PL233136B1 - Elektryczne złącze ślizgowe - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest elektryczne złącze ślizgowe, przeznaczone do przenoszenia sygnałów elektrycznych, zwłaszcza sygnałów sterowania urządzeniem zasilanym z oddzielnego układu zasilania.

Najbardziej rozpowszechnione w technice są znane złącza ślizgowe komutatorowe, które występują w każdym urządzeniu roboczym z napędem elektrycznym. Elementem przenoszącym zasilanie są w tych rozwiązaniach szczotki. Tym pojęciem określa się elementy ślizgające się po powierzchni obracającego się komutatora. Szczotka może być wykonana ze stopu metalowego z dużą zawartością miedzi, lub z odpowiednio spreparowanego tworzywa grafitowego odpornego na ścieranie. Szczotki tego rodzaju wymagają stałego docisku, realizowanego zwykle za pośrednictwem sprężyn.

Elektryczne złącza ślizgowe stosowane są w urządzeniach, w których wymagane jest przenoszenie sygnałów elektrycznych na poruszające się względem siebie elementy tych urządzeń. Elementy, które poruszają się względem siebie muszą przekazywać na przykład z elementu stacjonarnego na element poruszający się względem niego element ruchomy, sygnały sterujące częściami wykonawczymi zamocowanymi na tym elemencie ruchomym. Typowym przykładem tego rodzaju urządzeń jest dźwig, zazwyczaj posadowiony obrotowo na łożysku nośnym. Dźwig budowlany wyposażony jest zazwyczaj w kilka napędów, zwykle elektrycznych, takich jak napęd podwozia, napęd obrotu wysięgnika, napęd wychyłu wysięgnika oraz napęd podnoszenia haka, na którym wiesza się ładunek.

Natomiast zespoły sterowania muszą być zasilane z odrębnego układu sterowania, pracującego ze względów bezpieczeństwa, na znacznie niższych parametrach niż parametry zasilania wymienionych napędów. Przedmiotem wynalazku jest złącze elektryczne ślizgowe przeznaczone do zastosowania w układzie sterowania. Złącze według wynalazku może być wykorzystane w urządzeniach, których bieżnie ślizgowe są koliste, gdzie element ruchomy porusza się obrotowo po okręgu, lub w złączach o bieżniach łukowatych lub prostych gdzie element ruchomy złącza porusza się względem elementu nieruchomego ruchem posuwisto-zwrotnym. Sygnały przenoszone przez elementy ślizgowe przekazywane są do elementu ruchomego w sposób ciągły, dowolną liczbę obrotów lub dowolną liczbę ruchów w każdą stronę.

Znanych jest szereg rozwiązań elektrycznych złączy ślizgowych w układach sterowania różnych urządzeń. Z opisu patentowego zgłoszenia wynalazku nr P.402307 znane jest złącze obrotowe czołowo koncentryczne. Złącze przeznaczone jest do zapewnienie ciągłości obwodu elektrycznego pomiędzy dwoma obracającymi się względem siebie elementami. Złącze ma obudowę statyczną, wewnątrz której jest umieszczony wewnętrzny pierścień ślizgowy i współosiowy z nim zewnętrzny pierścień ślizgowy z którym jest połączony jeden z pary kabli wejściowych. Obudowa złącza ma centralny wejściowy otwór w którym jest osadzone łożysko ślizgowe wałka napędowego zaopatrzonego w kołnierz. Na wałku osadzony jest rdzeń, na którym są zamocowane, korzystnie za pomocą klejenia, zewnętrzny pierścień kontaktowy oraz wewnętrzny pierścień kontaktowy. Do tych pierścieni przyłączone są kable wyjściowe.

