CN114175473A - 贯孔滑环条件的监测***和方法 - Google Patents

Abstract

滑环总成包括壳体，该壳体具有可旋转地支撑转子的定子。该转子包括导电盘，该导电盘电连接至延伸穿过转子轴件的相应导体。该定子包括可滑动地且电接合该导电盘的电刷。该一个或多个电刷电连接至至少部分地延伸穿过该定子的定子导体。电通路经界定且自该定子导体、该电刷、该导电盘及该轴件中的该相应导体延伸。智能板连接至该定子，且包括电子组件，该电子组件经配置以监测该滑环总成的操作并向外部源提供信号。该智能板电连接至在该定子导体上存在且可供取用的电力并由其供电。

Description

贯孔滑环条件的监测***和方法

技术领域

相关申请案的交互参考

本专利申请案主张2019年5月10日提出申请的美国临时专利申请案第62/846,306号的优先权，其以全文引用的方式并于本文中。

背景技术

滑环为机电装置，其包括操作以在固定装置与旋转装置之间传递电流或电压的一个或多个电连接，导管或通路。滑环，其也被称为旋转电连接器或旋转电接头，典型地经配置以在操作期间自由地旋转。滑环可用于在固定装置与旋转装置之间转移一个电导管。滑环有时也经堆栈或组合成总成，以使得可同时横跨旋转接口以转移多个电导管。

由于滑环提供的功能，滑环典型地用于各种应用中，包括旋转自动化或控制***，诸如转台、分度台及机器人。风力涡轮机、半导体加工、印刷塑料成型、CT与MRI医疗扫描仪、卫星通讯、饮料加工以及工业洗衣机也是常见滑环应用。

在典型配置中，电滑环通过将滑动触点(电刷)保持抵靠环(导体环)来工作。一部分(典型地为电刷)为固定的，而另一部分(典型地为导体环)在旋转。当导体环经堆栈以提供多个信道时，可在毗邻导电环之间插置绝缘环。至电刷及导体环的引线在内部终止，且为滑环两侧上的装置提供电连接。通常，导体环安装于转子上，且与轴向延展穿过转子至一端的引线端接。电刷由安装至壳体的电刷架固定。壳体内的一组滚珠轴承支撑转子。盖和端盖封围装置。如同壳体、转子、盖及端盖的结构组件由金属和非金属材料所制成，该材料是基于诸如温度、重量、大小、坚固性和成本等应用要求进行选择。诸如电刷、导体环和电连接器之类的电组件通常由导电材料制成，该导电材料是基于其功能要求(诸如电流密度、电压降、转速、温度、电阻变化、带宽、特性阻抗及其类似者)进行选择。

发明内容

本发明描述用于感测滑环总成的健康状态的***和方法。在一个具体实例中，其上含有各种电组件和电子组件以及传感器的板经内部安装至滑环总成，且操作以收集、处理用以指示滑环的操作状况的数据并将其传输至接收器，该接收器可用于监测滑环的操作和操作状态。有利地，在一个具体实例中，板的电组件和电子组件由电源提供的电力供电。电源可为内部的，例如通过电池或通过滑环转移使得不需要外部电源、或可为外部的，例如通过有线电源连接。该板可提供滑环总成的原始或经处理操作数据，且也可诊断并传输滑环总成以及板本身组件两者的故障状况。通信例如经由蓝牙或近场通信或经由有线连接以无线方式来实施。板也可在滑环总成外部提供板和/或滑环总成的操作状态的视觉指示。

在一个具体实例中，该板包括经配置以侦测光的存在及强度的光侦测器。光侦测器可经安置成毗邻于滑环总成的电刷或与其在视线上，使得在电刷失效(其通过火花的存在而显现)的情况下，可侦测到由火花发射的光。该板也可包括额外传感器，诸如温度传感器、湿度传感器、霍尔效应传感器及其类似者。霍尔效应传感器可感测与安置于旋转环上的磁体的接近度，使得可监测旋转的数目及速率的指示。板上所包括并在板上操作的日期处理软件可将由各种传感器提供的信号或其他信息关联起来，以计算和估计滑环总成的健康状况或操作状况。例如，经过多个连续旋转而在电刷处一贯地存在火花可用来指示电刷或环的故障或即将发生的故障。

