CN113972541A - 液体金属活动导电装置 - Google Patents
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Abstract
液体金属活动导电装置，以液体金属作为动态导电组件，活动导电界面为液‑固界面，装置中带有容器来容纳液体金属，或者有磁力装置来约束液体金属，或者液体金属由外部组件的几何外形来约束。液体金属带有低熔点金属，类型包括但不限于镓、铟、锡、水银或它们的合金。由于液体有很好的流动性和铺展性，不需要施加额外的压力双方就能保持良好的动态接触，活动阻力主要来自液体金属的内摩擦力，因而可以降低固体组件的磨损和运动阻力，发热、粉尘、震动、噪音等问题也很大程度上得到解决。
Description
技术领域
本发明涉及一种活动导电装置。
背景技术
在相对运动组件之间输电可以实现分电、集电、换向等功能，是机械工业中一种常用的输电方式。长久以来，实现活动输电主要靠电刷和滑环的相对滑动来实现，这种方法的不足之处主要在于——电刷和滑环之间为带有压力的滑动摩擦，组件损耗大，在高速转动场合需要频繁更换；摩擦发热量大，在不能及时散热的情况下容易升温过高而影响系统正常工作，甚至会起火导致更严重后果；在高速场合，同轴度、圆度、圆跳动等方面的精度要求较高，而反复受力不均的摩擦之下又很容易失去原本的精度；在震动环境中，以及自身的表面状况不佳产生的震动当中，容易产生碰撞打火，使滑动表面被灼伤而变得粗糙，进而快速恶化摩擦面状况；摩擦产生的粉尘不但会降低导电性能，还会侵蚀精密部件和污染环境，增加防护设施会加大生产成本；克服摩擦阻力会降低系统能效；摩擦会产生噪音。电刷和滑环在系统中一般不是核心组件，但对系统性能的发挥起到关键的辅助作用，应用比较广泛，因此攻克这些问题同样也很重要，业界一直在为之努力，但是，在机械工业不断进步了数百年之后的今天，想再获得一点点提高是相当不容易的。曾有方案提出要在集电环中用滚动结构来代替滑动结构，但滚动接触方式为点接触或线接触，接触总面积太小使电阻变大就容易发热，更重要的是滚子与滚道之间需要有间隙，滚子在电路的上、下游方向都频繁地接触和分离容易产生火花灼伤工作面。
发明内容
本发明的目的是提供一种活动导电装置，采用液体金属作为动态导电组件，以“液-固”活动界面代替传统的“固-固”活动界面，由此而带来一些显著的优势——由于液体有很好的流动性和铺展性，不需要施加额外的压力就能使双方保持良好的动态接触，活动阻力主要来自液体金属的内摩擦力，因而可以降低固体组件的磨损和运动阻力，发热、粉尘、震动、噪音等问题也很大程度上得到解决。
本发明以液体金属作为动态导电组件，活动导电界面为液-固界面，装置中带有容器来容纳液体金属，或者有磁力装置来约束液体金属，或者液体金属由外部组件的外形来约束。
本发明的液体金属带有低熔点金属，类型包括但不限于镓、铟、锡、水银或它们的合金。
本发明的容器为环状结构，由定子和动子组成，上边分别有电极与环形液体金属连接，动环同轴固定在外部的转动设备上。
本发明的容器为滚轮结构，包括定子和动子，定子是中轴而动子是滚轮，有液体金属在它们之间活动导电，轮子可以与整体装置自带的或外部的导电体滚动导电。
本发明的容器为杯状结构，上边有电极与液体金属连接，同时，液体金属还在杯口与整体装置自带的或外部的导电体活动导电。
本发明的定子和动子采用弹性材料制作，或者它们之间有弹性材料来连接。
本发明以动密封结构来防止液体金属泄露或被氧化，带有可拆卸的电极与液体金属连接，连接通道可以用来注入、排出液体金属。
本发明以动密封结构来防止液体金属泄露或被氧化，带有液体金属循环系统，可以用来注入、排出或冷却液体金属。
本发明带有气体保护装置或液体保护装置，可以防止液体金属被氧化。
本发明采用复合结构，一个装置上有两条以上活动导电线路。
附图说明
图1是环状结构的轴向视图；
图2是环状结构的径向视图；
图3是滚轮结构的轴向视图；
图4是滚轮结构的径向视图；
图5是杯状结构的侧视图；
图6是轴向复合结构；
图7是径向复合结构。
