一种电传输旋转关节的制作方法

本发明涉及一种电传输旋转关节，用于载人空间站，太阳能空间发电站等超大功率使用场合，属于空间滚动导电环技术领域。

背景技术：

空间大功率旋转电传输主要有滑环和滚环两种方案。滚环由于滚子数量多，接触电阻小，摩擦力矩小等优点适合于载人空间站，太阳能空间发电站等超大功率使用场合。

现有滚环结构保持架采用惰轮方案，相邻柔性环之间通过惰轮间隔。为支撑惰轮装置，内环设置有与其固定连接的轨道结构，柔性环与惰轮、惰轮与轨道之间均滚动接触，圆周方向要求柔性环与惰轮紧密相连，成一个整圈。因此各柔性环设计、加工、制造难度大，合格率低，承载能力差。此外，一般滚环引出线方案采用宇航常规导线，电阻大，线束散热困难、耐压不能满足特点要求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种电传输旋转关节，面向太空发电站在轨验证任务研制mw级导电旋转关节，解决超大传输功率、超高工作电压5000v、100nm大力矩驱动和高结构刚度强度需求。

本发明的技术解决方案是：一种电传输旋转关节，该旋转关节包括主轴、壳体、电机、齿圈、n个导电滚环组，n大于等于1；

电机驱动齿圈旋转，齿圈与壳体固定连接，齿圈带动壳体旋转，使得壳体为转动部分，主轴位于壳体内部，两端通过角接触轴承与壳体连接，主轴与卫星本体上的固定部件连接，为固定部分，n个导电滚环组并列位于壳体和主轴之间，用于实现外转子、内固定的电传输结构。

所述主轴为中空结构。

所述每个导电滚环组包括m个并列的滚环，每个滚环又包括内环、外环、保持架和l个柔性环，l个柔性环在保持架的支撑下位于内环和外环之间，用于实现内环和外环之间的电联通，内环与主轴固定，外环与壳体固定；外环的引出线与太阳电池阵串联；内环的引出线与航天器内部用电负载连接，m大于等于1，l大于等于1。

所述外环引出线和内环引出线均采用刚性铜棒外套绝缘套筒制成。

所述绝缘套筒采用聚酰亚胺材料制成。

所述滚环组包括外环的外周沿轴向设有环形槽，外环引出线从外环的环形槽平行于外环轴线伸出，m个滚环的外环引出线周向均布在滚环组件外侧；

所述内环的内周沿轴向设有环形槽，内环引出线从内环环形槽平行于内环轴线伸出，m个滚环的内环引出线周向均布在滚环组件内侧。

所述外环和内环的环形槽内部均填充导热绝缘环胶。

所述滚环的外环和内环周向相对的位置包括两个平行的滚道，每个滚道内圆周均布l个柔性环，共2l个柔性环，内环还开有第三个滚道，记为支撑滚道，位于两个柔性环滚道中间，所述保持架为环状结构，该环状结构沿轴向每隔一弧段朝相反的方向交替形成共l个凹槽结构，保持架上还装有l个支撑轴承和2l个间隔轴承，l个支撑轴承安装在凹槽结构处，所述支撑轴承内套圈采用销轴固定在保持架凹槽结构上，支撑轴承外套圈固定在滚环内环对应支撑槽内；间隔轴承则分别固定安装在两个相反方向凹槽结构中间的弧段上用于限制其外侧的柔性环圆周方向不能任意滚动，在滚环转动工作中，多个柔性环绕绕中心轴做行星滚动，同一滚道多个柔性环公转速度不完全一致；转动快的柔性环内侧推动间隔轴承外套圈，转动慢的柔性环内侧被间隔轴承外套圈推动，通过上述侧相互作用，实现柔性环间隔作用，防止同一滚道内柔性环相互碰撞而导致的严重磨损。

每个间隔轴承与柔性环一一对应，轴承宽度方向尺寸、位置与柔性环宽度方向尺寸、位置对应。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明整机壳体和主轴采用两端各两套角接触轴承连接，轴两端与卫星连接，为固定部分，壳体与太阳电池阵连接，为转动部分：这种主轴固定，壳体转动的方式可以实现多个滚环(即旋转关节)串联，多个太阳电池阵串联，尤其适用于大型航天器，如空间太阳能电站；