W innym rozwiązaniu, znanym z opisu zgłoszeniowego wynalazku nr P.402308, przedstawiono złącze liniowe elektryczne, zwłaszcza do par wysuwnych, zbudowanych z profili o okrągłym przekroju poprzecznym. Złącze składa się z zewnętrznego okrągłego profilu z wewnętrzną tuleją ślizgową. Wewnątrz tego profilu usytuowany jest profil wewnętrzny o mniejszej średnicy, na obwodzie którego są usytuowane w odstępach od siebie, tuleje ślizgowe. W górnej części tulei ślizgowych znajdują się wycięcia dla płytki PCB zamocowanej do wewnętrznej ścianki zewnętrznego profilu. Tuleje ślizgowe w dolnej części mają rowki przesuwające się po prowadnicy zewnętrznego profilu, na końcu którego zamocowana jest tuleja mocująca drugą płytkę PCB, zaopatrzona w promieniowe otwory dla elementów kontaktowych. Jedna z płytek PCB jest zaopatrzona w przewodzącą bieżnię, a druga w sprężyste piny.

W dalszym rozwiązaniu, znanym ze zgłoszenia międzynarodowego nr WO 2015/187107, przedstawiono kolejne znane rozwiązanie obrotowego mechanizmu złącza ślizgowego, do którego są przyłączone kable transmisyjne pobierające energię wytwarzaną w turbinie wiatrowej. Urządzenie zawiera mechanizm obrotowy, oraz połączony z kablami układ przesyłu energii elektrycznej, który jest połączony z mechanizmem obrotowym. Układ transmituje energię elektryczną z mechanizmu obrotowego zawierającego korpus montażowy oraz mechanizm obrotowy, który jest zamocowany do turbiny.

W kolejnym rozwiązaniu według publikacji zgłoszenia międzynarodowego nr WO 2013/143842 przedstawiono znany blok szczotki do układu pierścieni ślizgowych. Blok szczotki składa się z zacisku sprężynowego, który jest mechanicznie utrzymywany przez dwa otwory płyty obwodowej i która przechodzi w dwie sprężyny kontaktowe. Zacisk sprężynowy posiada również styk lutowniczy do styków

PL 233 136 B1 elektrycznych ze śladem przewodnika. Wspomniane złącze lutownicze jest oddzielone mechanicznie od sprężyn stykowych dwoma kątowymi zgięciami zacisku sprężynowego. Każda ze sprężyn stykowych jest tak ukształtowana, że jej ramiona dociskane są sprężynowo do obwodowej listwy kontaktowej.

W rozwiązaniu przedstawionym w zgłoszeniu międzynarodowym WO 2013/030563 przedstawiono znany elektryczny styk ślizgowy z pierwszym elementem przewodzącym współpracującym z drugim elementem przewodzącym. Pierwsze i drugie elementy są obrotowe względem siebie. Pierwsze i drugie elementy przewodzące są połączone elektrycznie ze sobą podczas obrotu względem siebie.

W kolejnym rozwiązaniu znanym z opisu zgłoszenia międzynarodowego WO 2012/136670 przedstawiono zespół pierścieni ślizgowych do elektrycznego łączenia dwóch części obracających się względem siebie. Zespół ma co najmniej jedną prowadnicę zawierającą rowki w kształcie litery V. Przynajmniej dwie szczotki druciane znajdują się we wspomnianych rowkach typu V. Szczotki druciane są elektrycznie połączone i zamontowane na co najmniej dwóch różnych szczotkach, które są mechanicznie oddzielone od siebie. Pozwala to zwiększyć odporność szczotek na drgania i uderzenia mechaniczne.

W kolejnym zgłoszeniu międzynarodowym nr WO 2010/130838 przedstawiono elektryczne złącze ślizgowe łączące dwa elementy, które mogą być przemieszczane względem siebie, zawierające co najmniej jeden elastyczny przewód elektryczny i/lub optyczny, który styka się z każdym z tych dwóch elementów. Zgodnie z wynalazkiem elastyczne przewody są zaprojektowane jako zamknięte, podłużnie wydłużone elementy i są w kontakcie powierzchniowym lub liniowym z każdym z dwóch zasadniczych elementów, pomiędzy którymi następuje łączenie za pomocą jednego obszaru styku. Elementy wewnętrzne i zewnętrzne przemieszczają się w tym rozwiązaniu na zasadzie planetarnej. Elastyczne złącze może być ustawione na łączonych elementach z odpowiednim obszarem styku elastycznego przewodu, przy czym efekt zaciskający może być przemieszczany lokalnie, gdy oba główne elementy współosiowe obracają się względem siebie, przemieszczając równocześnie satelity.

