RU2069381C1

RU2069381C1 - Light guide rotating connector

Info

Publication number: RU2069381C1
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Шапиро
Original assignee: Виктор Александрович Шапиро
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: fibre- optic communication lines. SUBSTANCE: light guide rotating connector is made of two identical aligned light- carrying elements, one of which is mounted in ball bearing. Both light-carrying elements are enclosed in housing and have jacks on their cases provided with electric contacts for mounting and connecting optical radiation receivers and transmitters. Rotor and stator of annular rotating transformer are introduced into the connector, a s well as plug-and-socket connector. Rotor and stator are mounted onto light-carrying elements. EFFECT: improved efficiency of operation. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к элементам систем передачи информации и предназначено для передачи сигналов между взаимно вращающимися объектами. The invention relates to elements of information transmission systems and is intended to transmit signals between mutually rotating objects.

Известны световодные вращающиеся соединители (СВС), например, по патенту США N 4027945, кл. 350/96, 1977. Known fiber-optic rotating connectors (SHS), for example, according to US patent N 4027945, class. 350/96, 1977.

Такой СВС состоит из двух идентичных частей в виде цилиндрических корпусов, установленных соосно с возможностью вращения друг относительно друга. Внутри каждой из частей размещен набор цилиндрический светонесущих элементов, установленных коаксиально вокруг оси вращения. Торцевые части каждого из светонесущих элементов оптически сопряжены друг с другом. Устройство по патенту США N 4027945 выбрано в качестве аналога предлагаемого изобретения. Such a SHS consists of two identical parts in the form of cylindrical housings mounted coaxially with the possibility of rotation relative to each other. Inside each of the parts there is a set of cylindrical light-carrying elements mounted coaxially around the axis of rotation. The end parts of each of the light-bearing elements are optically coupled to each other. The device according to US patent N 4027945 is selected as an analogue of the invention.

В качестве прототипа выбран СВС по заявке ЕПВ N 0111390, кл. G 02 B 7126, 1984. Этот СВС состоит из двух многоканальных светонесущих элементов, расположенных в кожухах. Один из многоканальных световодных элементов установлен в шарикоподшипнике, что дает ему возможность вращаться вокруг оси симметрии относительно другого светонесущего элемента. Кожуха светонесущих элементов имеют установочные поверхности, что дает возможность закреплять их на вращающихся и невращающихся частях приборов. Передача оптических сигналов от коллимационных линз, соединенных с волоконно-оптическими линиями связи, осуществляется с помощью оптической призмы, которая должна вращаться со скоростью 1/2

в пространстве между неподвижными коллимационными линзами и вращающимися со скоростью

коллимационными линзами. Для обеспечения вращения призмы используется специальный редуктор.As a prototype, the SHS was selected according to the application EPO N 0111390, class. G 02 B 7126, 1984. This SHS consists of two multichannel light-bearing elements located in the casings. One of the multi-channel light guide elements is mounted in a ball bearing, which enables it to rotate around the axis of symmetry relative to another light-carrying element. The casing of light-bearing elements have mounting surfaces, which makes it possible to fix them on rotating and non-rotating parts of devices. The transmission of optical signals from collimation lenses connected to fiber-optic communication lines is carried out using an optical prism, which should rotate at a speed of 1/2

in the space between stationary collimation lenses and rotating with speed

collimation lenses. To ensure the rotation of the prism, a special gearbox is used.

Как аналог, так и прототип могут использоваться для передачи информационных сигналов, подходящих к СВС по волоконно-оптическим линиям связи. Both the analog and the prototype can be used to transmit information signals suitable for SHS via fiber-optic communication lines.

Прототипу свойственны недостатки, к числу которых могут быть отнесены
обязательное использование в сочетании с СВС сигнальных волоконно-оптических линий связи, оптически сопрягаемых с канальными световодами СВС. Это сужает применимость СВС в различных устройствах, где отсутствуют волоконно-оптические линии связи;
для обеспечения вращения оптической призмы со скоростью 1/2

от скорости

вращения коллимационных линз требуется введение в состав СВС механического редуктора, что снижает его надежность и ограничивает возможность работы на больших скоростях вращения;
СВС не обеспечивает возможности бесконтактной передачи мощности, что необходимо в реальных машинах и механизмах.The prototype is characterized by shortcomings, which may include
mandatory use in conjunction with SHS signal fiber optic communication lines that are optically interfaced with channel SHS optical fibers. This limits the applicability of SHS in various devices where fiber-optic communication lines are absent;
to ensure rotation of the optical prism with a speed of 1/2

from speed

rotation of collimation lenses requires the introduction of a mechanical gearbox into the SHS, which reduces its reliability and limits the ability to work at high speeds;
SHS does not provide the possibility of non-contact power transmission, which is necessary in real machines and mechanisms.