(2)、本发明采用刚性铜棒引出线并设计绝缘套筒结构可解决高电压、超大功率传输过程中发热大，散热困难，耐压不满足国军标等问题。

(3)、本发明设计了一种全新柔性环支撑保持架结构方案，工艺性好，抗力学性能好，解决以往惰轮方案加工制造难度大，工艺性差的问题。

附图说明

图1为本发明实施例电传输旋转关节整体结构；

图2(a)为本发明实施例滚环组(环体组件)多个滚环组装整体结构；

图2(b)为本发明实施例滚环组(环体组件)截面图；

图3为本发明实施例保持架组件结构；

图4为本发明实施例滚环的局部剖面放大图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种电传输旋转关节，该电传输旋转关节包括主轴、壳体、电机、齿圈、n个导电滚环组，n大于等于1。

电机驱动齿圈旋转，齿圈与壳体固定连接，齿圈带动壳体旋转，使得壳体为转动部分，主轴位于壳体内部，壳体和主轴采用两端各两套角接触轴承连接，轴两端与卫星本体上的固定部件连接，为固定部分，n个导电滚环组并列位于壳体和主轴之间，用于实现外转子、内固定的电传输结构。这种主轴固定，壳体转动的方式可以实现多个滚环(即旋转关节)串联，多个太阳电池阵串联，尤其适用于大型航天器，如空间太阳能电站。

优选地，所述主轴为中空结构。主轴的中空空间可用于航天器安装传输电缆，尤其适用于大型串联航天器结构。中空轴两端可以与空间电站系统的桁架结构相连。

上述驱动采用大齿圈加偏置电机的布局结构，实现驱动与电传输模块化设计。

如图2(a)和图2(b)所示，所述每个导电滚环组包括m个并联的滚环，每个滚环又包括内环、外环、保持架和l个柔性环，l个柔性环在保持架的支撑下位于内环和外环之间，用于实现内环和外环之间的电联通，内环与主轴固定，外环与壳体固定；外环的引出线与太阳电池阵串联；内环的引出线与航天器内部用电负载连接，m大于等于1，l大于等于1。

所述外环引出线和内环引出线均采用刚性铜棒外套绝缘套筒制成。导体结构可根据产品布局进行定制，单根刚性铜棒比常规导线导体截面积更大，减小引出线电阻，减小发热；所述绝缘套筒采用聚酰亚胺材料制成，绝缘强度大，便于实现高压应用。

所述滚环组包括外环的外周沿轴向设有环形槽，外环引出线从外环的环形槽平行于外环轴线伸出，m个滚环的外环引出线周向均布在滚环组件外侧；

内环的内周沿轴向设有环形槽，内环引出线从内环环形槽平行于内环轴线伸出，m个滚环的内环引出线周向均布在滚环组件内侧。圆周分布的引出线减少线束集中，增加散热面积。

优选地，外环和内环的环形槽内部均填充导热绝缘环胶，进一步增强导线间绝缘性能，并可以作为引出线的辅助支撑，提高抗力学性能。

上述滚环转动和固定部分之间采用柔性环实现电流和功率传输。为降接触电阻，降低发热，提高电传输可靠性，应尽量增加柔滚环数量。在滚环转动工作中，多个柔性环绕绕中心轴做行星滚动。由于实际过程中的存在误差和滑动，连续运行过程中柔性环最终会互相碰撞、干涉而引起严重磨损。需要设计保持架对其进行间隔固定。

当前nasa、国内八院、五院等单位的滚环保持架有不同的间隔方案。但存在工艺性差、重量大等问题。根据上述需求，本发明设计了包括新型柔性滚子间隔装置的滚环，实现滚子间隔的同时解决了保持架支撑，保持架刚度以及工艺性等问题。

