CN114498227A - 一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，包括镓基液态金属、电解质溶液、定子、转子、定子电极、转子电极和滚珠轴承；定子电极和转子电极分别安装在定子和转子上，转子通过滚珠轴承安装在定子上，转子和定子可以相对转动，定子电极与转子电极之间有一定间隙，填充有镓基液态金属和电解质溶液，将定子电极和转子电极表面电润湿上镓基液态金属处理后，镓基液态金属黏附在定子电极和转子电极的表面。定子和转子发生相对转动时，定子电极与转子电极间的镓基液态金属会产生滑移，实现转子与定子之间电路连通；由于镓基液态金属具有流体特性，使得转子与定子之间的转动只有极小粘滞阻力，具有导电可靠、结构简单、旋转阻力小的特点。
Description
本案是以申请日为2020.04.08，申请号为202010267668.8，名称为《一种基于镓基液态金属的导电滑环》的专利申请为母案的分案申请。
技术领域
本发明属于机电技术领域，涉及一种导电滑环设备，具体为一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，能够实现固定部件与滚动或滑动部件之间在极小摩擦力情况下的可靠的信号和能量传递装置。
背景技术
在机电设备特别是电机中，存在着诸多运动器件与静止器件间需要传递能源，信号等需求。尤其是机械设备做旋转运动时，机械设备上的还需要多元运动，例如旋转设备上还有另一个电机需要保持运转，这些多元运动就需要能源或控制信号等，这时就需要通过旋转连通装置外接电源或者信号源来保证旋转运动机械设备上的多元运动。导电滑环一般利用滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定部件与转动部件或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电设备，其广泛用于要求无限制、连续或断续360°旋转的机电***，避免了导线在旋转过程中造成的扭伤扭断。常见的滑动接触滑环整体需要依靠弹力搭接原理使定子与转子完成电路连通，弹力过大会引起严重的滑动摩擦，不仅增大了滑环的转动阻力，同时也大大减少了滑环的使用寿命；若弹力过小又会导致接触不良，影响滑环的导电性。另一类的以水银为流体介质的水银滑环具有寿命长阻力小的特点，但是由于水银对人体具有毒性，并且易于挥发，这使得水银滑环需要复杂的密封结构，限制了水银滑环的使用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，为全新的实现固定部件与转动部件或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电设备，解决上述滑动接触导电滑环的现有技术存在的问题，减小了导电滑环的旋转阻力，提高导电滑环的使用寿命与导电稳定性，对镓基液态金属的应用研究亦具有重要的意义。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，包括：镓基液态金属、电解质溶液、定子、转子、定子电极、转子电极和滚珠轴承；所述基于镓基液态金属的导电滑环包括水平平面旋转的导电滑环和垂直平面旋转的导电滑环；转子通过滚珠轴承安装在定子上，并能自由旋转，定子电极和转子电极分别装配在定子和转子上；定子电极与转子电极之间留有间隙，间隙距离可调，用于填充镓基液态金属与电解质溶液，通过将定子电极和转子电极表面进行电润湿处理后，镓基液态金属会黏附在转子电极和定子电极表面；定子和转子发生相对转动时，定子电极与转子电极间的镓基液态金属就会产生滑移，实现转子与定子之间的电路连通；同时由于镓基液态金属具有流体特性，使得转子与定子之间的转动只有的粘滞阻力；电解质溶液保持镓基液态金属表面湿润，阻止镓基液态金属表面氧化，增加镓基液态金属的流动性，减少导电滑环转动的阻力。
对于水平平面旋转导电滑环，所述定子形状为环形水槽，环形水槽底部装配有定子电极；环形水槽内装有镓基液态金属与电解质溶液，其中定子的环形水槽的个数随工作所需通路的数量进行增加或减少。如工作需求两个通路，定子水槽的个数增加为两个同心的环形水槽。
定子电极的形状为环形铜片，固定在定子的环形水槽底部；定子电极材料为铜或铜合金材料，其中定子电极的个数并不固定，根据工作需求可调，如工作所需通路为两个，则定子电极个数增加为两个。所述转子形状为中间带有转轴的管状结构，转子的管状结构的底部装配转子电极，其中转子上的管状结构的个数不固定，根据工作需求可调。如工作所需通路为两个，则转子上的管状结构的个数增加为两个，两个管状结构呈同心圆布置；所述转子电极的形状为环形铜片，固定在转子的管状结构的底部，转子电极材料为铜或者铜合金材料，其中转子电极的个数并不固定，根据工作需求可调。如工作所需通路为两个，则转子电极个数可以增加为两个。