附图说明

图1为根据本发明的在其上安装有传感器板的滑环总成的轮廓图，经示出为盖经移除以说明内部组件。

图2为贯穿图1的滑环总成的剖面图。

图3为安装于图1中所示出的滑环总成的固定环上的传感器板的部分轮廓图。

图4为图1的传感器板的例示性示意图。

图5为根据本发明的网络的示意图。

图6为根据本发明的状态流程图。

具体实施方式

图1中示出滑环总成100的轮廓图，且图2中示出其剖面图。滑环总成100包括空心圆柱形的壳体102(如图2中所示出)，其在图1中经移除以说明其内部组件。在一些具体实例中，壳体102经配置以将滑环总成100的内部结构与环境密封隔离。参考图1及图2，滑环总成100包括一个或多个导电盘104，其与绝缘盘106沿着轴件108交替地安置。每一导电盘104以典型方式电连接至相应导体，该导体延伸穿过轴件108(未示出)或与轴件108整合在一起。定子110包括轴承112，轴承112可旋转地支撑其中的轴件108。定子110进一步包括电刷114，电刷114可滑动但电接合导电盘104。电刷114电连接至延伸穿过定子110的导体(未示出)，使得一个或多个电通路自定子导体延伸穿过电刷114、穿过导电盘104且穿过轴件108导体，而轴件108相对于定子110旋转，或反之亦然。

轴件108及定子110可由不同结构的总成制成。在所说明的具体实例中，轴件108为空心杆116的总成，空心杆116具有从中穿过延伸的孔118。轮毂120安置于空心杆116的任一端上，且与空心杆116旋转地接合。类似地，定子110包括支撑壳体102及轴承112的轮缘122。如图1中所示出，定子110包括一个或多个细长结构124，其包括螺栓管道126，螺栓管道126容纳有从中穿过的螺栓128以支撑电刷114以及沿滑环总成100的纵轴L用以支撑导电盘104及绝缘盘106的其他结构。关于定子110的导体，电刷114连接至分接头130，分接头130在壳体102内延伸且可用于将导体电连接至电刷114。

在所说明的具体实例中，滑环总成100进一步包括智能型板200，该智能型板200如图3中所示出安装至定子110的轮缘122上，且其包括操作以监测滑环总成100的操作并且提供各种信号至外部源的各种电子组件，如将在下文中描述。智能型板200可利用由电池或可接线至智能型板200的外部电源提供的电力来操作。在图2中所说明的具体实例中，一对导体202连接至相应分接头130，分接头130在滑环总成100的操作期间承载适当的电压，因此内部地向智能型板200供应电力。

图3中示出安装至定子110的端部上的智能型板200的轮廓图，且图4中示出智能型板200的示意图。参考此等图，可看到，智能型板200包括电路板204，其上安装有各种电性及电子组件。在所示出的具体实例中，智能型板200包括磁场传感器(诸如霍尔效应传感器)206，温度与湿度传感器208以及火花传感器210，其在图3中经体现为经配置以感测光辐射的存在及强度的光传感器。也可使用额外传感器并将其安装于电路板204的一侧或另一侧上，此具体取决于传感器类型以及传感器与所监测结构的物理接近度或视线。举例而言，在一个具体实例中，火花传感器210可为适当类型的传感器，其经配置以侦测由电弧引起或由电弧产生或在电弧期间产生的在滑环总成100内所发现的组件及材料的电离或分解，其可在滑环总成100内保持足够长时间以在滑环总成100的密封内部空间内发生火花或电弧之后经侦测到。此类材料可包括在可见、红外或紫外线光谱中发出的闪光、臭氧、氧气、氮氧化物，粉尘及其他者。可用作火花传感器210的传感器的实例包括但不限于城市技术公司的传感器零件编号75-153123130659、安费诺(Amphenol)SGX Sensortech的SGX-4OX、SPEC传感器有限责任公司的传感器零件编号968-041、Sensortech股份有限公司的传感器零件编号SGP30-2.5K，以及其他类似的传感器。火花传感器210可安装于电路板204的面向电刷的侧上。