Изобретение преследует несколько целей. Одна из целей заключается в том, чтобы обеспечить возможность применения СВС в механизмах и устройствах, не имеющих в своем составе волоконно-оптических линий связи, а в которых используются только электрические линии информационной связи. The invention has several objectives. One of the goals is to provide the possibility of using SHS in mechanisms and devices that do not include fiber-optic communication lines, and in which only electric information communication lines are used.

Другая цель заключается в том, чтобы повысить надежность устройства за счет его выполнения без механического редуктора и обеспечить возможность его работы на высоких скоростях вращения. Another goal is to increase the reliability of the device due to its implementation without a mechanical gearbox and to ensure the possibility of its operation at high speeds of rotation.

Еще одна цель заключается в том, чтобы создать устройство, которое вместе с бесконтактной передачей информационных оптических сигналов обеспечивало бесконтактную передачу энергии, что необходимо практически во всех механических устройствах. Another goal is to create a device that, together with the contactless transmission of optical information signals, provides contactless energy transfer, which is necessary in almost all mechanical devices.

Для достижения указанных целей многоканальные световоды выполнены в виде идентичных элементов с концентрическими кольцевыми зонами на торцевой поверхности и канальными световодами, один из многоканальных световодов установлен в шарикоподшипник, а в состав многоканальных световодов введены электрические контакты с гнездами, оптически сопряженными с канальными световодами, ротор и статор кольцевого вращающегося трансформатора, выпрямительный блок и штепсельные разъемы. To achieve these goals, multi-channel optical fibers are made in the form of identical elements with concentric annular zones on the end surface and channel optical fibers, one of the multi-channel optical fibers is installed in a ball bearing, and electrical contacts with sockets optically coupled to channel optical fibers, a rotor and a stator are introduced into the multi-channel optical fibers. ring rotary transformer, rectifier block and plug connectors.

На рис. 1 и 22 представлены светонесущий элемент и СВС. In fig. 1 and 22 show the light-bearing element and SHS.

На рис. 1, 2 обозначено:
1 светонесущий элемент;
2 корпус светонесущего элемента;
3 светопроводящие элементы;
4 светоизолирующие элементы;
5 кольцевые зоны;
6 канальные световоды;
7 светонесущий элемент;
8 шарикоподшипник;
9 кожух;
10 установочная поверхность;
11 кожух;
12 установочная поверхность;
13 гнезда;
14 электрические контакты;
15 ротор кольцевого вращающегося трансформатора;
16 статор кольцевого вращающегося трансформатора;
17 выпрямительный блок;
18 роторная обмотка;
19, 20 штепсельные разъемы;
21 статорная обмотка;
22 роторная обмотка.In fig. 1, 2 is indicated:
1 light-bearing element;
2 body light-bearing element;
3 light guide elements;
4 light-insulating elements;
5 ring zones;
6 channel light guides;
7 light-bearing element;
8 ball bearing;
9 casing;
10 mounting surface;
11 casing;
12 mounting surface;
13 nests;
14 electrical contacts;
15 rotor ring rotary transformer;
16 stator ring rotary transformer;
17 rectifier unit;
18 rotor winding;
19, 20 plug connectors;
21 stator windings;
22 rotor winding.