对于垂直平面旋转的导电滑环，所述定子形状为轴线水平放置的圆柱形水槽，圆柱形水槽内壁装有定子电极；圆柱形水槽内填充有镓基液态金属与电解质溶液，其中定子的圆柱形水槽内部的隔间个数随工作所需通路的数量进行增加或减少。如工作需求两个通路，定子的圆柱形水槽内部增加一个隔间，形成两个圆柱形的隔间；所述定子电极的形状为圆管状，固定在定子圆柱形水槽的内壁；定子电极材料为铜或铜合金材料，其中定子电极的个数并不固定，根据工作需求可调，如工作所需通路为两个，则定子电极个数可以增加为两个；所述转子形状为中间带有转轴的圆盘结构，转子的圆盘的侧边装配有转子电极，其中转子上的圆盘结构的个数不固定，根据工作需求可调。如工作所需通路为两个，则转子上的圆盘结构的个数增加为两个，两个圆盘结构延转轴轴线布置；所述转子电极的形状为圆管状，固定在转子的圆盘的侧边，转子电极材料为铜或者铜合金材料，其中转子电极的个数并不固定，根据工作需求可调。如工作所需通路为两个，则转子电极个数可以增加为两个。
所述定子电极及转子电极表面需电润湿，将镓基液态金属附着在铜电极表面，用于提高镓基液态金属导电滑环的导电可靠性。
所述镓基液态金属为镓铟合金和镓铟锡合金。
所述镓基液态金属的导电滑环的定子电极和转子电极间需注有电解质溶液，例如氢氧化钠溶液，用于保持镓基液态金属表面湿润，阻止镓基液态金属表面氧化，增加镓基液态金属的流动性，减少导电滑环转动的阻力。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明涉及两种基于镓基液态金属的导电滑环，分别为基于镓基液态金属的水平平面旋转导电滑环和基于镓基液态金属的垂直平面旋转导电滑环；其中这两种导电滑环都包括镓基液态金属、电解质溶液、定子、转子、定子电极、转子电极、滚珠轴承；定子电极和转子电极分别安装在定子和转子上，转子通过滚珠轴承安装在定子上，转子和定子可以相对转动，其中定子电极与转子电极之间有一定间隙，填充有镓基液态金属和电解质溶液。镓基液态金属具有优良的导电性，同时还是具有流体的特性。通过将定子电极和转子电极表面进行电润湿处理后，镓基液态金属会黏附在电极表面。定子和转子发生相对转动时，定子电极与转子电极间的镓基液态金属就会产生滑移，实现转子与定子之间的电路连通；同时由于镓基液态金属具有流体特性，使得转子与定子之间的转动只有极小的粘滞阻力。本发明中的镓基液态金属导电滑环具有导电可靠、结构简单、旋转阻力小的特点，很好的满足从固定位置到旋转位置的连续供电或信号传递。
(2)镓基液态金属具有优良的导电性，同时还是具有流体的特性。将定子电极和转子电极表面进行电润湿处理后，镓基液态金属会黏附在电极表面。定子和转子发生相对转动时，定子电极与转子电极间的液态金属就会滑移，实现转子与定子之间的电路连通；同时由于镓基液态金属具有流体特性，使得转子与定子之间的转动只有极小的粘滞阻力。因此本发明镓基液态金属的导电滑环具有导电可靠、结构简单、旋转阻力小的特点，很好的满足从固定位置到旋转位置的连续供电或信号传递。
(3)相较于汞，镓基液态金属(例如镓铟合金和镓铟锡合金)不仅具有极低的蒸发压和低毒性，同时还保持有低熔点、良好的导电性、出色的流动性等特点，这些特性使得镓基液态金属成为导电滑环的完美的流体介质。镓基液态金属导电滑环无需复杂的密封结构，相较水银滑环结构更为简单，更为安全，同时导电电极经过电润湿处理后，镓基液态金属会吸附在导电电极的表面，使得镓基液态金属导电滑环具有更可靠的导电稳定性，又比滑动接触导电滑环具有更小的滑动阻力。
(4)本发明采用镓基液态金属导电性设计而成，使的导电滑环具有无毒，低阻，耐磨损，使用寿命长的特点。
(5)本发明通过电润湿将镓基液态金属黏附在电极表面，使得导电滑环的电学特性更为稳定且发生运动的部分是镓基液态金属内部的流动，阻力极小。
(6)本发明结构简单，易于加工制造，无需复杂的密封设计。
附图说明
图1为本发明一种基于镓基液态金属的水平平面旋转导电滑环的结构剖视图；
图2为本发明一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环的结构剖视图。
其中：定子1，转子电极2，第一滚珠轴承3，镓基液态金属4，转子5，定子电极6，第二滚珠轴承7。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1以及图2，本发明公开了两种基于镓基液态金属的导电滑环，即水平平面旋转导电滑环和垂直平面旋转的导电滑环包括定子1、第一滚珠轴承3、第二滚珠轴承7、转子电极2、镓基液态金属4、定子电极6，转子5。其中，基于镓基液态金属的水平旋转导电滑环中的转子电极2为环状铜片，固定在转子5的管状结构的底部。基于镓基液态金属的垂直旋转导电滑环的转子电极2为圆管状结构，固定在转子5带有转轴的圆盘结构的圆盘侧边。
基于镓基液态金属的水平旋转导电滑环中的定子电极6为环状铜片，固定在定子1的环形水槽底部。基于镓基液态金属的垂直旋转导电滑环的定子电极6为圆管状结构，固定在定子1的圆柱形水槽的圆柱形内壁上。
转子5通过第一滚珠轴承3和第二滚珠轴承7固定在定子1上，并可自由旋转。