在所说明的具体实例中，磁场传感器206经配置以与磁体212协作，磁体212安装至绝缘盘106上且经配置以与绝缘盘一起旋转，使得磁体212可在轴件108的每旋转一次经过磁场传感器206附近一次。其他电子组件也可安置至电路板204上。举例而言，在所说明的具体实例中，电路板204进一步包括一个或多个内存装置，诸如FRAM内存、可程序化处理器、功率调节电路、无线信息传输及接收器电路、有线电源和/或信息传输连接器、实时时钟及其类似者。智能电路200进一步包括两个视觉指示器216，在所说明的具体实例中，两个视觉指示器为发光二极管(LED)，其实时提供智能型板200的操作状态的视觉指示，且可从滑环总成100的外部可见。电源线214可通过导管202连接至分接头130(图1)，以提供电力来操作智能电路200的各种传感器及其他电子装置。也可使用用于信息传输，用于接收外部电力及其类似者的额外分接头。

为了促进信号往返智能型板200的无线传输，滑环总成100的端盖110可由诸如塑料的电磁可渗透性材料制成。此外，为了提供对LED216的目视察看，壳体和/或端盖110的部分可由透明、半透明或至少不透明的材料制成。

在图5中示出根据本发明的网络的示意图。在此具体实例中，示出在其上具有智能型板200的滑环总成100。滑环总成100可安装于服务设施中的其他机械上或与其相关联，但为了简化起见，经示出为自其移除。如先前所描述，智能型板200可自滑环总成100的各种内部组件收集并处理信息，该信息指示操作状态和/或滑环总成100的操作状态。此信息可无线地提供作为原始资料、经处理或经筛选的数据、和/或作为关于组件中故障的存在或即将显现的计算结论或估计，如在下文中将描述。此无线信息可作为连续串流或以响应于查询而周期性或间歇地传输的离散封包来提供。该信息可在本地端提供至本地计算机***310，或在远程提供至所使用装置302、蜂巢式网关304、因特网306、云端308及其类似者。

状态流程图在图6中示出以说明用于可程序化控制器的操作方案，该可程序化控制器经包括于智能型板200上且经安置以自各种传感器接收传感器信号，处理那些信号并提供结论或计算结果。在一个具体实例中，可程序化控制器的各种操作是呈计算机可执行指令的形式，该计算机可执行指令储存于内存装置中，且由控制器选择性地撷取及执行以实行各种功能。

参考图6，状态流在开启电源或开始条件或状态开始(402处)。在启动后，控制器可在404处查询固件更新。对于使用最新固件版本的正常操作，在406处，控制器可自诸如F-RAM装置的内存装置读取现有传感器数据。控制器然后可在408处等待数据连接。在此时间期间，LED 216可提供智能板准备好进行连接的视觉指示。

无论是否与另一控制器或网络建立与控制器的数据连接以用于提供数据，控制器都进入操作状态(410处)，该操作状态可包括各种任务及操作。可连续执行此等任务及操作以获取、处理及生成相对于装置的操作数据。当已建立适当的连接时，此数据可储存于内存装置中且从外部提供至网络。在所说明具体实例中，控制器可开始数据采集过程，例如，该数据采集过程包括在412处周期性地(诸如每分钟)检查传感器数据并将其与传感器规格进行比较，以判定传感器是否在其预期参数内操作以作为诊断传感器操作的方式，且也用于从装置(在此状况下为滑环总成100)收集有用数据并将该数据储存在内存装置中。已收集传感器数据，控制器可执行装置的各种功能测试。

功能测试可并行或以任何顺序来实施。在图6中所示出的实例性具体实例中，控制器可首先对滑环总成的一个或多个电刷实施电弧测试(414处)。在电弧测试期间(412处)，控制器可检查照明传感器以及视情况检查诸如臭氧传感器、氮氧化物传感器或其类似者的气体传感器，以判定是否存在照明或其他电弧指示器，其指示电弧的存在以及也指示臭氧或可由电弧产生的另一气体的存在。另外，或代替照明或气体传感器，智能板可进一步包括粉尘传感器，该粉尘传感器判定滑环总成壳体内存在粉尘，此可作为在壳体内操作的电刷或其他机械组件出现降级的指示。当侦测到此等条件中的一个或两个都存在时，即气体和/或粉尘，控制器可监测此等条件重复达预定数目个循环，或滑环总成旋转例如达10个循环。当条件存在达预定数目个周期时，控制器可判定存在故障，且通过网络提供适当的通知信号，且若可供取用，也在装置上提供视觉指示，例如通过照明红色视觉指示器或类似视觉和/或听觉通知，以警告操作装置周围的所有用户。