W innym rozwiązaniu znanym z opisu europejskiego EP 0662736, elektryczny kolektor dla maszyny obrotowej zawiera pierścień przewodzącego materiału. Szczotka wielofunkcyjna zawiera wiązkę od dwóch do pięciu, a korzystnie trzy włókna w jednej wiązce. Są one utrzymywane w j ednej z końcówek, podczas gdy wolne końce biegną w rowku w pierścieniu przewodzącym. Końcówka stalowa jest osadzona w podporze, która umożliwia pewien zakres możliwości zginania całej wiązki włókien. Stopień, w jakim zgina się zespół, determinuje nacisk wywierany przez szczotki na pierścień.

Według opisu zgłoszenia nr US 2011/081789 zespół ślizgowo-stykowy zawiera prowadnicę ślizgową mającą rowek w kształcie litery V, a także szczotkę mającą co najmniej dwa ramiona, które jednocześnie ślizgają się w rowku w kształcie litery V. Ponadto podwójne ramiona mają różne średnice drutu i stykają się z prowadnicą w różnych kątach. Dzięki temu zwiększa się tolerancja na drgania mechaniczne i wstrząsy, a także zmniejsza się odporność na utratę styczności.

W dalszym rozwiązaniu znanym z opisu patentowego US 4398113, przewidziano, że pierścień ślizgowy i zespół szczotki zawierają pozłacaną powierzchnię. Zespół szczotki stanowi wiązkę przewodzących włókien. Podczas używania złoto przenosi się z pierścienia na włókna, a uzyskany złoty kontakt styków pierścienia i szczotki jest wyjątkowo wolny od hałasu i odporny na zużycie.

Zazwyczaj, w elektrycznym złączu ślizgowym tego rodzaju znajduje się szereg torów przekazywania impulsów sygnałowych do poszczególnych urządzeń wykonawczych, znajdujących się na ruchomej części urządzenia. Wówczas konieczne jest zastosowanie elektrycznego złącza ślizgowego wielotorowego, gdzie poszczególne tory sygnałowe mają swoje oddzielne bieżnie współpracujące z oddzielnymi szczotkami według wynalazku.

W znanych rozwiązaniach element sprężysty współpracujący z bieżnią stykową stanowi pojedynczy element metalowy w postaci pojedynczego sprężystego płaskownika lub sprężystego drutu lub linki. Siła docisku wywierana przez ten element na bieżnię stykową gener owana jest poprzez wygięcie tego elementu na jego długości. Po pewnym okresie eksploatacji, w różnych warunkach temperaturowych i wilgotnościowych, siła sprężysta tego pojedynczego elementu sprężystego ulega zmniejszeniu, co może przyczynić się do przerw w transmisji sygnałów sterujących napędami urządzenia.

PL 233 136 B1

Zadaniem wynalazku jest opracowanie nowej konstrukcji elektrycznego złącza ślizgowego do przekazywania wielotorowego sygnału sterującego z korpusu na element odbiorczy. Zadaniem wynalazku jest opracowanie konstrukcji złącza o zwiększonej tolerancji na zmiany odległości pomiędzy korpusem a bieżnią elementu odbiorczego, o wysokiej wytrzymałości na ścieranie oraz o wysokiej pewności działania wyrażającej się w stałym kontakcie szczotek zamocowanych do korpusu, z bieżniami elementu ruchomego.

Według wynalazku, elektryczne złącze ślizgowe zawiera korpus z zamocowaną do niego co najmniej jedną szczotką kontaktową gdzie jeden z końców tej szczotki stanowi ramię mocujące. Co najmniej jedna bieżnia elementu odbiorczego, odbierająca sygnały współpracuje ze szczotką kontaktową poprzez styk szczotki z bieżnią elementu odbiorczego.