定子电极6与转子电极2间留有一定间隙用于存储镓基液态金属与电解质溶液。
定子1的水槽内需加入适量电解质溶液，用于防止液态金属表面形成氧化膜进而降低导电滑环的导电性及增大导电滑环的旋转阻力。
导电滑环在装配前，需将定子电极6及转子电极2表面进行电润湿，让镓基液态金属黏附在定子电极6和转子电极2的表面，此操作可以大大提高导电滑环的导电性与减低导电滑环的旋转阻力。
在基于镓基液态金属的水平旋转导电滑环中，转子电极2为环状铜片，固定在转子5的管状结构的底部。定子电极6为环状铜片，固定在定子1的环形水槽底部。
在基于镓基液态金属的垂直旋转导电滑环中，转子电极2为圆管状结构，固定在转子5带有转轴的圆盘结构的圆盘侧边。定子电极6为圆管状结构，固定在定子1的圆柱形水槽的圆柱形内壁上。导电滑环在装配前，需将定子电极6及转子电极2表面进行电润湿，让镓基液态金属黏附在定子电极6及转子电极2表面，此操作可以大大提高导电滑环的导电性与减低导电滑环的旋转阻力。转子5通过第一滚珠轴承3与第二滚珠轴承7，固定在定子1上，并可自由旋转。定子电极6与转子电极2间留有一定间隙用于存储镓基液态金属。利用镓基液态金属4的导电性与流体特性，转子5和定子1之间相对运动时，镓基液态金属4内部会产生流动，这样即实现了转子5和定子1之间相对运动，又保持定子电极6与转子电极2定子1的电路连通。另外，定子1的水槽内需加入适量电解质溶液，用于防止镓基液态金属表面形成氧化膜进而降低导电滑环的导电性及增大导电滑环的旋转阻力。本发明的导电滑环内的定子，转子，电极形状，尺寸，材料，数量均可根据具体工作需求进行调整。例如凡是能够满足转子、转子电极在定子内部旋转的功能，存储镓基液态金属与电解质溶液功能的转子、定子形状；具备可安装在定子水槽内，保证转子电极与定子电极之间留有间隙并，与填充在定子水槽内的镓基液态金属紧密接触的特征的定子电极形状，皆视为都属于本发明权利要求范围之内，在此基础上进行的修改替换等皆视为工作需求可调。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于，包括：镓基液态金属、电解质溶液、定子、转子、定子电极、转子电极和滚珠轴承；所述导电滑环为垂直平面旋转的导电滑环；转子通过滚珠轴承安装在定子上，并能自由旋转，定子电极和转子电极分别装配在定子和转子上；定子电极与转子电极之间留有间隙，间隙距离可调，用于填充镓基液态金属与电解质溶液，通过将定子电极和转子电极表面进行电润湿处理后，镓基液态金属会黏附在定子电极和转子电极表面；定子和转子发生相对转动时，定子电极与转子电极间的镓基液态金属就会产生滑移，实现转子与定子之间的电路连通；同时由于镓基液态金属具有流体特性，使得转子与定子之间的转动只有粘滞阻力；电解质溶液保持镓基液态金属表面湿润，阻止镓基液态金属表面氧化，增加镓基液态金属的流动性，减少导电滑环转动的阻力。
2.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述定子形状为轴线水平放置的圆柱形水槽，圆柱形水槽内壁装有定子电极；圆柱形水槽内填充有镓基液态金属与电解质溶液，其中定子的圆柱形水槽内部的隔间个数随工作所需通路的数量进行增加或减少。
3.根据权利要求2所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述定子电极的形状为圆管状，固定在定子圆柱形水槽的内壁；定子电极材料为铜或铜合金材料，其中定子电极的个数根据工作需求可调。
4.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述转子形状为中间带有转轴的圆盘结构，转子的圆盘的侧边装配有转子电极，其中转子上的圆盘结构的个数根据工作需求可调。
5.根据权利要求4所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述转子电极的形状为圆管状，固定在转子的圆盘的侧边，转子电极材料为铜或者铜合金材料，其中转子电极的个数根据工作需求可调。
6.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述定子电极及转子电极表面需电润湿，将镓基液态金属附着在转子电极和定子电极的表面，用于提高镓基液态金属导电滑环的导电可靠性。
7.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述镓基液态金属为镓铟合金和镓铟锡合金。
8.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属的垂直平面旋转的导电滑环，其特征在于：所述镓基液态金属的导电滑环的定子电极和转子电极间注有电解质溶液，例如氢氧化钠溶液，用于保持镓基液态金属表面湿润，阻止镓基液态金属表面氧化，增加镓基液态金属的流动性，减少导电滑环转动的阻力。
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