Светонесущий элемент 1, представленный на рис. 1, содержит корпус 2, внутри которого коаксиально размещены светопроводящие элементы 3, отделенные друг от друга светоизолирующими элементами 4. Светопроводящие элементы 3 и светоизолирующие элементы 4 выполнены из тонких (10 25 мкм) световодных волокон. На торцевой поверхности светонесущего элемента 1 светопроводящие 3 и светоизолирующие 4 элементы образуют кольцевые зоны 5. Концы волокон светопроводящих элементов 3 собираются в единые канальные световоды 6. Light-bearing element 1 shown in Fig. 1, comprises a housing 2, inside which light-conducting elements 3 are coaxially placed, separated from each other by light-insulating elements 4. Light-conducting elements 3 and light-insulating elements 4 are made of thin (10 25 μm) light guide fibers. On the end surface of the light-carrying element 1, the light-conducting 3 and light-insulating 4 elements form annular zones 5. The ends of the fibers of the light-conducting elements 3 are assembled in a single channel light guide 6.

СВС состоит из двух идентичных светонесущих элементов светонесущего элемента 1 и светонесущего элемента 7. SHS consists of two identical light-bearing elements of the light-bearing element 1 and the light-bearing element 7.

Светонесущий элемент 1 установлен в шарикоподшипнике 8, на котором закреплен кожух 9 с установочной поверхностью 10 для крепления на неподвижной части прибора. The light-bearing element 1 is installed in a ball bearing 8, on which a casing 9 is fixed with a mounting surface 10 for mounting on a fixed part of the device.

Внутри кожуха 9 соосно со светонесущим элементом 1 жестко закреплен светонесущий элемент 7. На светонесущий элемент 1 установлен кожух 11 с установочной поверхностью 12. Inside the casing 9 coaxially with the light-bearing element 1, the light-bearing element 7 is rigidly fixed. A casing 11 with a mounting surface 12 is mounted on the light-bearing element 1.

На корпусе светонесущих элементов 1 и 7 расположены гнезда 13 для установки светоизлучателей и фотоприемников и электрические контакты 14. Гнезда 13 оптически сопряжены с канальными световодами 6. На оконечную часть светонесущего элемента 1 "одет" ротор 15 кольцевого вращающегося трансформатора, а на оконечную часть светонесущего элемента 7 "одет" статор 16 кольцевого вращающего трансформатора. On the housing of the light-carrying elements 1 and 7, there are sockets 13 for installing light emitters and photodetectors and electrical contacts 14. Sockets 13 are optically coupled to channel light guides 6. The rotor 15 of the annular rotating transformer is “dressed” on the end of the light-carrying element 1, and on the end of the light-carrying element 7 "dressed" the stator 16 of the ring rotary transformer.

В кожухе 11 установлен выпрямительный блок 17, связанный с одной из роторных обмоток 18 и электрическими контактами 14. На кожухах 11 и 9 установлены штепсельные разъемы 19 и 20. In the casing 11, a rectifying unit 17 is installed, connected to one of the rotor windings 18 and electrical contacts 14. On the casing 11 and 9, plug connectors 19 and 20 are installed.

Обмотка 21 статора 16 подключена к штепсельному разъему 20. Обмотка 22 ротора 15 подключена к штепсельному разъему 19. Работа СВС происходит следующим образом. The winding 21 of the stator 16 is connected to the plug connector 20. The winding 22 of the rotor 15 is connected to the plug connector 19. The SHS is as follows.

Потребитель в зависимости от требований к направлению передачи сигналов устанавливает в гнезда 13 светонесущих элементов 1 и 7 приемники и передатчики излучения таким образом, чтобы обеспечивались требования направления передачи. Приемники и передатчики соединяются с электрическими контактами 14, к которым подведены линии питания и сигнальные линии. СВС установочной поверхностью 10 крепится к невращающейся части прибора, а установочной поверхностью 12 к вращающейся вокруг оси а-а части прибора. The consumer, depending on the requirements for the direction of signal transmission, installs in the slots 13 of the light-bearing elements 1 and 7 radiation receivers and transmitters in such a way as to ensure the requirements of the direction of transmission. The receivers and transmitters are connected to electrical contacts 14, to which the power lines and signal lines are connected. SHS mounting surface 10 is attached to the non-rotating part of the device, and the mounting surface 12 to rotating around the axis aa of the part of the device.

К СВС через штепсельные разъемы 19, 20 подключаются датчики информации, приемники информации и источники питания. Информационные сигналы по электрическим линиям связи поступают на разъемы 19, 20, далее на передатчики излучения, установленные в гнездах 13, через СВС на соответствующие приемники излучения, где сигналы преобразуются в электрическую форму и поступают к потребителям. To the SHS through the plug connectors 19, 20 are connected information sensors, information receivers and power sources. Information signals via electrical communication lines are fed to the connectors 19, 20, then to the radiation transmitters installed in the sockets 13, through the SHS to the respective radiation receivers, where the signals are converted into electrical form and fed to consumers.

