CN115084804A - 一种gw级圆tm01模真空旋转关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GW级圆TM01模真空旋转关节，属于高功率微波传输系统领域。包括同轴的内波导定环、外套轴动环，两者之间为环形柱状腔；腔内设置有两个轴承和磁流体密封单元；外套轴动环的左端连接第一法兰盘，右端安装有第二定位套；内波导定环的右端连接第二法兰盘，左端安装有第一定位套；外套轴动环的轴肩处设置有环形柱状的第一凸起；第一法兰盘、第一定位套、第一凸起组合形成径向波导形式的扼流槽。本发明通过改进扼流槽结构，避免了在传输高功率微波时电场击穿现象，提高了旋转关节整体的功率容量；通过使用磁流体密封单元进行液封，有效减小了内外转动结构之间的摩擦和密封材料的损耗，有效提高了旋转关节的转动效率并延长了使用寿命。

Description

一种GW级圆TM01模真空旋转关节
技术领域
本发明属于高功率微波传输系统领域，具体涉及一种GW级圆TM01模真空旋转关节。
背景技术
旋转关节是高功率微波传输系统中常用的功能器件，一般应用在高功率雷达和冲击雷达等电子设备中，它的作用是在雷达天线转动过程中实现微波信号的正常传输。旋转关节一般由两端的波导段和中间的旋转结构组合而成。目前工程应用中常见的旋转关节可分为同轴式旋转关节或圆波导式旋转关节，其工作模式分别为同轴TEM模和圆TM01模。在相同口径尺寸下，由于圆波导式旋转关节的功率容量大于同轴式且结构简单，所以圆波导式旋转关节具有更广的应用范围。但随着高功率微波峰值功率的不断提高，在实际应用中圆波导式旋转关节也无法很好地满足当前高功率微波的传输需求。
出现上述问题的主要原因在于，目前常用的旋转关节采用的扼流法兰结构是将扼流槽等效为两段长度为λ/4的传输线，而随着高功率微波峰值功率的进一步提高，在两段λ/4传输线连接点处的峰值电场过高，容易造成电场击穿，从而影响扼流法兰的传输效果。另外，以往常常采用橡胶垫圈来解决旋转结构中的密封问题，这种方式会增加旋转过程中的摩擦力矩，而且由于垫圈在旋转过程中的磨损导致这种密封旋转关节的寿命不长。
西安电子科技大学设计出了一种弯曲角度为90°的过模圆波导弯头，并在此基础上实现了在X波段功率容量大于1GW的组合式旋转关节，但这种组合式旋转关节仅对波导弯头进行了重新设计，对旋转结构本身并没有太多改动，因此在传输更高功率时仍会在扼流法兰处出现电场击穿问题。
从目前的研究现状可以看出，提高旋转关节功率容量的主要手段是在波导段使用过模波导，增大口径尺寸并通过耦合波理论控制其中模式，但对于提高旋转结构处功率容量的技术较少被提出，同时缺乏更好的密封手段来延长旋转关节的使用寿命。
发明内容
针对目前高功率微波传输系统中旋转关节所面临的技术问题：(1)扼流法兰的尖端在GW级高功率微波输入时产生的电场击穿现象；(2)实现真空波导的动密封结构时，常用的密封材料易磨损，从而导致整个旋转关节寿命较短。本发明提供了一种GW级圆TM01模真空旋转关节。
本发明所采用的技术方案是：
一种GW级圆TM01模真空旋转关节，包括内波导定环、外套轴动环、第一定位套、第二定位套、第一轴承、第二轴承、密封单元、第一法兰盘、第二法兰盘；
所述内波导定环同轴套设于所述外套轴动环内部，两者之间为环形柱状腔；
所述环形柱状腔内从左至右依次设置有第一轴承、密封单元、第二轴承；所述第一轴承、第二轴承用于使内波导定环和外套轴动环能够相对旋转；
所述第一法兰盘与所述外套轴动环的左端通过螺钉连接固定；所述第二法兰盘与所述内波导定环的右端通过螺钉连接固定；
其特征在于，所述内波导定环的左端安装有第一定位套；所述第一轴承的左侧紧靠第一定位套及外套轴动环的轴肩，右侧设置有第一挡圈，使第一轴承位置固定；