控制器可在416处通过监测来自温度和/或湿度传感器的信号来进一步在416处执行温度或湿度测试。在一个具体实例中，超过预定温度极限的温度升高可指出滑动结构和摩擦可指示故障。关于湿度，可存在携带流体及电信号的组合装置，该组合装置可正经历泄漏，或可存在传导流体从外部进入，该导电流体已进入装置且可干扰电信号及由此转移的功率。类似于电弧测试，温度和/或湿度的升高存在达预定数目个循环(诸如10个循环)可促使控制器使用信号和/或视觉或听觉警报来发出故障条件。

控制器也可通过监测及计时来自磁场传感器的信号来执行速度测试(418处)，该磁场传感器感测安装至旋转环上的磁体的通过，如先前所描述，以判定装置的旋转速度，例如表示为转数/分钟(RPM)。可比较所判定速度与装置的最大速度极限，且当装置在其设计速度内操作时，绿色指示器可经照明，或在超速情况下红色指示器可经照明。所判定速度也可连续地作为信号以提供于控制器所连接至的网络上。

控制器也可在420处监测装置的剩余设计寿命，例如，通过计数装置在其寿命期间的总转数并比较总转数与装置的设计目标。如先前所描述，可通过使用用以感测与旋转盘相关联的磁体的通过的磁场传感器来获取转数。基于总转数，当转数低于极限时，控制器可照明绿色灯；当转数接近极限时，控制器可照明黄色灯；且当转数超过极限时，控制器可照明红色灯或橙色灯，此可作为需要维修或更换装置的指示。此等指示也可作为信号以提供至控制器所连接至的网络。在422处，可用时间戳来记录由控制器自各种传感器进行失败或不完整的数据采集，以在发生故障的情况下促进故障排除。

本文中所引用的所有参考文献，包括公开案、专利申请案、及专利，都特此以引用方式并入本文中，其程度如同每一参考文献经单独地及具体地指示为以引用方式并入且在本文中以全文进行阐释。

除非本文中另有指示或与上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在权利要求书的上下文中)术语“一(a/an)”以及“该(the)”及“至少一个”以及类似指代对象的使用应解释为涵盖单数及复数两者。除非本文中另有指示或与上下文明显矛盾，否则术语“至少一个”后续接着一系列的一个或多个物项的使用(例如，“A及B中的至少一个”)应解释为意指自所列举物项选择一个物项(A或B)或所列举物项中的两个或多于两个的任意组合(A和B)。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”及“含有”应解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。本文中的数值范围的叙述仅旨在用作单独地指代落入该范围内的每个单独值的速记方法(除非本文中另有指示)，且将每一单独值并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述。除非本文中另有指示或与上下文明显矛盾，否则本文中所描述的所有方法可以任何合适的次序来执行。除非另有主张，否则本文中所提供的任何及所有实例或例示性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示任何未主张元素对于实践本发明必不可少。

本文中描述本发明的较佳具体实例，包括发明者已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读前述说明之后，那些较佳具体实例的变型对于那些熟习此项技术者而言将变得显而易见。发明者期望本领域技术人员适当地采用此类变型，且发明者希望以不同于本文中具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求书中记载的目标物的所有修改及等同物。此外，除非本文中另有指示或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元素在其所有可能变型中的任何组合。

Claims (20)

1.一种滑环总成，其特征在于，包含：

中空圆柱形壳体；

转子，其包括一个或多个导电盘，所述转子安置于所述中空圆柱形壳体内，其中所述一个或多个导电盘中的每一者电连接至延伸穿过轴件的至少一部分的相应导体；

定子，其连接至所述壳体，所述定子包括连接至所述定子的一个或多个电刷，所述一个或多个电刷可滑动地且电性地接合所述转子的所述一个或多个导电盘，其中所述一个或多个电刷电连接至至少部分地延伸穿过所述定子的定子导体；

其中，一个或多个电通路经界定且自所述一个或多个定子导体、所述一个或多个电刷、所述一个或多个导电盘以及所述轴件中的所述相应导体延伸；及

智能板，其连接至所述定子，所述智能板包括电子组件，所述电子组件经配置以监测所述滑环总成的操作并向外部源提供信号；

其中所述智能板电连接至电源并由所述电源供电。

2.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述壳体经配置以使所述转子及所述定子与环境隔离。

3.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述一个或多个导电盘沿着所述轴件安置以形成堆栈，且所述滑环总成包含与所述堆栈中的所述一个或多个导电盘交替安置的一个或多个绝缘盘。