Передача мощности осуществляется через кольцевой вращающийся трансформатор, на статорную обмотку которого от источника питания должно поступать переменное напряжение высокой частоты. Статор 16 и ротор 15 выполнены из материала типа феррит, а обмотки статора и ротора рассчитаны на передачу силового сигнала мощностью до 40 50 Вт. При подаче силового сигнала на статорную обмотку 21 с вращающейся роторной обмотки 22 будет сниматься вторичное напряжение. Power is transmitted through an annular rotary transformer, to the stator winding of which an alternating voltage of high frequency must be supplied from the power source. The stator 16 and rotor 15 are made of ferrite-type material, and the stator and rotor windings are designed to transmit a power signal with a power of up to 40 50 W. When a power signal is applied to the stator winding 21, the secondary voltage will be removed from the rotating rotor winding 22.

Для питания приемников и передатчиков излучения, установленных в гнездах 13 вращающегося светонесущего элемента 1, на роторе 15 имеется дополнительная обмотка 22, напряжение которой выпрямляется выпрямительным блоком 17 и поступает на приемники и передатчики излучения. To power the radiation receivers and transmitters installed in the sockets 13 of the rotating light-carrying element 1, the rotor 15 has an additional winding 22, the voltage of which is rectified by the rectifying unit 17 and is transmitted to the radiation receivers and transmitters.

Таким образом СВС осуществляет бесконтактную передачу электрических информационных и силовых сигналов с взаимно вращающихся частей машинного оборудования. Thus, SHS provides non-contact transmission of electrical information and power signals from mutually rotating parts of machinery.

Конструктивные проработки и инженерные расчеты показали, что предлагаемый СВС может иметь следующие технические характеристики. Constructive studies and engineering calculations showed that the proposed SHS may have the following technical characteristics.

Габариты:
диаметр 70 мм,
длина 80 мм,
количество информационных линий передачи 14,
передаваемая мощность 40 Вт,
КПД 70%
коэффициент трансформации передаваемой мощности требуемый.Dimensions:
diameter 70 mm
length 80 mm
the number of information transmission lines 14,
transmitted power 40 W,
Efficiency 70%
Transmit power ratio required.

Предлагаемая конструкция СВС обеспечивает:
двунаправленную с учетом требований потребителя бесконтактную передачу электрических информационных сигналов по 14 параллельным каналам;
повышение надежности СВС и снижение требований к скорости вращения;
бесконтактную передачу мощности;
отсутствие требований к питанию приемников и передатчиков излучения, так как питание вырабатывается в самом СВС.The proposed design of SHS provides:
bi-directional, taking into account consumer requirements, non-contact transmission of electrical information signals via 14 parallel channels;
increasing the reliability of SHS and reducing the requirements for speed;
non-contact power transmission;
lack of power requirements for radiation receivers and transmitters, since power is generated in the SHS itself.

Claims

1. The fiber optic rotating connector, consisting of the first and second coaxial multichannel light-bearing elements located respectively in the first and second casing, the first multichannel fiber-optic element is installed in a ball bearing, and each casing is made with an installation surface, characterized in that the ball bearing is fixed in the second casing, and multichannel light guide elements are made in the form of identical elements with concentric annular zones on the end surface and channel light guides.

2. The connector according to claim 1, characterized in that each multichannel light-bearing element is placed in a housing on which sockets are installed that are optically coupled to channel optical fibers and made with electrical contacts.

3. The connector according to claim 1, characterized in that it includes an annular rotary transformer, a rectifier unit and sockets with electrical contacts optically coupled to channel fibers, the input of the rectifier unit connected to the rotor winding of the transformer, and the output with electrical contacts , the rotor and stator of the annular rotating transformer are installed respectively on the terminal parts of the first and second light-bearing elements.

4. The connector according to claim 1, characterized in that it includes sockets that are optically coupled to the channel fibers and made with electrical contacts, and plug connectors, while the plug connectors are mounted on the housings and connected to electrical contacts.