从而实现太阳电池帆板的对日指向调整。

还包括绝缘层和绝缘片，绝缘层为薄壁圆柱状结构，用于滚动式汇流环与外壳之间以及多个滚动式汇流环之间的绝缘；绝缘片为薄壁圆片状结构，用于滚动式汇流环与外盖板之间绝缘。

还包括滚动轴承和电机轴承；

绝缘支架和外盖板之间设置有滚动轴承，外转子电机的旋转端和固定端之间设置有电机轴承，外转子电机的旋转端和外壳固连，固定端与绝缘支架固连，从而实现外壳和绝缘支架的相对旋转运动。

所述滚动式汇流环为导电旋转结构，包括内环、外环以及弹性环，外环设计有凸台结构，用于和外壳定位固连，内环设计有凸台结构，用于和绝缘支架定位固连，弹性环在内环、外环之间的环形凹槽中滚动运动，用于外环相对于内环的滚动旋转。

滚动式汇流环还包括在相邻两弹性环之间设置的惰轮，用于防止在运动过程碰撞。

绝缘层上设置有相应的惰轮运动轨道。

弹性环为薄壁弹性环结构。

滚动式汇流环的轴向与外壳的轴向平行。

绝缘支架的外缘四周均布凹槽，用于为滚动式汇流环的滚动定位，并为滚动式汇流环汇流导线预留空间，绝缘支架内部设置有加强筋，用于安装支撑中心裸电缆。

所述绝缘支架采用聚醚醚酮绝缘材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)目前广泛应用的导电旋转关节只能连接航天器的一个太阳能电池帆板，由于单点失效性，不适用于空间太阳能电站等大功率航天器设施。本发明的双向旋转关节，可以实现同时连接两个太阳帆板，另外，由于主汇流电缆从各旋转关节中部的空心空间穿过，可以根据需求串联多个导电旋转关节，从而实现功率扩展，而且各导电旋转关节之间相对独立，避免了传统导电旋转关节的单点失效问题。

(2)通过双向同轴空心绝缘支架的支撑，主汇流电缆从导电旋转关节空心空间通过，解决了大功率航天器电缆导线复杂、占用空间较大以及空间高电压绝缘防护问题。

(3)汇流环利用滚动电接触原理，较滑动汇流环，减小了摩擦力矩以及接触电阻。可根据功率需求，确定使用滚动汇流环数量以及单个模块中的弹性环数量。

附图说明

图1为本发明滚动导电旋转关节内部剖视图；

图2为本发明滚动导电旋转关节左视图；

图3为本发明滚动导电旋转关节绝缘支架主视图；

图4为本发明滚动导电旋转关节绝缘支架右视图。

具体实施方式

如图1、2所示，为本发明的可扩展空间太阳能电站双向同轴空心滚动式导电旋转关节。包括外壳1、滚动式汇流环2、绝缘层3、绝缘片4、绝缘支架5、外盖板6、外转子电机7、滚动轴承12、电机轴承13以及中心裸电缆14。

外壳1是圆筒柱状结构，中部设置有机械结构接口，用于安装外转子电机7。外壳1的左上端和右下端设计有机械/电气接口，用于连接太阳电池翼。

如图3、图4所示，绝缘支架5也为圆筒状结构，设置在外壳1内且与外壳1同轴，中心裸电缆14沿轴线从绝缘支架5中穿过，外壳1与绝缘支架5之间设置有多个滚动式汇流环2，滚动式汇流环2从左右两个方向安装进入，外盖板6将滚动式汇流环2封装在外壳1内部；外壳1的两端设置有机械和电气接口，用于连接航天器的太阳电池帆板，从而实现双向扩展；

太阳电池帆板生成的电流通过滚动式汇流环2汇流到中心裸电缆14输出，外壳1与绝缘支架5之间相对旋转运动，从而实现太阳电池帆板的对日指向调整。

绝缘层3为薄壁圆柱状结构，用于滚动式汇流环2与外壳1之间以及多个滚动式汇流环2之间的绝缘；绝缘片4为薄壁圆片状结构，用于滚动式汇流环2与外盖板6之间绝缘。

绝缘支架5和外盖板6之间设置有滚动轴承12，外转子电机7的旋转端和固定端之间设置有电机轴承13，外转子电机7的旋转端和外壳1固连，固定端与绝缘支架5固连，从而实现外壳1和绝缘支架5的相对旋转运动。

滚动式汇流环2为导电旋转结构，包括内环8、外环9以及弹性环10，弹性环10为薄壁弹性环结构，外环9设计有凸台结构，用于和外壳1定位固连，内环8设计有凸台结构，用于和绝缘支架5定位固连，弹性环10在内环8、外环9之间的环形凹槽中滚动运动，用于外环9相对于内环8的滚动旋转。滚动式汇流环2还包括在相邻两弹性环10之间设置的惰轮11，用于防止在运动过程碰撞。绝缘层3上设置有相应的惰轮11运动轨道。

另外，凸台上设计有焊孔，用于焊接导线。滚动式汇流环2中的弹性环10在内环8、外环9之间的环形凹槽中滚动运动。弹性环10设计为薄壁弹性环结构是为减小电阻损耗。

外壳1内部左端的各滚动式汇流环2模块焊接在外环的导线汇合从外壳左上端的电气输入端和太阳帆板电池连接。同理，右端的导线汇合从外壳右下端的电气输入孔和太阳帆板电池连接。