4.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述电源为以下中的至少一者：安置在所述智能板上的电池，由与所述定子导体中的至少一者连接的导体所提供的电力，以及由连接在所述智能板与在所述壳体的外部的电源之间的导体所提供的电力。

5.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，进一步包含连接至所述定子的轴承，所述轴承将所述轴件可旋转地支撑在所述中空圆柱形壳体内。

6.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述智能板的所述电子组件包括多个传感器，所述多个传感器经配置以监测所述电刷的操作。

7.如权利要求6所述的滑环总成，其特征在于，所述多个传感器包括磁场传感器、温度传感器、湿度传感器、粉尘传感器及火花传感器。

8.如权利要求7所述的滑环总成，其特征在于，所述火花传感器为光传感器，其经配置以感测在所述一个或多个电刷中的一者处经发射作为电弧的光辐射的存在及强度。

9.如权利要求7所述的滑环总成，其特征在于，所述火花传感器为气体传感器，其经配置以感测臭氧及氮氧化物中的至少一者在所述壳体内的存在。

10.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述智能板的所述电子组件包括一个或多个内存装置、可程序化处理器、功率调节电路、无线信息传输电路及无线信息接收器电路。

11.如权利要求10所述的滑环总成，其特征在于，所述智能板的所述电子组件进一步包括与所述可程序化处理器相关联的两个视觉指示器，所述两个视觉指示器经配置以响应于来自所述可程序化处理器的信号而操作以提供视觉信息。

12.如权利要求1所述的滑环总成，其特征在于，所述壳体包括端盖，且所述端盖由电磁可渗透材料制成。

13.一种用于操作滑环总成的方法，其特征在于，包含：

提供具有导电盘的转子，所述导电盘电连接至至少部分地沿着所述转子的轴件安置的转子导体；

提供具有电刷的定子，所述电刷与所述导电盘电性地且可滑动地接合，所述电刷电连接至至少部分地沿着所述定子安置的定子导体；

提供其上具有包括传感器的电子组件的智能板，所述智能板与所述定子相关联且电连接至电力导体，且由所述电力导体供电，所述电力导体相对于所述滑环总成在内部或外部地与所述定子导体电性地相关联；

通过以下方式使用所述智能板来诊断所述滑环总成的工作状态：

起始所述滑环总成的开启电源条件；

在所述智能板与外部源之间建立数据连接；

使用所述定子上的视觉显示以提供所述智能板的数据连接状态的视觉指示；

自所述传感器获取传感器资料；

比较所述传感器数据与规格；及

基于所述传感器数据与所述规格的比较来诊断所述滑环总成。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，获取传感器数据包括自光传感器获取是否侦测到闪光的指示，及将所述闪光的侦测诊断为在所述电刷中的一者处存在电弧。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，获取传感器数据包括自气体传感器获取侦测到气体的存在的指示，及将所述气体的所述存在诊断为在所述电刷中的一者处存在电弧。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述气体为臭氧及氮氧化物中的一者。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，获取传感器数据包括自温度传感器获取升高温度的指示，及将所述升高温度诊断为由所述转子或定子中的故障所导致的摩擦的指示。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包含在所述转子上提供磁体，其中获取传感器数据包括感测所述磁体与磁场传感器的接近度，及将所述磁体与所述磁场传感器的所述接近度处理作为所述转子相对于所述定子的旋转的指示。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包含使用可程序化控制器来：

基于来自所述磁场传感器的信号以计算所述转子相对于所述定子的旋转速度，

比较所述旋转速度与最大旋转速度，

当所述旋转速度低于所述最大旋转速度时，使用安置于所述智能板上的照明装置来提供第一视觉指示，及

当所述旋转速度超过所述最大旋转速度时，提供第二视觉指示。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包含使用所述可程序化控制器来：

基于来自所述磁场传感器的信号以计数所述转子的转数，

比较所述转数与所述滑环总成的使用寿命，将所述使用寿命表示为最大转数；

当所述转数低于所述使用寿命时，使用所述照明装置来提供第三视觉指示，及

当所述转数超过所述使用寿命时，使用所述照明装置来提供第四视觉指示。

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