一種新型超小型導(dǎo)電滑環(huán)研究

李問國，付宏寶，張方方

（九江漢唐光電傳輸技術(shù)有限公司，江西 九江 332000）

導(dǎo)電滑環(huán)是一種精密輸電裝置，特別適合應(yīng)用在需要從固定端向旋轉(zhuǎn)端（或從旋轉(zhuǎn)端向固定端）傳送功率或信號的場所。

導(dǎo)電滑環(huán)的實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其核心是電刷組件與旋轉(zhuǎn)組件，其中電刷組件上的電刷絲與旋轉(zhuǎn)組件上的環(huán)片構(gòu)成了一對摩擦副，電刷絲隨著電刷組件安裝在導(dǎo)電滑環(huán)的固定支架上，電刷絲上通過焊接引出的導(dǎo)線稱為刷引線，即導(dǎo)電滑環(huán)固定端引線；環(huán)片隨旋轉(zhuǎn)組件安裝在導(dǎo)電滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸上，環(huán)片上通過焊接引出的導(dǎo)線稱為環(huán)引線，即導(dǎo)電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)端引線；導(dǎo)電滑環(huán)工作時(shí)電刷絲搭接在環(huán)片上并產(chǎn)生相對滑動(dòng)，如圖2所示。

圖1 導(dǎo)電滑環(huán)實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 導(dǎo)電滑環(huán)摩擦副及環(huán)、刷引線示意圖

應(yīng)用導(dǎo)電滑環(huán)的目的是將電信號從固定端傳遞到旋轉(zhuǎn)端，其工作流程如下：對導(dǎo)電滑環(huán)的刷引線（即固定端引線）施加電信號，電信號通過刷引線傳遞到與其相連的電刷絲，由于電刷絲是搭接在環(huán)片上的，因而電信號就被傳遞到了環(huán)片，隨后再通過環(huán)片上的環(huán)引線（即旋轉(zhuǎn)端引線）傳送到旋轉(zhuǎn)端的設(shè)備，為其提供功率及控制信號。

導(dǎo)電滑環(huán)作為一種將功率和控制信號從固定端傳輸?shù)叫D(zhuǎn)端的關(guān)鍵電傳輸設(shè)備，其可用于武器裝備、航空、航海、兵器、新能源開發(fā)、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療等幾乎所有行業(yè)領(lǐng)域。目前至2030年將是我國國防、航天、航空、武器裝備，以及高端工業(yè)控制、新能源開發(fā)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展期，這為導(dǎo)電滑環(huán)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇，以及廣闊的市場前景[1]。隨著近年來國家科技能力的快速提高，各類軍工及高端工業(yè)設(shè)備均朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，從而對作為其內(nèi)部輸電裝置的導(dǎo)電滑環(huán)也提出了不斷小型化甚至超小型化的使用要求，雖然超小型導(dǎo)電滑環(huán)的市場前景好、需求大，但其實(shí)現(xiàn)起來卻有很大的技術(shù)難度。

對于超小型導(dǎo)電滑環(huán)來說，在很小的空間中實(shí)現(xiàn)多路電流或信號通道之間相互絕緣、相互屏蔽具有極大的難度。因此，使導(dǎo)電滑環(huán)上的多個(gè)導(dǎo)電環(huán)之間實(shí)現(xiàn)可靠的相互絕緣則成為其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

本文提出一種超小型精密導(dǎo)電滑環(huán)，成功地解決了用疊片組合黏結(jié)模式制造超小型導(dǎo)電滑環(huán)時(shí)存在的導(dǎo)電環(huán)與絕緣片之間易脫膠、產(chǎn)品可靠性差的問題，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)導(dǎo)電環(huán)路之間既相互絕緣又實(shí)現(xiàn)可靠連接、膠層不會(huì)脫落的效果，提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和工作的可靠性。

1 工作原理

目前國內(nèi)導(dǎo)電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)組件成型主要是通過疊片組合黏結(jié)工藝實(shí)現(xiàn)的，即采用疊片組合結(jié)構(gòu)，在每兩片銅環(huán)片間夾絕緣片，把絕緣片和銅環(huán)片膠合在一起，形成疊片黏結(jié)工藝。采用這種制造工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)導(dǎo)電環(huán)之間的絕緣靠導(dǎo)電環(huán)之間放置的具有良好絕緣性能的絕緣片實(shí)現(xiàn)，因此任意2個(gè)導(dǎo)電環(huán)之間絕緣性能均有可靠保障。但其存在的最主要問題是：絕緣片和導(dǎo)電環(huán)銅片靠黏結(jié)膠膠合在一起，在疊片組合時(shí)，疊片之間的膠層容易因疊壓力不一致出現(xiàn)膠層厚度嚴(yán)重不均的情況，局部位置甚至?xí)霈F(xiàn)失膠現(xiàn)象，這在超小型導(dǎo)電滑環(huán)上體現(xiàn)得尤為明顯。因此，用這種工藝制造的超小型導(dǎo)電滑環(huán)組件在長期受到振動(dòng)影響，或在溫差大、溫度變化頻繁的工作條件下容易出現(xiàn)膠層脫落的現(xiàn)象，進(jìn)而影響導(dǎo)電滑環(huán)工作的可靠性。