Według wynalazku, elektryczne złącze ślizgowe charakteryzuje się tym, że ramię mocujące szczotki kontaktowej wygięte jest w kształt litery U, gdzie wolne ramię tej litery U jest zamocowane do korpusu, do którego doprowadzony jest sygnał podlegający przekazaniu przez złącze ślizgowe. Drugie ramię tej litery U przechodzi w wygiętą część roboczą tej szczotki, współpracującą stycznie z bieżnią elementu ruchomego tego złącza.

W elektrycznym złączu ślizgowym według wynalazku szczotkę korzystnie stanowi zespół sprężystych drutów.

W elektrycznym złączu ślizgowym sprężyste druty w szczotce korzystnie ustawione są jeden obok drugiego, równolegle do siebie, tworząc w widoku rodzaj płaskownika.

W dalszej korzystnej wersji rozwiązania według wynalazku, pomiędzy korpusem złącza, a elementem odbiorczym z bieżnią znajduje się element pośredni, zawierający co najmniej jeden kanał prowadzenia szczotki.

W korpusie złącza korzystnie może znajdować się co najmniej jeden otwór prowadzący wolny koniec szczotki.

Zazwyczaj, w elektrycznym złączu ślizgowym tego rodzaju znajduje się szereg torów przekazywania impulsów sygnałowych do poszczególnych urządzeń wykonawczych, znajdujących się na ruchomej części urządzenia. Wówczas konieczne jest zastosowanie elektrycznego złącza ślizgowego wielotorowego, gdzie poszczególne tory sygnałowe mają swoje oddzielne bieżnie współpracujące z oddzielnymi szczotkami według wynalazku.

Dzięki zaproponowanemu rozwiązaniu w zakresie kształtu ramienia mocującego uzyskano w konstrukcji szczotki według wynalazku znaczny zakres tolerancji odległości bieżni elementu ruchomego od korpusu. Odległość ta zmienia się w trakcie poruszania się elementu ruchomego względem korpusu. Odległość tę oznaczono jako A. Zachowanie kontaktu szczotki zamocowanej do korpusu z bieżnią zamocowaną do elementu ruchomego jest głównym wymogiem prawidłowej pracy złącza ślizgowego. Tolerancja złącza dla zmian odległości A jest głównym parametrem jakościowym złącza ślizgowego.

Zastosowanie wielu drutów składających się na szczotkę według wynalazku pozwoliło polepszyć kontakt tej szczotki z bieżnią poprzez fakt, że przy braku kontaktu jednego z drutów z bieżnią, ten kontakt przejmują pozostałe druty wchodzące w skład szczotki. W rozwiązaniach znanych ze stanu techniki, gdy szczotkę stanowi jeden element w postaci drutu lub sprężystego płaskownika, utrata kontaktu z bieżnią przez ten jeden element oznacza utratę kontaktu przez całe złącze. Może to prowadzić do poważnych konsekwencji w sterowaniu urządzeniem w którym zastosowano złącze ślizgowe, na przykład ramię dźwigu może przestać reagować na polecenia.

Przedmiot wynalazku pokazany został w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym poszczególne figury rysunku ilustrują:

Fig. 1 - widok pięciotorowego złącza ślizgowego z boku.

Fig. 2 - widok pięciotorowego złącza ślizgowego od strony mocowania szczotek.

Fig. 3 - widok perspektywiczny pięciotorowego złącza ślizgowego z góry.

Fig. 4 - widok perspektywiczny pięciotorowego złącza ślizgowego z dołu.

Fig. 5 - widok perspektywiczny szczotki.