所述外套轴动环的右端安装有第二定位套；所述第二轴承的右侧紧靠第二定位套及内波导定环的轴肩，左侧设置有第二挡圈，使第二轴承位置固定；
所述外套轴动环的轴肩处设置有环形柱状的第一凸起，所述第一凸起的左侧面与所述第一定位套的左侧面位于同一平面，且第一凸起与所述第一定位套之间不接触、存在开路缝隙；
所述第一法兰盘、第一定位套、第一凸起组合形成径向波导形式的扼流槽；
所述扼流槽的径向深度为λg/2，所述第一凸起的径向高度为λg/4，λg为扼流槽内传输的模式的工作波长。
进一步地，所述扼流槽靠近轴线的一端，第一法兰盘和第一定位套倒圆角处理。
进一步地，所述第一定位套在靠近第一轴承的一侧的外壁设置有环形柱状的第二凸起，防止第一定位套与第一轴承和外套轴动环之间的空隙形成高Q值谐振腔。
进一步地，所述密封单元为磁流体密封单元，磁流体密封单元中的磁铁为环形柱状并与内波导定环固定连接，与外套轴动环之间存在一定间隙，注入磁流体后，磁流体在磁场力的作用下聚集在磁铁与外套轴动环的间隙处，实现液封。
进一步地，所述第一凸起与所述第一定位套之间的缝隙宽为0.2mm。
进一步地，所述第一定位套与内波导定环通过螺纹配套连接。
进一步地，所述外套轴动环与第一法兰盘的连接处使用O型圈密封；所述内波导定环与第二法兰盘的连接处使用O型圈密封。
进一步地，所述第二定位套与外套轴动环通过螺钉连接固定。
本发明中，第一定位套与内波导定环紧密相连，且与外套轴动环不直接接触，间隔为0.2mm，此时第一定位套、外套轴动环与扼流法兰盘组合形成扼流槽，并可以将此扼流槽视为一段径向波导。根据径向波导内传输的模式的工作波长，确定扼流法兰盘开槽的径向的深度为λg/2，使得外套轴动环与法兰的接触点为短路点，其间流通的是传导电流；外套轴动环与第一定位套的缝隙处为开路点，即缝隙不影响电磁波的传输；同时在径向波导与内波导定环的连接处由位移电流形成短路面，构成完整回路。电磁波经过上述传输过程，即可将径向波导段视为短路段，其存在不影响圆波导中TM01模式的传输。
本发明与现有技术相比的优点为：
(1)本发明的真空旋转关节通过改进扼流槽结构，避免了在传输高功率微波时电场击穿现象，提高了旋转关节整体的功率容量；在扼流槽开路点处加入缝隙，在不影响电磁传输特性的前提下实现内导体定环和外套轴动环的分离；
(2)本发明的真空旋转关节通过使用磁流体密封单元进行液封，能够有效减小内外转动结构之间的摩擦和密封材料的损耗，有效提高了旋转关节的转动效率并延长了使用寿命。
附图说明
图1为圆波导真空旋转关节剖面结构示意图。
图2为扼流法兰结构的尺寸与波长对照示意图。
图中：1是内波导定环、2是外套轴动环、3是第一定位套、4是第二定位套、5是第一轴承、6是第一挡圈、7是磁流体密封单元、8是第二挡圈、9是第二轴承、10是O型圈、11是螺钉、12是第一法兰盘、13是第二法兰盘。
具体实施方式
为了更好地说明本发明提出的波导旋转关节，下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步说明。
本发明的真空旋转关节如图1所示，其安装过程如下：
(1)装配开始时，内波导定环1和第一定位套3处于分离状态，这样即可将第二轴承9从内波导定环1左侧套入，并把轴承右侧紧靠在其轴肩处，然后套入第二挡圈8固定在轴承左侧。其中内波导定环内半径为24.75mm，轴承内半径为30mm。
(2)将磁流体密封单元7中的磁铁同样从左侧套入内导体定环1，与内导体定环1连接固定，并与外套轴动环2之间留下一定间隔。
(3)依次将第一挡圈6和第一轴承5从左侧套入内导体定环1，其中第一挡圈6固定在第一轴承5的右侧，然后将第一定位套3与内波导定环1在左端通过螺纹连接固定，使第一轴承5位置固定。至此，确定了内导体定环1与轴承和磁流体单元的相对位置。