本文所涉及的導(dǎo)電滑環(huán)的核心部件旋轉(zhuǎn)組件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上放棄了常規(guī)的環(huán)片、絕緣片、環(huán)片的疊片組合方式，而采用單一的凸型環(huán)片堆疊，在堆疊后通過環(huán)氧樹脂澆灌固化，最后再通過精加工車削使得旋轉(zhuǎn)組件成形，這種無需絕緣片的旋轉(zhuǎn)組件成型技術(shù)能使得環(huán)片的空間位置排布更對稱，且各環(huán)片之間的環(huán)氧絕緣層填充致密、均勻，從而很大程度地保證了超小型導(dǎo)電滑環(huán)的技術(shù)性能。

旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)法蘭、凸型環(huán)片和環(huán)引線，其中旋轉(zhuǎn)軸是中空的結(jié)構(gòu)，其技術(shù)方案如下。

先從凸型環(huán)片的內(nèi)壁通過焊接的方式引出環(huán)引線，隨后將凸型環(huán)片套入旋轉(zhuǎn)軸，環(huán)引線將通過旋轉(zhuǎn)軸中空的內(nèi)孔引出，再將旋轉(zhuǎn)法蘭壓緊各凸型環(huán)片，通過螺釘將旋轉(zhuǎn)法蘭與旋轉(zhuǎn)軸固定在一起，最后從旋轉(zhuǎn)軸中空的內(nèi)孔處澆灌環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂膠將充滿旋轉(zhuǎn)軸的內(nèi)孔及各凸型環(huán)片之間的所有縫隙處，對環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行固化，隨后再用車刀將凸型環(huán)片端部凸出部分在直徑方向上全部車掉，以保證各環(huán)片之間不短路，接著在環(huán)片的外壁車出倒梯形槽，再對環(huán)片進(jìn)行電鍍即完成了旋轉(zhuǎn)組件的加工。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖3可知，超小型、多環(huán)路精密導(dǎo)電滑環(huán)主要包括旋轉(zhuǎn)組件1、鎖緊螺母2、電刷組件3、一體式支架4、外罩5、蓋板6、大精密軸承7、小精密軸承8、十字沉頭螺絲9，其中旋轉(zhuǎn)組件1由旋轉(zhuǎn)軸10、環(huán)片11、環(huán)引線12、環(huán)氧樹脂13組成，電刷組件3上固定有電刷絲14，電刷絲14的下端部與環(huán)片11的外表面形成摩擦接觸，電刷絲14的上端部引出刷引線15。

圖3 超小型導(dǎo)電滑環(huán)示意圖

其裝配制作流程介紹如下。

筒形的一體式支架4左端內(nèi)徑大、右端內(nèi)徑小，在一體式支架4的左右兩端分別設(shè)有軸承位。在一體式支架4的左端安裝有大精密軸承7，在一體式支架4的右端安裝有小精密軸承8。旋轉(zhuǎn)組件1上固定有多個(gè)環(huán)片11，每個(gè)環(huán)片11均引出貫穿旋轉(zhuǎn)組件1內(nèi)孔的環(huán)引線12作為滑環(huán)旋轉(zhuǎn)端引線。在旋轉(zhuǎn)組件1的內(nèi)孔填充了起密封、絕緣作用的環(huán)氧樹脂膠13；旋轉(zhuǎn)組件1的左端和右端分別穿過并套在大精密軸承7和小精密軸承8中。在一體式支架4的外壁安裝有電刷組件3，電刷組件3上固定有電刷絲14；電刷絲14的下端部與環(huán)片11的外表面形成摩擦接觸；電刷絲14的上端部引出刷引線15作為滑環(huán)固定端引線。外罩5包住一體式支架4的外圓并通過十字沉頭螺絲9固定在其上，使外罩5在一體式支架4上不能轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖緊螺母2通過壓住小精密軸承8使得旋轉(zhuǎn)組件1、一體式支架4、外罩5連接為一整體。

旋轉(zhuǎn)組件包含主軸及其上的環(huán)片、環(huán)引線等隨軸旋轉(zhuǎn)的部件，旋轉(zhuǎn)組件的成型技術(shù)決定著整個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)的性能、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。本項(xiàng)目擬實(shí)現(xiàn)的超小型導(dǎo)電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

在圖4中，旋轉(zhuǎn)組件包括旋轉(zhuǎn)軸3、旋轉(zhuǎn)法蘭4、凸型環(huán)片1、環(huán)引線2，其中旋轉(zhuǎn)軸3是中空的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)組件的裝配制作流程采用一體化工藝技術(shù)，現(xiàn)介紹如下。