PL 233 136 B1

Na rysunku fig. 1 pokazano widok z boku pięciotorowego złącza ślizgowego. Na tym rysunku nie widać ile torów przekazywania sygnałów zawiera pokazane złącze. Jak pokazano na rysunku fig. 1, fig. 3 oraz fig. 4, w tym przykładzie wykonania elektryczne złącze ślizgowe zawiera nieruchomy korpus 1 z zamocowanymi do niego pięcioma szczotkami kontaktowymi 2. Jeden z końców szczotki 2 stanowi ramię mocujące 3. Co najmniej jedna bieżnia 4 elementu odbiorczego 5, odbierająca sygnały, współpracuje ze szczotką kontaktową 2 poprzez styk szczotki 2 z bieżnią 4 elementu odbiorczego 5. Pomiędzy korpusem 1, a elementem odbiorczym 5 znajduje się szczotka kontaktowa 2. Jak to pokazano na rysunkach fig. 2, fig. 3 oraz fig. 4, w tym przykładzie wykonania wykorzystano pięć szczotek kontaktowych 2, dla przekazania z korpusu 1 do elementu odbiorczego pięciu torów sygnałowych celem sterowania pięcioma napędami urządzeń pracujących na części obrotowej urządzenia. W korpusie 1 uformowano, co za tym idzie, pięć bieżni 4. Na rysunku fig. 1 pokazano styczny kontakt bieżni 4 z łukową częścią szczotki kontaktowej 2.

Na rysunku fig. 1, fig. 3, fig. 4 oraz fig. 5 pokazano budowę szczotki kontaktowej 2. W tym przykładzie wykonania szczotka 2 na jednym końcu ma uformowane ramię mocujące 3, zaś po drugiej stronie szczotka kontaktowa 2 ma wolny koniec 6. Ramię mocujące 3 szczotki kontaktowej 2 w tym przykładzie wykonania wygięte jest w kształt litery U. Pokazano to wyraźnie na rysunku fig. 1 oraz fig. 5. Wolny koniec 7 ramienia mocującego 3 jest zamocowany do nieruchomego korpusu 1 złącza ślizgowego, do którego dołączony jest w znany sposób przewód doprowadzający sygnały podlegające przekazaniu przez to złącze ślizgowe.

Drugie ramię 8 tego ramienia mocującego 3 przechodzi w wygiętą część roboczą tej szczotki 2, współpracującą stycznie z bieżnią 4 elementu odbiorczego 5 tego złącza. W tym przykładzie wykonania ruchomy element odbiorczy 5 złącza zawiera pięć oddzielnych bieżni 4. Element odbiorczy 5 w tym przykładzie wykonania ma kształt pierścienia, zaś izolowane od siebie znane bieżnie 4 z materiału przewodzącego mają w tym przykładzie wykonania postać znanych koncentrycznych okręgów, czego nie pokazano na załączonych rysunkach. Szczotki kontaktowe 2 rozstawione są w takich odległościach od siebie, że każda szczotka 2 współpracuje z własną bieżnią 4.

Wolny koniec 7 ramienia mocującego 3 uformowanego w kształcie litery U zamo cowane jest do korpusu 1 złącza. Na rysunku fig. 1 oraz fig. 5 pokazano, że jest ono zamocowane w metalowej obudowie 9, utrzymującej elementy składowe tego ramienia w położeniu równoległym jeden obok drugiego. Metalowa obudowa 9 może stanowić zaciśniętą kieszeń lub tworzywo lutownicze, w którym zamocowane są pojedyncze elementy składowe szczotki 2. Zaproponowana konstrukcja ramienia mocującego 3 szczotki 2 powoduje, że stosunkowo niewielkie ugięcie w obszarze tego ramienia 3 pozwala uzyskać znaczną różnicę wysokości części roboczej szczotki 2 na styku z bieżnią 4. Dotyczy to każdej szczotki 2 i bieżni 4 w przedstawionym na rysunku przykładzie wykonania, gdzie złącze zawiera pięć oddzielnych szczotek 2 i pięć oddzielnych bieżni 4 współpracujących ze sobą.

Dzięki zaproponowanemu rozwiązaniu ramienia mocującego uzyskano w konstrukcji szczotki 2 według wynalazku znaczny zakres tolerancji odległości bieżni 4, zmieniającej się w trakcie poruszania się elementu obrotowego, względem korpusu 1. Odległość tę oznaczono na rysunku fig. 1 jako A. Zachowanie kontaktu szczotki 2 z bieżnią 4 jest głównym wymogiem prawidłowej pracy złącza ślizgowego. Tolerancja złącza dla zmian odległości A jest głównym parametrem jakościowym złącza ślizgowego.