具体实施方式
本发明以液体金属作为动态导电组件，活动导电界面为液-固界面，装置中带有容器来容纳液体金属，或者有磁力装置来约束液体金属，或者液体金属由外部组件的几何外形来约束。图1和图2是环形结构的活动导电装置，定子1和动子3为环形结构，动子3固定在旋转的用电设备上，定子1和动子3同轴转动连接形成环形腔，里边有能导电的液体金属2，定子1和动子3上分别有电极4和电极5与液体金属2连接并在径向或轴向露出，当电极4与电源连接而电极5与用电设备上的电极连接，就可以在液体金属2和电极5之间动态输电。液体金属2的成分中含有能导电的低熔点金属，类型包括但不限于镓、铟、锡、钠、水银或它们的合金，目前，镓铟锡合金性质较为稳定且无毒性，在常温下是较为理想的选择，为了提高适用性，可以在表面张力、粘度、电阻率、磁导率、熔点、腐蚀性等方面进行改造，在低温下工作且密封质量有保障的情况下可以选择水银。定子1和动子3之间的方位关系也可以是定子1在里层而动子3在外层，或者两者在轴向排列。为了方便电极5在有规律的运动中与液体金属2保持接触，本实施例采用定子1和动子3合拢成容器来约束液体金属2使其保持一定的形状，也可以采用具有磁性的液体金属来工作，其与环形铁磁性材料、环形永磁磁场或环形电磁磁场相互作用来实现定型，还可以采用外部组件，例如环形电极的外形来约束液体金属。为了便于密封、适应热胀冷缩、抗震或强行装配，定子1或动子3采用绝缘弹性材料制作，或者采用非弹性绝缘材料制作而相互之间有弹性材料连接，在有散热要求的实施例中，定子1和动子3可以采用金属导电材料制作，相互连接处有绝缘材料，有一方或双方都直接作为电极，省去电极4或电极5，在液体金属2具有化学稳定性的实施例中可以不采用密封结构。
液体金属2的成分中含有能导电的低熔点金属，类型包括但不限于镓、铟、锡、钠、水银或它们的合金，目前，镓铟锡合金性质较为稳定且无毒性，是常温应用场合较为理想的选择，为了提高适用性，可以在表面张力、粘度、电阻率、磁导率、熔点、腐蚀性等方面进行改造，在低温下工作且密封质量有保障的情况下可以选择水银。
如图1和图2所示，定子1和动子3为环形结构，动子3固定在旋转的用电设备上，定子1和动子3同轴转动连接形成环形腔，里边有能导电的液体金属2，定子1和动子3上分别有电极4和电极5与液体金属2连接并在径向或轴向露出，当电极4与电源连接而电极5与用电设备上的电极连接，就可以在液体金属2和电极5之间动态输电。与动子3固定连接的转动用电设备的类型包括但不限于集电环、分电环、换向器、电机轴、电机转子等。
图3和图4是带有滚轮结构的活动导电装置，中轴13、滚轮11、密封板16同轴构成环形腔，里边有液体金属12，它们组成滚轮单元，有两个以上的滚轮单元的中轴13与支架14固定连接，滚轮可以与外部的集电环15滚动连接，电流可以在由支架14、中轴13、液体金属12、滚轮11和集电环15依次连接成的线路上活动传输。集电环15也可以是其它类型的导电体，包括但不限于分电器、换向器，是本活动导电装置的组件或外部设备的组件。
图5是带有杯状结构的活动导电装置，罩杯20里面有液体金属21，其在罩杯20底部与电极22连接，同时，在杯口与集电板23活动连接，集电板23与罩杯20相对运动时，电流可以在由电极22、液体金属21、集电板23依次连接成的线路上活动传输。集电板23也可以是其它类型的导电体，包括但不限于分电器、换向器，是本活动导电装置的组件或外部设备的组件。
图2，定子1和动子3采用高分子弹性材料制作，可以起到密封、适应热胀冷缩或抗震的作用，同时还方便相互之间强行装配并锁定。图4，作为定子的中轴13和作为动子的滚轮11采用金属材料制作，相互之间有弹性密封板16，同样也起到密封、适应热胀冷缩或抗震的作用，也方便强行装配并锁定，更重要的是可以凭借弹力在转动中自动进行对心调整。
图1和图2，为了防止液体金属泄露或被氧化，定子1和动子3采用弹性材料制作，相互间在接口处可以自行密封，也可以采用非弹性材料制作，以高精度的转动配合来实施密封或者带有专门的密封组件。电极4为可拆卸的螺纹连接结构，螺孔可以作为液体金属2的注入、排出通道。