外盖板6为圆形法兰结构，与外壳1固连，绝缘支架5和外盖板6之间安装滚动轴承12。

本发明还可以简单的进行串联扩展。通过多个旋转关节连接在一起，每个旋转关节带两个太阳电池翼，这样实现更大功率的电流供应，通过同一个中心裸电缆14汇流。

工作原理以及应用：

太阳电池帆板收集的太阳能，通过导电旋转关节的外壳左上端和右下端的电气接口接入本滚动汇流环模块中的外环，由于太阳帆板、外壳、外环以及外转子电机的旋转端固连，通过控制电机的旋转从而实现太阳帆板的对日跟踪定向。

同时，外环转动时，根据滚动载流摩擦原理，弹性环在滚动摩擦力的驱动下，在内环、外环之间的凹槽中做滚动运动并保持电接触，相邻两弹性环的滚动运动再带动两者之间的惰轮也做滚动运动，从而避免相邻环之间的碰撞等运动干涉。弹性环在外环的带动下实现了滚动运动以及与内、外环之间的电接触，从而实现了电能从太阳帆板到内环的旋转传输。进一步，内环的电流再集中汇聚至关节中心的中心裸电缆，避免了传统导线质量体积庞大、导线绝缘介质在空间高电压和辐射作用下的充放电以及击穿现象，较好的实现了轻量化以及空间绝缘防护，最终可通过串联多个导电旋转关节以实现空间超大功率汇流。

本发明利用滚动载流摩擦、双向模块化扩展、中心裸电缆汇流以及真空高压绝缘技术实现大功率太阳帆板对日定向转动并稳定传输电能和信号。解决了多个太阳电池帆板串联、空间电缆重量以及体积大、空间高压绝缘问题，大大提高了大型发电阵组装和输电的模块化装配能力，同时大大节省了常规滚动式导电旋转关节使用中的电缆重量。可应用在空间站以及空间太阳能电站等大功率、功率可扩展的空间航天设施。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于包括:外壳(1)、滚动式汇流环(2)、绝缘支架(5)、外盖板(6)、外转子电机(7)以及中心裸电缆(14)；

所述外壳(1)为圆筒状结构，中部设置有机械结构接口，用于安装外转子电机(7)，绝缘支架(5)也为圆筒状结构，设置在外壳(1)内且与外壳(1)同轴，中心裸电缆(14)沿轴线从绝缘支架(5)中穿过，外壳(1)与绝缘支架(5)之间设置有多个滚动式汇流环(2)，外盖板(6)将滚动式汇流环(2)封装在外壳(1)内部；外壳(1)的两端设置有机械和电气接口，用于连接航天器的太阳电池帆板，从而实现双向扩展；太阳电池帆板生成的电流通过滚动式汇流环(2)汇流到中心裸电缆(14)输出，外壳(1)与绝缘支架(5)之间相对旋转运动，从而实现太阳电池帆板的对日指向调整。

2.根据权利要求1所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：还包括绝缘层(3)和绝缘片(4)，绝缘层(3)为薄壁圆柱状结构，用于滚动式汇流环(2)与外壳(1)之间以及多个滚动式汇流环(2)之间的绝缘；绝缘片(4)为薄壁圆片状结构，用于滚动式汇流环(2)与外盖板(6)之间绝缘。

3.根据权利要求1所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：还包括滚动轴承(12)和电机轴承(13)；

绝缘支架(5)和外盖板(6)之间设置有滚动轴承(12)，外转子电机(7)的旋转端和固定端之间设置有电机轴承(13)，外转子电机(7)的旋转端和外壳(1)固连，固定端与绝缘支架(5)固连，从而实现外壳(1)和绝缘支架(5)的相对旋转运动。

4.根据权利要求2所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：所述滚动式汇流环(2)为导电旋转结构，包括内环(8)、外环(9)以及弹性环(10)，外环(9)设计有凸台结构，用于和外壳(1)定位固连，内环(8)设计有凸台结构，用于和绝缘支架(5)定位固连，弹性环(10)在内环(8)、外环(9)之间的环形凹槽中滚动运动，用于外环(9)相对于内环(8)的滚动旋转。

5.根据权利要求4所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：滚动式汇流环(2)还包括在相邻两弹性环(10)之间设置的惰轮(11)，用于防止在运动过程碰撞。

6.根据权利要求4所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：绝缘层(3)上设置有相应的惰轮(11)运动轨道。

7.根据权利要求4所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：弹性环(10)为薄壁弹性环结构。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：滚动式汇流环(2)的轴向与外壳(1)的轴向平行。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：绝缘支架(5)的外缘四周均布凹槽，用于为滚动式汇流环(2)的滚动定位，并为滚动式汇流环(2)汇流导线预留空间，绝缘支架(5)内部设置有加强筋，用于安装支撑中心裸电缆(14)。

10.根据权利要求1～7中任一项所述的一种可串联扩展的空心双向同轴大功率滚动导电旋转关节，其特征在于：所述绝缘支架(5)采用聚醚醚酮绝缘材料。