CN112217073B - 一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，包括：源导体、目标导体、螺钉、导电弹片、支撑弹片，所述导电弹片可以随源导体一同沿目标导体表面做往复直线运动，本发明采用将弹片的导电功能和支撑功能区分的技术路线，分别设计了导电弹片和支撑弹片，可以根据功能选择能满足其功能的最优材料，将最容易损坏失效的支撑弹片在环向上划分成多个相同的结构单元，显著降低了装配难度，提高了部件可维护性，采用了带有主动水冷结构的源导体及目标导体来控制电接触温度，本发明尤其适用于高真空、高电流负载下的滑动电接触应用场合。

Description

一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，尤其适用于高温、高真空以及高载流下的应用场合。

背景技术

电接触是电气、电子设备上常见的部件，目的是实现两个部件之间的电连接。按电接触部件之间的相对运动状态，电接触可以分为静态电接触和动态电接触两类。滑动电接触是动态电接触中的常见类型，两个电连接部件之间存在相对直线运动。民用上常见的滑动电接触主要有电机电刷、电力机车上的受电弓滑板等。上述滑动电接触主要运行在大气环境下，且载流相对较低，即使存在相对滑动在电接触界面上的摩擦磨损以及欧姆热常常不足以引起严重的材料及结构恶化。这类滑动电接触常采用铍铜作为基材制造电接触弹片，并在弹片表面镀金、银、铑等贵金属涂层来降低电接触界面上的接触电阻并防止铍铜基材腐蚀。

除了民用领域，滑动电接触在高科技领域也有广泛的应用，最典型的是粒子加速器束流传输线上的微波滑动电接触以及核聚变实验装置射频加热系统上的射频滑动电接触，这类滑动电接触相比传统民用滑动电接触具有极端恶劣的运行条件，主要包括：高真空运行环境、高电流负载引起的高热负荷沉积。高真空、高温导致接触界面上的摩擦、磨损现象显著，摩擦、磨损导致接触电阻升高继而引起欧姆损耗的增加，如此形成恶性循环，严重威胁滑动电接触的运行安全。电接触失效后会直接导致加速器、核聚变实验装置等大型装置的停机，造成巨大的经济损失。设计此类滑动电接触弹片，需要综合考虑其摩擦性能、传热性能以及电接触性能。专利CN 206283009 U以及CN 208226105 U提出了新型电接触弹片设计，这类设计都是将弹片的力学特性(弹性)与导电、导热特性同时集中到弹片上。然而，在加速器及核聚变实验装置上这两个性能难以通过一种结构材料来实现，需要设计更加精细化结构，并且应该充分考虑其可拆卸维护性。

发明内容

本发明立足于特殊复杂工况下的射频/微波滑动电接触应用需求，发明一种新型高性能射频/微波滑动电接触，解决射频/微波滑动电接触在高载流、高真空下应用下易打火熔毁的技术难题，为粒子加速器、核聚变实验装置等大型高科技装置提供集高载流、高热传导、低接触电阻、高磨损寿命、可维护等优秀性能于一体的紧凑型射频/微波滑动电接触。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，包括：包括源导体、目标导体、螺钉、导电弹片、支撑弹片组成；其中，

所述导电弹片为环向重复阵列结构，材质为无氧铜或CuCrZr，表面电镀银镀层，并通过真空钎焊与源导体连接。

所述支撑弹片在环向上由多个相同的结构单元组成；支撑弹片材质为Be-Cu，厚度根据实际接触力要求选择；每个结构单元采用螺钉与源导体连接；在每个结构单元的触脚上表面通过磁控溅射沉积一层氮化铝绝缘薄膜。

所述源导体上设计有凹槽，用于安装支撑弹片；源导体上设计有水冷管道，功能为热量排出；所述导电弹片可以与目标导体之间沿轴向直线往复运动。

进一步地，源导体材质一般为304或316L不锈钢，并在外表面电镀厚度超过电流趋肤深度的铜或铑镀层。

进一步地，所述目标导体一般采用304或316L不锈钢制造；目标导体上设计有水冷管道，且内表面电镀一层厚度超过电流趋肤深度的铜或铑镀层。

本发明的原理在于：通过设计先进的弹片结构，将电接触弹片的机械性能与导电、传热性能分开，以便各自选择性能最优材料，实现电接触部件整体性能的显著提升，采用主动水冷结构实现接触弹片的冷却。

所述弹片在空间上采用圆周阵列的高密度排布形式来提高电接触的载流能力，每个弹片尺寸选择应权衡其制造工艺难度及弹片触点接触面积两个因素。

所述弹片由导电弹片与支撑弹片组成。导电弹片的主要功能是实现高频电流从源导体向目标导体的低耗传导同时实现热量由导电弹片向源导体的高效传导。导电弹片采用电阻率低、导热性能高的无氧铜或CuCrZr制造，厚度为0.1毫米左右。支撑弹片，主要为实现接触界面上的良好接触提供法向接触力，采用具有高弹性、高疲劳强度且导热良好的Be-Cu制造，其厚度需依据法向接触力要求进行优化设计。

