一種液態(tài)金屬高速旋轉電連接器及其設計方法與流程

本發(fā)明涉及一種旋轉電連接器，尤其是涉及一種液態(tài)金屬高速旋轉電連接器及其設計方法。

背景技術：

旋轉電連接器是其輸入端和輸出端可繞公共軸轉動，并能保證電路連接的連接器，通常應用在汽車轉向裝置、深井鉆機、cnc床等設備中。在旋轉連接器中，最為常見的形式是機械結構式，即通過固定外筒體和具有內筒體的可轉動體同軸配置，并將帶狀電纜容納并卷繞在這些外筒體和內筒體之間劃分出的容納空間內，來實現旋轉電路連接的。這種旋轉連接器用作汽車的轉向裝置那樣旋轉數有限的把手上所安裝的安全氣囊充氣機等的電連接單元。上述帶狀電纜是絕緣膜中承載有導體的帶狀體，常見的有將該帶狀電纜卷繞成螺旋狀的螺旋型和在中途反轉并卷繞的反轉型，但后者的反轉型能夠顯著縮短帶狀電纜的長度，在一定程度上縮小了旋轉連接器的尺寸。

現有技術的主要旋轉電路連接器主要靠帶狀電纜或軸瓦的同軸布置，但這種形式造成電連接器內部電纜和軸瓦在通電狀況下不斷摩擦，這樣極易發(fā)熱，產生電火花，嚴重影響電連接器的性能，并可能產生危險事故的發(fā)生。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種液態(tài)金屬高速旋轉電連接器及其設計方法，以解決現有的機械結構式電連接器連接不可靠、對工作環(huán)境要求較多的問題。

為了實現上述的目的，采用如下的技術方案。一種液態(tài)金屬高速旋轉電連接器，包括外殼、輸出端端蓋、輸入端端蓋、電轉子和液態(tài)金屬，所述輸出端端蓋和輸入端端蓋設置在所述外殼兩端，所述輸出端端蓋設置有輸出端子，所述輸入端端蓋設置有通孔，所述電轉子設置在所述外殼內，所述電轉子一端設置有輸入端子從所述輸入端端蓋的通孔穿出，所述電轉子另一端與所述外殼、輸出端端蓋之間形成內腔，所述液態(tài)金屬設置在所述內腔里。外殼作為旋轉連接器的主體，其主要作用是外部固定和支撐作用。輸出端端蓋用于輸出電流。輸入端端蓋主要用于固定電轉子，并與外殼、輸出端端蓋形成閉合空間。電轉子主要承擔旋轉電連接器的旋轉動作，并將外部電流傳遞到輸出端。液態(tài)金屬主要用于潤滑電轉子與輸出端子之間的相對轉動，并將電流從電轉子傳遞到輸出端子。電流從電轉子的輸入端子進入，經過液態(tài)金屬后從輸出端端蓋的輸出端子輸出。

所述外殼設置有密封永磁鐵，所述密封永磁鐵設置在所述外殼內壁，位于所述外殼內壁與所述電轉子外壁之間。密封永磁鐵用于防止內部液態(tài)金屬在輸入端端蓋與外殼連接處的泄露。

所述密封永磁鐵與所述電轉子之間設置有0.02至0.2毫米的間隙，所述間隙內設置有磁流體。磁流體主要用于密封液態(tài)金屬，提高了密封性，主要利用了磁流體在磁場作用下的磁粘性增大的特性，對于水基磁流體來講，永磁鐵的磁場強度應大于0.1t（特斯拉）。常用的材料有釹鐵硼永磁鐵、鐵氧體永磁鐵。

所述液態(tài)金屬為鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金或鎵銦錫鋅合金?？筛鶕唧w使用溫度進行選擇，鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金的液相線分別為29.78、25.0、10.7、7.6，固相線29.78、15.7、10.7、6.5（單位：攝氏度）。

所述磁流體為感溫絕緣磁性流體，所述感溫絕緣磁流體為水基、油基、酯基或氟醚油磁流體。選用時綜合考慮流體粘度、壓力和經濟性來選擇不同磁化強度的磁流體，磁化強度越高，磁流體固體特性越明顯。

所述外殼為不導電材料，所述輸出端端蓋的輸出端子為除鋁以外的導電材料，所述電轉子為整體采用除鋁以外的導電材料，或在高分子硬質材料中嵌入除鋁以外的導電材料芯棒。鋁除外，是因為鋁與鎵會產生化學反應。