W przykładzie wykonania pokazanym na załączonych rysunkach szczotkę 2 korzystnie stanowi zespół sprężystych drutów 10. W tym przykładzie wykonania szczotka zawiera osiem drutów 10. W tym przykładzie wykonania do budowy szczotki 2 użyto drutu twardego sprężystego wykonanego ze srebra próby 925 o średnicy 0,3 mm. W innych przykładach wykonania liczba jak i materiał użyty do wykonania drutów 10 mogą być inne.

W przykładzie wykonania złącza ślizgowego sprężyste druty 10 w szczotce 2 ustawione są jeden obok drugiego, równolegle do siebie, tworząc w widoku rodzaj płaskownika. Druty 10 mogą być połączone dodatkowo znanym elementem łączącym 11, zapewniającym ruch jednych drutów 10 względem sąsiadujących drutów 10. Zastosowanie wielu drutów 10 pozwoliło polepszyć kontakt szczotki 2 z bieżnią 4 poprzez fakt że przy braku kontaktu jednego z drutów 10 z bieżnią 4, ten kontakt przejmują pozostałe druty 10. W rozwiązaniach znanych ze stanu techniki, gdy szczotkę 2 stanowi jeden element w postaci drutu lub sprężystego płaskownika utrata kontaktu z bieżnią przez ten jeden element oznacza utratę kontaktu przez całe złącze, co może prowadzić do poważnych konsekwencji w sterowaniu urządzeniem, w którym zastosowano złącze ślizgowe.

PL 233 136 B1

W przykładzie wykonania pokazanym na załączonych rysunkach od fig. 1 do fig. 5, pomiędzy nieruchomym korpusem 1 złącza, a ruchomym elementem odbiorczym 5 z bieżniami 4 znajduje się element pośredni 12, zawierający w tym przykładzie wykonania pięć kanałów 13 prowadzenia szczotek 2. Kanały 13 pokazane są szczególnie dobrze na rysunkach fig. 3 oraz fig. 4.

Na rysunku fig. 3 oraz fig. 4 pokazano, że w korpusie 1 złącza znajdują się otwory 14 prowadzące wolne końce szczotek 2. Zastosowanie elementu pośredniego 12 z kanałami 13 prowadzenia szczotek 2 oraz otworów 14 prowadzenia wolnych końców 6 szczotek 2 w korpusie 1 pozwoliło dodatkowo ustabilizować prowadzenie całości szczotek 2 w trakcie pracy złącza ślizgowego .

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Elektryczne złącze ślizgowe, zawierające korpus z zamocowaną do niego co najmniej jedną szczotką kontaktową, której jeden z końców stanowi ramię mocujące, przy czym co najmniej jedna bieżnia elementu odbiorczego, odbierająca sygnały współpracuje z tą szczotką kontaktową, znamienne tym, że ramię mocujące (3) szczotki kontaktowej (2) wygięte jest w kształt litery U, gdzie wolny koniec (7) tego ramienia mocującego (3) jest zamocowany do korpusu (1) do którego doprowadzony jest sygnał podlegający przekazaniu przez złącze ślizgowe, zaś drugie ramię (8) tego ramienia mocującego (3) przechodzi w wygiętą część roboczą tej szczotki (2), współpracującą stycznie z bieżnią (4) elementu odbiorczego (5) tego złącza.

2. Elektryczne złącze ślizgowe według zastrz. 1, znamienne tym, że szczotkę (2) stanowi zespół sprężystych drutów (10).

3. Elektryczne złącze ślizgowe według zastrz. 2, znamienne tym, że sprężyste druty (10) w szczotce (2) ustawione są jeden obok drugiego, równolegle do siebie.

4. Elektryczne złącze ślizgowe według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że pomiędzy korpusem (1) złącza a elementem odbiorczym (5) z bieżnią (4) znajduje się element pośredni (12), zawierający co najmniej jeden kanał (13) prowadzenia szczotki (2).

5. Elektryczne złącze ślizgowe według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że w korpusie (1) złącza znajduje się co najmniej jeden otwór (14) prowadzący wolny koniec (6) szczotki (2).