图6，为了防止液体金属27泄露或被氧化，定子26和动子30采用弹性材料制作，相互间在接口处可以自行密封，也可以采用非弹性材料制作，以高精度的转动配合来实施密封或者带有专门的密封组件。定子26或电极28上有两个通往环形腔的通孔，用带有液压泵的管道连接起来，形成液体金属27的循环系统，可以用来注入、排出或冷却液体金属27。
在图5的实施例中，围绕罩杯20的杯口有一整圈中空的密封圈24，其横截面一端与罩杯20固定密封连接而另一端与集电板23活动密封连接，在里边注入保护气体，类型包括但不限于氮气、二氧化碳或惰性气体等，可以防止液体金属被氧化。密封圈24内也可以注入保护液体，例如防护油，或者直接用磁流体覆盖罩杯20与集电板23的缝隙。前述保护装置同样也可以应用在其它结构的活动导电装置中。
图6为轴向环状复合结构，定子26与动子30上分别有电极28和电极29，它们组成的多个同心环形腔内部有相互绝缘的液体金属27，电极28、液体金属27和电极29连接成活动导电线路，有多条线路在轴向排列，图7为径向环状复合结构，定子31与动子32上分别有电极30和电极34，它们组成的多个同心环形腔内部有相互绝缘的液体金属33，电极30、液体金属33和电极34连接成活动导电线路，有多条线路在径向排列。
Claims (10)
1.液体金属活动导电装置，包括在活动连接中导电的动态导电组件，作为活动电极与固定电极接通，或作为固定电极与活动电极接通，其特征在于：以液体金属作为动态导电组件，活动导电界面为液-固界面，装置中带有容器来容纳液体金属，或者有磁力装置来约束液体金属，或者液体金属由外部组件的外形来约束。
2.根据权利要求1所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：液体金属带有低熔点金属，类型包括但不限于镓、铟、锡、水银或它们的合金。
3.根据权利要求1所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：容器为环状结构，由定子和动子组成，上边分别有电极与环形液体金属连接，动环同轴固定在外部的转动设备上。
4.根据权利要求1 所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：容器为滚轮结构，包括定子和动子，定子是中轴而动子是滚轮，有液体金属在它们之间活动导电，轮子可以与整体装置自带的或外部的导电体滚动导电。
5.根据权利要求1所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：容器为杯状结构，上边有电极与液体金属连接，同时，液体金属还在杯口与整体装置自带的或外部的导电体活动导电。
6.根据权利要求3或4所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：定子和动子采用弹性材料制作，或者它们之间有弹性材料来连接。
7.根据权利要求1、2、3、4或5 所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：以动密封结构来防止液体金属泄露或被氧化，带有可拆卸的电极与液体金属连接，连接通道可以用来注入、排出液体金属。
8.根据权利要求1、2、3、4或5 所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：以动密封结构来防止液体金属泄露或被氧化，带有液体金属循环系统，可以用来注入、排出或冷却液体金属。
9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：带有气体保护装置或液体保护装置，可以防止液体金属被氧化。
10.根据权利要求1、2、3、4或5所述的液体金属活动导电装置，其特征在于：采用复合结构，一个装置上有两条以上活动导电线路。
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