一種液態(tài)金屬高速旋轉電連接器的設計方法，包括以下步驟：

s1設計電轉子直徑d1、輸出端子直徑d2以及電極最小安全許用直徑dmin；

s2根據電轉子直徑d1設計外殼，外殼采用不導電材料；

s3根據外殼尺寸設計輸入端端蓋和輸出端端蓋；

s4將輸出端端蓋安裝在外殼上；

s5將液態(tài)金屬進行低溫固化，放入電轉子與輸出端端蓋之間的內腔中，將電轉子安裝配合；

s6安裝輸入端端蓋。

步驟s2還包括：在外殼內壁開設密封永磁鐵安裝槽。

步驟s6先將密封永磁鐵安裝在密封永磁鐵安裝槽內，在密封永磁鐵與電轉子之間注入磁流體，再安裝輸入端端蓋。

步驟s5將電轉子安裝配合后，電轉子與輸出端子之間的間距w的取值范圍為w>200μm。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）本發(fā)明結構簡單，設計緊湊，各部分相對獨立，方便維護和檢修；（2）本發(fā)明具有良好互換性、可以實現模塊化、系列化和快速設計；（3）本發(fā)明對工作環(huán)境無特殊要求，能夠適應各種特殊環(huán)境；（4）本發(fā)明利用液態(tài)金屬與其它金屬接觸角較大，因此可以適應高速旋轉；（5）本發(fā)明對連接段的長度尺寸無特殊要求，可以做的很小，電轉子和輸出端子之間的縫隙可以小到200μm。

與現有技術相比，本發(fā)明結構緊湊，無響應遲滯效應，磨損量極其小，具有結構簡單，加工成本較低，同時本發(fā)明設計有磁流體密封，可應用于灰塵、水下等極端環(huán)境，極大地提高了電連接器的響應速度、穩(wěn)定性、可靠性、經濟性和使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剖視結構立體示意圖；

圖2為本發(fā)明的剖視結構平面示意圖；

圖3為本發(fā)明的外殼的剖視圖；

圖4為本發(fā)明的輸出端端蓋的剖視圖；

圖5為本發(fā)明的輸入端端蓋的剖視圖；

圖6為本發(fā)明的電轉子的剖視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

本發(fā)明的結構如圖1、圖2所示，包括外殼1、輸出端端蓋2、輸入端端蓋3、電轉子4和液態(tài)金屬。外殼1的結構如圖3所示，輸出端端蓋2和輸入端端蓋3設置在外殼1兩端,。如圖4所示，輸出端端蓋2設置有輸出端子21。如圖5所示，輸入端端蓋3設置有通孔31。電轉子4設置在外殼1內，如圖6所示，電轉子4一端設置有輸入端子41，從輸入端端蓋3的通孔31穿出，電轉子4另一端與外殼1、輸出端端蓋2之間形成內腔5，液態(tài)金屬設置在內腔5里。

外殼1設置有密封永磁鐵11，密封永磁鐵11設置在外殼1內壁，位于外殼1內壁與電轉子4外壁之間。密封永磁鐵11與電轉子4之間設置有0.02至0.2毫米的間隙，間隙內設置有磁流體。

液態(tài)金屬為鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金或鎵銦錫鋅合金。磁流體為感溫絕緣磁性流體，感溫絕緣磁流體為水基、油基、酯基或氟醚油磁流體。外殼1為不導電材料，輸出端端蓋2的輸出端子21為除鋁以外的導電材料，電轉子4為整體采用除鋁以外的導電材料，或在高分子硬質材料中嵌入除鋁以外的導電材料芯棒。

本發(fā)明的電連接器，可以根據不同的實際需求進行快速設計，包括以下步驟：

第一步：根據液態(tài)金屬的物理化學性質選用不同基質的絕緣磁流體，一般常用感溫絕緣磁流體，因為感溫絕緣磁流體混合液具有良好的散熱性，常用的感溫絕緣磁流體有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流體，選用時綜合考慮實驗流體粘度和經濟性來選擇不同磁化強度的磁流體；

第二步：根據電連接器需求（電壓電流轉速）設計電轉子直徑d1、輸出端子直徑d2以及電極最小安全許用直徑dmin，如果電轉子整體用導電材料，則其最小直徑d1應該略大于輸出端子直徑d2，電轉子中導電材料的最小直徑d11和輸出端子直徑d2都要大于電極最小安全許用直徑dmin；

第三步：根據電轉子直徑設計外殼，在外殼內壁開設密封永磁鐵安裝槽，外殼必須采用不導電材料；

第四步：根據外殼尺寸設計輸入端端蓋、端蓋密封永磁鐵、輸出端端蓋；

第五步：低溫固化液態(tài)金屬（最好在注塑模中固化），將其放入電轉子與輸出端端蓋之間，將電轉子安裝配合，電轉子與輸出端子之間的間距w的取值范圍為w>200μm；

第六步：安裝端蓋密封永磁鐵，將磁流體注入至端蓋密封永磁鐵于電轉子之間，安裝輸入端端蓋并密封；

第七步：在初次裝配后，需要進行通電實驗，保證裝配的有效性。