滾動匯流環技術的發展和應用綜述

劉文科 鄭傳榮 趙克俊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

匯流環是雷達設備的關鍵部件，用于實現雷達的旋轉部分與固定部分之間的電能和信號的穩定可靠連接［1］。按照接觸形式的不同，匯流環可分為滑動匯流環和滾動匯流環。傳統的匯流環以滑動匯流環為主，其原理是依靠電刷和導電環形成滑動接觸摩擦副，實現電能和信號的傳輸［2］。由于其接觸特性，決定了工作過程中電刷和導電環之間存在一定的磨損，產生的粉末容易滯留在匯流環內，輕則導致工作過程中接觸電阻過大，不滿足所規定的技術指標要求，重則匯流環發生打火現象，影響雷達整機的正常使用。滾動匯流環采用滾動接觸形式，能夠較好地規避以上這些問題，它具有電阻低、噪音小、低磨損、壽命長等優點，因此應用前景十分廣闊。

本文將從滾動匯流環的工作原理、主要特點、發展歷程及應用前景等多個方面對滾動匯流環進行詳細闡述。

1 滾動匯流環概述

滾動匯流環簡稱滾環，它是相對于滑動匯流環(簡稱滑環)而言的，其主要組成部分由一個或多個彈性環和內、外導電環構成，彈性環與內外導電環接觸，構成滾動接觸副，如圖1所示。滾動匯流環的工作原理為:假定外導電環固定不動，內導電環以速度ωi順時針旋轉，帶動彈性環以速度ωe逆時針自轉的同時繞接觸副的軸線順時針公轉。在彈性環轉動過程中，由于彈性環與內外導電環間存在一定的電接觸壓力迫使彈性環產生一定的徑向壓縮變形，因此彈性環與內、外導電環之間始終保持電接觸，從而保證內、外導電環的電信號的連續傳輸［3］。

根據每個通道內彈性環的個數，滾動匯流環可分為單環和多環等形式。圖2所示為某多環形式的滾動匯流環試驗樣機圖，滾道內均勻布置12個彈性環以及12個惰輪，結構緊湊。

2 滾動匯流環的主要特點

與傳統的滑動匯流環相比，滾動匯流環具有以下優點［4-9］:

a.接觸電阻低

滾動匯流環使用至少一個彈性環與內外導電環代替滑動匯流環形式的電刷和環槽，以表面間的滾動接觸替代了滑動匯流環的滑動接觸，因而摩擦力矩顯著減小，電阻波動也小。

b.信號噪聲低

一個帶兩個彈性環的滾動匯流環組件常規條件下的信號噪聲在20mΩ范圍內，如果再增加一個彈性環則信號噪聲可降低到10mΩ范圍內。

c.摩擦轉矩低

滾動匯流環不像滑動匯流環要求以摩擦來保證接觸，其接觸形式就像是在鐵路軌道上運行的輪子，如果軌道足夠平坦，施加一個推力，輪子會永遠滾動下去。滾動匯流環的摩擦轉矩僅僅來源于保持定子和轉子相對運動的軸承，因此其比滑動接觸形式的摩擦轉矩要小得多。一個滾動匯流環的轉矩比滑動匯流環在數值上可低2個數量級。

d.數據傳輸率高

實驗證明，滾動匯流環在1200r/min的轉速條件下對于RS-485信號的傳輸率為15M bit/s。此外，滾動匯流環還可傳輸其他類型的信號，包括RS-422和RS-232信號等.

e.傳輸效率高

滾動匯流環中導電環的滾道與彈性環的表面均進行鍍金處理，而金-金接觸界面的電阻非常低，其表面抗氧化性能也較好。風力發電機組使用的滾動匯流環在旋轉時測得的電阻僅為2.65mΩ，證明其傳輸效率可達到99.735%。

圖3 鍍金的彈性環

f.免維護

由于彈性環與導電環之間采用滾動接觸形式，材料磨損非常低，并且無磨損碎片，這就在很大程度上避免了因磨屑而發生機構短路的可能，從而可實現較長時間的免維護。一個標準的滾動匯流環組件在200r/min的旋轉速度下可連續運行超過兩年，累計旋轉2.4億次，這相當于在空中交通管制雷達系統內服役30年的時間。

g.壽命長

彈性環與內外導電環之間的運動理論上為純滾動，理想情況下不存在接觸材料的磨損，因此接觸摩擦副的壽命較長。空中交通管制雷達上使用的一個標準滾動匯流環組件經歷了2.4億轉的加速壽命測試，這相當于其不間斷工作達30年。研究人員曾對國際空間站上的4環和8環滾動匯流環組件分別進行了加速壽命試驗，試驗條件為在真空試驗裝置中通100A直流電，滾動匯流環組件以5 rpm的轉速運行，獲得其壽命及傳輸效率，如表1所示。

表1 壽命(空間站旋轉年數)及傳輸效率

從表中可以看到，對于8環組件，完成了超過60空間站年的旋轉壽命，其平均效率為99.98%;而對于4環組件，完成了超過114空間站年的旋轉壽命，其平均效率為99.97%。