圖4 超小型導(dǎo)電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)示意圖

先從凸型環(huán)片1的內(nèi)壁通過焊接的方式引出環(huán)引線2，隨后將凸型環(huán)片1從左向右套入旋轉(zhuǎn)軸3，環(huán)引線2將通過旋轉(zhuǎn)軸3中空的內(nèi)孔從左端引出，再將旋轉(zhuǎn)法蘭4從左端壓緊各凸型環(huán)片1，通過螺釘將旋轉(zhuǎn)法蘭4與旋轉(zhuǎn)軸3固定在一起，最后從左端旋轉(zhuǎn)軸3中空的內(nèi)孔處澆灌環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂膠將充滿旋轉(zhuǎn)軸3的內(nèi)孔以及各凸型環(huán)片1之間的所有縫隙處，對環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行固化，隨后再用車刀將凸型環(huán)片端部凸出部分在直徑方向上全部車掉，以保證各環(huán)片之間不短路，接著在環(huán)片的外壁車出倒梯形槽，再對環(huán)片進(jìn)行電鍍即完成了旋轉(zhuǎn)組件的加工。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的超小型導(dǎo)電滑環(huán)直徑小于等于Φ16 mm，軸向長度小于等于56 mm，合格環(huán)路大于等于60路，通過構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)對導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)電阻變化值、絕緣電阻和耐壓強(qiáng)度等重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。

對動(dòng)態(tài)電阻變化值測試時(shí)將導(dǎo)電滑環(huán)安裝在高速試驗(yàn)臺(tái)上，固定部分連接在試驗(yàn)臺(tái)的定子上，轉(zhuǎn)動(dòng)部分連接在試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子上。打開試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)，調(diào)速到200 r/min，保持測試過程持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。將導(dǎo)電滑環(huán)的定子端引線按單雙分開后，并聯(lián)焊接在一起，用高溫絕緣膜包覆焊點(diǎn)。將微電阻測試儀擋位設(shè)定為自動(dòng)擋，先測試奇數(shù)線，將微電阻測試儀的一個(gè)測試表夾夾緊1#號（該線號作為測試公共線），將微電阻測試儀的另一個(gè)測試表夾夾緊滑環(huán)電刷引線的3#號線。測試過程中，被測線與其余線、設(shè)備等均不得相互接觸，正、反向旋轉(zhuǎn)各2周，記錄微電阻測試儀30 s內(nèi)的最大值和最小值，最大值和最小值之差即為動(dòng)態(tài)電阻變化量，依次檢測完所有奇數(shù)線。再測偶數(shù)線，將微電阻測試儀的一個(gè)測試表夾夾緊2#號（該線號作為測試公共線），將微電阻測試儀的另一個(gè)測試表夾夾緊滑環(huán)電刷引線的4#號線，測試過程中，被測線與其余線、設(shè)備等均不得相互接觸，正、反向旋轉(zhuǎn)各2周，記錄微電阻測試儀30s內(nèi)的最大值和最小值，最大值和最小值之差即為動(dòng)態(tài)電阻變化量，依次檢測完所有偶數(shù)線。利用微電阻測試儀對導(dǎo)電滑環(huán)各環(huán)路的動(dòng)態(tài)電阻變化值實(shí)測小于等于0.02Ω。

將滑環(huán)定子端引線按單雙號分別并聯(lián)焊接。將絕緣電阻測試儀的2根表筆分別夾緊單、雙線束，調(diào)節(jié)絕緣電阻測試儀的電壓為250 V DC，測試的絕緣電阻值需符合要求（≥500 MΩ）。再將絕緣電阻測試儀的2根表筆分別夾緊線束、滑環(huán)外殼，調(diào)節(jié)絕緣電阻測試儀的電壓為250 V DC，測試的絕緣電阻值需符合要求（≥500 MΩ）。

將耐壓測試儀的2根表筆分別夾緊單、雙線束，打開耐壓測試儀電源，調(diào)節(jié)耐壓測試儀的電壓為500VAC，保持60 s，無擊穿報(bào)警，無跳火、電暈。再將耐壓測試儀的2根表筆分別夾緊線束、滑環(huán)外殼，打開耐壓測試儀電源，調(diào)節(jié)耐壓測試儀的電壓為500 V AC，保持60 s，無擊穿報(bào)警，無跳火、電暈。

4 結(jié)論

本文闡述了超小型導(dǎo)電滑環(huán)的工作原理，并對其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了介紹，即采用凸型環(huán)片堆疊、環(huán)氧樹脂整體澆灌固化的方式實(shí)現(xiàn)一體化旋轉(zhuǎn)組件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超小型、多環(huán)路導(dǎo)電滑環(huán)。最后通過對超小型導(dǎo)電滑環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，進(jìn)而驗(yàn)證了本文提出的技術(shù)方案是可行的。