(4)再将内波导定环1套入外套轴动环2内，使第一轴承5的左侧紧靠在外套轴动环2的轴肩处，同时在第一定位套3与外套轴动环2之间留下一定间隔，并保证二者在径向面的平整度。外套轴动环2与第一定位套3之间的间隔为0.2mm。
(5)确定外套轴动环2左端的位置后，同样在右侧加上第二定位套4，并将第二轴承9的右端紧靠在第二定位套4处，保证其与内波导定环1的轴肩处在同一径向面上，并用螺钉固定。
(6)分别在内波导定环1和外套轴动环2的右侧和左侧法兰盘连接处加入O型圈10，从而提供更好的密封性。
(7)最后利用螺钉11将上述的旋转关节与前后级的连接法兰13、14锁紧，实现密封波导旋转关节的定位安装。其中扼流法兰的结构如图2所示，其中扼流槽径向深度和轴向长度分别为14.25mm和12mm，倒圆角部分半径为5mm。

Claims (8)

1.一种GW级圆TM01模真空旋转关节，包括内波导定环、外套轴动环、第一定位套、第二定位套、第一轴承、第二轴承、密封单元、第一法兰盘、第二法兰盘；
所述内波导定环同轴套设于所述外套轴动环内部，两者之间为环形柱状腔；
所述环形柱状腔内从左至右依次设置有第一轴承、密封单元、第二轴承；所述第一轴承、第二轴承用于使内波导定环和外套轴动环能够相对旋转；
所述第一法兰盘与所述外套轴动环的左端通过螺钉连接固定；所述第二法兰盘与所述内波导定环的右端通过螺钉连接固定；
其特征在于，所述内波导定环的左端安装有第一定位套；所述第一轴承的左侧紧靠第一定位套及外套轴动环的轴肩，右侧设置有第一挡圈，使第一轴承位置固定；
所述外套轴动环的右端安装有第二定位套；所述第二轴承的右侧紧靠第二定位套及内波导定环的轴肩，左侧设置有第二挡圈，使第二轴承位置固定；
所述外套轴动环的轴肩处设置有环形柱状的第一凸起，所述第一凸起的左侧面与所述第一定位套的左侧面位于同一平面，且第一凸起与所述第一定位套之间不接触、存在开路缝隙；
所述第一法兰盘、第一定位套、第一凸起组合形成径向波导形式的扼流槽；
所述扼流槽的径向深度为λg/2，所述第一凸起的径向高度为λg/4，λg为扼流槽内传输的模式的工作波长。
2.如权利要求1所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述扼流槽靠近轴线的一端，第一法兰盘和第一定位套倒圆角处理。
3.如权利要求1或2所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述第一定位套在靠近第一轴承的一侧的外壁设置有环形柱状的第二凸起，防止第一定位套与第一轴承和外套轴动环之间的空隙形成高Q值谐振腔。
4.如权利要求3所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述密封单元为磁流体密封单元，磁流体密封单元中的磁铁为环形柱状并与内波导定环固定连接，与外套轴动环之间存在一定间隙，注入磁流体后，磁流体在磁场力的作用下聚集在磁铁与外套轴动环的间隙处，实现液封。
5.如权利要求1或2所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述第一凸起与所述第一定位套之间的缝隙宽为0.2mm。
6.如权利要求1或2所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述第一定位套与内波导定环通过螺纹配套连接。
7.如权利要求1或2所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述外套轴动环与第一法兰盘的连接处使用O型圈密封；所述内波导定环与第二法兰盘的连接处使用O型圈密封。
8.如权利要求1或2所述的一种GW级圆TM01模真空旋转关节，其特征在于，所述第二定位套与外套轴动环通过螺钉连接固定。
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