所述导电弹片通过钎焊与源导体相接，并在表面电镀一层银层，为提高磨损寿命，银层厚度应不低于30微米。焊接连接实现两者之间电流与热的传导。

所述支撑弹片在圆周环向上被分成多个相同结构单元，每一个结构单元都是通过螺钉与源导体连接，实现两者之间的热传导。螺钉连接方便装配，同时在支撑弹片发生损坏后可以方便的进行维护。在支撑弹片与导电弹片接触区域表面通过磁控溅射涂覆高导热的氮化铝陶瓷薄膜。陶瓷薄膜可以阻断导电弹片上的电流流向支撑弹片，防止支撑弹片温度升高导致其弹性性能丧失。

所述源导体、目标导体采用无磁不锈钢制造，为降低接触电阻以及高频损耗，在其工作表面电镀铜或铑镀层，镀层厚度应不低于高频电流的趋肤深度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在高真空下具有优秀的耐磨性能，使用寿命长；

(2)本发明具有优异的载流能力，载流密度高；

(3)本发明可维护性高，能方便的更换失效部件，节约成本。

附图说明

图1为本发明沿轴向对称平面的结构剖面示意图；

图2为本发明在电接触弹片局部区域的示意图；

图3为本发明拆除目标导体1后的结构示意图；

图4为本发明导电弹片7的结构示意图；

图5为本发明支撑弹片6的最小结构单元结构示意图。

图中所示附图标记含义为：1–目标导体，2–源导体，3–螺钉，4–目标导体水冷管道，5–源导体水冷管道，6–支撑弹片，7–导电弹片，8–源导体表面导电镀层，9–目标导体表面导电镀层，10–支撑弹片表面绝缘涂层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，其为可在真空环境下运行的具有高磨损寿命、高载流能力的射频/微波滑动电接触。参见图1-图5，射频/微波滑动电接触主要包括目标导体1、源导体2、螺钉3、目标导体水冷管道4，源导体水冷管道5，支撑弹片6以及导电弹片7组成。如图4所示，导电弹片7为一圈重复排列的触脚组成，材料为无氧铜或CuCrZr，厚度约0.1毫米，并将整体所有表面电镀一层厚度不低于30微米的银镀层。如图2所示，导电弹片7通过真空钎焊的形式与源导体2连接，射频/微波电流从源导体2的表面上的导电涂层8内流经导电弹片7表面，最终流向目标导体1上的表面导电涂层9内，实现射频/微波电流由源导体2向目标导体1的传递。当电流流经目标导体1、源导体2以及导电弹片7时，会因欧姆损耗产生热沉积，尤其在高载流运行下，热沉积十分严重，热量的不断累积会造成电接触的熔毁，还会引起源导体2与目标导体1之间的打火，严重威胁结构安全。故如图1所示，在目标导体1和源导体2中分别设计了水冷管道及时将热量排出。

如图2、图3及图5所示，支撑弹片6是本发明中比较关键的一个部件，采用高导热且具有良好弹性的Be-Cu制造，主要为导电弹片7提供与目标导体1接触时的接触力。弯曲角度θ一般为30°左右。Be-Cu在高温下容易发生材料性能变化，丧失弹性，因此其安装应该在导电弹片7与源导体2的钎焊焊接之后进行。为了方便支撑弹片6的安装，本发明采用将环向一圈排布的支撑弹片6分割成独立、重复结构单元如图5所示，每一片支撑弹片6采用四个螺钉3固定在源导体2上的凹槽内，安装完成后支撑弹片6的触脚应高出源导体2外表面一定高度，用于压缩变形产生接触力。支撑弹片6的厚度应根据接触力的要求进行合理的计算与选择。在螺钉3的紧密固定下，可以实现支撑弹片6上的热量及时传递到源导体2，防止高温下材料弹性丧失。这种将支撑弹片6沿环向等同分割的设计方式也方便了后续维护环节，可以迅速、低成本的更换已经损坏的支撑弹片6。为了防止电流从导电弹片7向支撑弹片6传递，引起微波/射频功率损失以及支撑弹片6温度升高，在支撑弹片6的触脚的上表面通过磁控溅射沉积一层氮化铝陶瓷薄膜，起到绝缘作用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，其特征在于：所述射频/微波滑动电接触包括源导体、目标导体、螺钉、导电弹片、支撑弹片；其中：

所述导电弹片为环向重复阵列结构，材质为无氧铜或CuCrZr，表面电镀银镀层，并通过真空钎焊与源导体连接；

所述支撑弹片在环向上由多个相同的结构单元组成；支撑弹片材质为Be-Cu，厚度根据实际接触力要求选择；每个结构单元采用螺钉与源导体连接；在每个结构单元的触脚上表面通过磁控溅射沉积一层氮化铝绝缘薄膜；

所述源导体上设计有凹槽，用于安装支撑弹片；源导体上设计有水冷管道，功能为热量排出；

所述目标导体上设计有水冷管道，且内表面电镀一层厚度超过电流趋肤深度的铜或铑镀层，所述导电弹片可以与目标导体之间沿轴向直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，其特征在于：源导体材质为304或316L不锈钢，并在外表面电镀厚度超过电流趋肤深度的铜或铑镀层。

3.根据权利要求1所述的基于弹片阵列的射频/微波滑动电接触结构，其特征在于：所述的目标导体采用304或316L不锈钢制造。

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