如图3和图4所示，所述滚环的外环和内环周向相对的位置包括两个平行的滚道，每个滚道内圆周均布l个柔性环，共2l个柔性环，柔性环安装在内外环的滚道之间，实现电联通。内环还开有第三个滚道，记为支撑滚道，位于两个柔性环滚道中间，保持架组件安装在中间滚道上。新型金属保持架对柔性滚子进行间隔，并采用不同规格微型轴承对保持架及柔性环进行支撑。保持架圆周方向采用异形环状结构，受力均匀，降低环体厚度，有效减少整机重量。该异形环状结构沿轴向每隔一弧段朝相反的方向交替形成共l个凹槽结构，保持架上还装有l个支撑轴承和2l个间隔轴承，l个支撑轴承安装在凹槽结构处，所述支撑轴承内套圈采用销轴固定在保持架凹槽结构上，支撑轴承外套圈固定在滚环内环对应支撑槽内，支撑轴承实现保持架固定、支撑，在振动冲击等恶劣力学环境下，保持架的惯性力通过支撑轴承传递到滚环内环及主轴上，保护柔性环不受力；间隔轴承则分别固定安装在两个相反方向凹槽结构中间的弧段上用于限制其外侧的柔性环圆周方向不能任意滚动，在滚环转动工作中，多个柔性环绕绕中心轴做行星滚动，同一滚道多个柔性环公转速度不完全一致；转动快的柔性环内侧推动间隔轴承外套圈，转动慢的柔性环内侧被间隔轴承外套圈推动，通过上述侧相互作用，实现柔性环间隔作用，防止同一滚道内柔性环相互碰撞而导致的严重磨损。

每个间隔轴承与柔性环一一对应，轴承宽度方向尺寸、位置与柔性环宽度方向尺寸、位置对应。在实际工作时，滚环连续转动，同一滚道多个柔性环公转速度不完全一致；转动快的柔性环内侧推动间隔轴承外套圈，转动慢的柔性环内侧被间隔轴承外套圈推动，通过上述侧相互作用，实现柔性环间隔作用，防止同一滚道内柔性环相互碰撞而导致的严重磨损。

本发明某一具体实施例中，每个滚环包12个柔性环、12个间隔轴承和6个支撑轴承。每个滚道内圆周均布安装6个柔性环，12个间隔轴承分别位于保持架两侧，间隔轴承两个一组，内套圈采用销轴固定在保持架两侧，外套圈自由状态，6个支撑轴承位于保持架宽度方向的中心，实现保持架组件质心位于宽度方向中心，且与支撑轴承共面，提高力学性能。

上述滚环设计了新型柔性滚子间隔装置，实现滚子间隔的同时解决了保持架支撑，保持架刚度以及工艺性等问题。

(1)保持架整体结构

功能原理：保持架采用铝合金刚性结构，保持架上安装销钉穿在柔性环内部。当柔性滚子远离平衡位置时，通过实现对柔性滚子的间隔功能。

结构布局：为充分利用保持架，尽可能增加柔性环数量，间隔轴承位于保持架两侧，实现同时支撑两排柔性滚子。

微型轴承：为减小间隔销钉与柔性滚子内壁之间的滑动摩擦，销钉外套微型轴承，减少阻力矩，提高可靠性。

(2)保持架支撑轴承

由于保持架采用刚性铝合金结构，而柔性滚子的刚度、强度较弱。需要单独设置支撑装置实现对保持架自身的固定和支撑。如图3所示，设计轴承结构用于固定、支撑轴保持架。

优化保持架结构，实现设计目标：1)保持架支撑轴承与柔性滚子在径向近似的尺寸上按圆周分布，减小结构径向体积，实现整机大中空结构；2)保持架轴向异形花瓣结构，使得支撑轴承位于保持架两侧，并处于同一平面；3)实现保持架结构+间隔轴承结构的质心与支持轴承共面。整体结构紧凑，并优化了结构承力。

(3)滚道设计

设计滚环环体滚道，如图4所示。保持架支撑轴承滚道和柔性滚子滚道分离，确保了承载滚道不影响电传输滚道，提高可靠性。

本发明根据面向太空发电站在轨验证任务研制mw级导电旋转关节，解决超大传输功率、超高工作电压5000v、大力矩驱动和高结构刚度强度需求，此外，机械上还要求大中空结构以适应空间电站的布局方案，针对以上关键问题，解决方案包括：

1)每环采用双排滚子，增加滚子数量，减小接触电阻，降低发热；

2)定制刚性铜棒方案作为环体引出线，有效降低引出线电阻，减少发热；

3)环体间采用正负隔离，加厚绝缘方式提高耐压能力；引出线均采用定制聚酰亚胺绝缘套筒加绝缘灌封方案同时实现绝缘加固和机械加固，满足超高工作电压要求；

4)设计新型柔性滚子间隔保持架，分别采用不同规格的微小轴承支撑保持架和柔性滚子，减小重量，提高可靠性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。