3 滾動匯流環的發展歷程及趨勢

滾動匯流環的電信號/功率傳輸裝置是由球軸承和電傳輸技術演變而來，發展于20世紀70年代中期，首先在國外開展。在20世紀80年代，美國的Terry Allen、Peter Jacobson等人發明了滾動匯流環，介紹了滾動匯流環組件的工作原理和結構形式［4］。學者Ryan Porter在19屆機械研討會上發表了題為“一種旋轉的電傳輸裝置”的論文，對滾動匯流環的概念及其設計進行了詳細闡述，使得滾動匯流環逐漸被人們所熟悉［5］。隨后，基于自由號國際空間站上的功率傳輸的迫切要求，由美國國家航空和宇航局(NASA)劉易斯研究中心資助，開始研發大功率滾動匯流環技術，其功率可達到數百千瓦［6］。研究人員通過進行大量的技術試驗，試驗包括接觸電阻測試、加速壽命試驗和耐壓試驗等，并經過不斷進行設計改進，最終使得其在自由號國際空間站上成功應用［7-8］。由于相對于滑動匯流環和柔性電纜，滾動匯流環在技術性能上均具有比較顯著的優勢，已經越來越受到人們的關注。但同時，其對設計及制造技術要求也較高，很多關鍵因素如彈性環材料的選擇、壁厚的大小及彈性環與內、外導電環的接觸設計等都會直接影響滾動匯流環的運行狀態和技術性能。

縱觀國內外滾動匯流環技術的發展歷程，從最初概念的提出到今天，滾動匯流環技術已經歷了30多年的發展，逐步在相關理論、設計及制造水平方面獲得改進和提高［9-10］。對于國外來說，美國 Diamond公司是目前滾動匯流環的主要生產制造商，經過對滾動匯流環進行多年的研發，現已形成了一些較成熟的產品，其制造的滾動匯流環的相關性能參數如表2所示。而國內關于滾動匯流環技術的研究起步相對較晚，在理論方面的研究稍顯不足，試驗方面仍處于初步探索階段［11-12］，因此無論是在結構設計還是在制造工藝等方面均與國外先進水平存在一定的差距，尚有很多關鍵技術問題亟待解決。

表2 滾動匯流環可達到的關鍵性能參數

總的來講，今后滾動匯流環技術有望在以下幾個方面獲得進一步發展:

a.模塊集成化

隨著工業技術水平的不斷提高，產品的模塊化、集成化逐漸成為發展趨勢。對于滾動匯流環，國外已經開發單環和多環的滾動匯流環組件，應用于雷達設備、衛星通信等方面，而國內今后也將沿該方向不斷努力，逐步彌補與國外先進水平之間的差距。

b.低成本化

滾動匯流環的主要零部件包括內、外導電環、彈性環和惰輪等，其材料的選用和加工工藝至關重要，很大程度上影響滾動匯流環組件的綜合技術性能。開發新型電接觸材料、逐步提高主要零部件制造工藝水平是降低滾動匯流環生產成本的有效途徑。

c.小型輕量化

由于目前滾動匯流環大多應用于航空航天等領域，受空間環境和運載工具等條件的限制，對尺寸、重量等方面要求極高，故而追求結構輕量化、小型化也是滾動匯流環發展的一個重要方向。

4 滾動匯流環的應用現狀及前景展望

作為一項新的電傳輸技術，滾動匯流環以其新穎的結構形式、優異的技術性能引起人們的廣泛重視，目前已被部分應用于航空、航天、航海等領域的功率傳輸及信號通信設備上。

美國陸軍某型號防衛雷達采用的就是滾動匯流環，共包括43路電路組件。其中26路為功率通道，電壓為115V AC，電流為10A;還有16路為信號通道，其噪聲電阻為20 mΩ。

美軍某直升機載雷達上也采用了滾動匯流環結構形式，其型號為1004-36A，規格為5”OD×11”L，轉速800r/min。該型號滾動匯流環包含36路通道，其中有22路功率通道，額定電壓為1800 VDC，電流為10 A，另外14路為信號通道。

圖4 美國陸軍雷達

圖5 直升機載雷達匯流環

自由號國際空間站在3個地方使用了滾動匯流環技術，分別為熱輻射體旋轉關節(TRRJ)中的滾動匯流環機構(PDTA)、太陽電池組 α旋轉關節(SARJ)中的滾動匯流環機構(UTA)以及β萬向節中的滾動匯流環機構(BGRRS)，如圖6所示。

3種滾動匯流環技術參數如表3所示。

表3 空間站上3種滾動匯流環技術參數

應用于ASR旋轉關節的滾動匯流環，型號為1023-16T。該匯流環組件規格為7.9”OD×7.9”L，包含16路電路，電壓為230 V AC，電流為1A。

隨著滾動匯流環技術的進一步發展，其應用范圍也逐漸由軍用領域向民用領域拓展。圖8為鋁材軋機設備上的匯流環，型號1017-72T。該匯流環共72路通道，包含4路功率通道和68路信號通道，速度達到1800 rpm，可在150℃的溫度條件下工作。

可以預見，未來在通信、導航、遙感遙測、風力發電設備、航管雷達、港口導航雷達、天氣雷達、衛星通訊、醫用CT和機場安檢掃描設備、半導體制造設備和工業制造設備等諸多方面，滾動匯流環技術還將擁有廣闊的發展需求和應用前景。

圖7 ASR旋轉關節

圖8 鋁材軋機設備上的滾動匯流環

5 結束語

本文介紹了滾動匯流環的工作原理，分析了滾動匯流環的主要特點，闡述了滾動匯流環的發展歷程，并對滾動匯流環的應用現狀及前景進行了展望。滾動匯流環作為一種新型的電接觸摩擦副結構形式，與傳統的滑動匯流環相比具有接觸電阻低、噪音小、低磨損、壽命長等優點，在眾多領域都有較大的發展和應用價值。開展滾動匯流環的相關理論研究，開發滾動匯流環的成熟制造技術，對于不斷提高我國滾動匯流環技術水平、增強高科技產品市場競爭力均具有非常重要的現實意義。

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