紧凑型集成旋转接头的制作方法

1.本发明涉及用于在旋转部分之间传输多个电信号的滑环设备(slipring device)和旋转接头(rotary joint)。


背景技术：

2.电滑环和旋转接头被用来在旋转部分和静止部分之间传送电功率和/或信号。这样的滑环用于不同的应用，例如风能电厂或计算机断层扫描仪。还存在在其中使用滑环的许多工业、军事和航天应用。
3.电滑环和旋转接头应是紧凑的、可靠的并且买得起的。
4.us 7,717,619公开了一种旋转接头，该旋转接头包括电感式功率传送和电容式数据传送。电容式数据链路远离电感式功率耦合器。因为这对于ct扫描仪而言是相对大的旋转接头，所以链路之间的间距不成问题。
5.ep 2 933 655 a1公开了一种具有电感式功率传送和电容式数据传送的紧凑型旋转接头。在此，电容式耦合器部分地布置在磁芯内以节省空间。这是可接受的，因为只需要用于控制信号的低带宽。
6.ep 2 954 844 a1公开了一种具有电感式功率耦合器和处于轴向布置(盘式)的滑环轨道以及处于径向布置(鼓式)的电容式数据链路的旋转接头。这占用了很大空间，但允许布置数据链路，使得仅存在来自电感式功率耦合器的磁场的最小限度的(minimal)影响。数据链路平行于磁场线并且因此确实拾取任何场。不幸的是，这占用了很大空间。


技术实现要素：

7.本发明要解决的问题是提供一种提供至少电感式功率传送和具有高数据速率的电容式数据传送的紧凑型旋转接头。
8.在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
9.一种滑环设备包括可围绕中心轴线相对于彼此旋转的第一部分和第二部分。例如，该第一部分可以是静止的，而该第二部分可以相对于其旋转。当然，旋转部分和静止部分可以互换，或甚至两个部分可以按不同的速度旋转。
10.该第一部分可以具有第一壳体，该第一壳体可以容纳第一旋转接头部件，例如电感式耦合部件、电容式耦合部件和滑环。它们可以布置在第一印刷电路板(pcb)上，该第一印刷电路板可以具有pcb迹线形式的滑动轨道(sliding track)、和/或安装和/或钎焊(solder)到pcb的刷。
11.该第二部分可以具有第二壳体，该第二壳体可以容纳第二旋转接头部件，例如电感式耦合部件、电容式耦合部件和滑环。它们可以布置在第二印刷电路板上，该第二印刷电路板可以具有pcb迹线形式的滑动轨道、和/或安装和/或钎焊到pcb的刷。
12.该第一部分中的和该第二部分中的旋转接头部件被设计成使得它们以形成电感
式、电容式或滑动接触连接的方式相互作用(interface)。因此，该第一部分处的接触刷可以与该第二部分处的滑动轨道相互作用，和/或该第二部分处的接触刷可以与该第一部分处的滑动轨道相互作用。该第一部分处的电感式耦合器可以与该第二部分处的电感式耦合器相互作用，并且该第一部分处的电容式耦合器可以与该第二部分处的电容式耦合器相互作用。在该第一部分和该第二部分之间可以存在多个连接。
13.为了保持该第一部分和该第二部分处于空间关系并且允许它们之间的旋转，优选地设置至少一个轴承。这样的轴承可以是滑动轴承、滚珠轴承、液浮轴承(liquid bearing)或任何其他合适的轴承。优选地，设置滚珠轴承并且最优选地设置两个滚珠轴承。
14.一个实施方案涉及一种盘形旋转接头，也称为平盘式(platter)旋转接头。在此，主要部件可以大致布置在公共平面中或靠近公共平面。这样的平面可以正交于旋转轴线。
15.在该实施方案中，旋转接头包括电感式耦合部件，该电感式耦合部件进一步包括至少该第一部分上的第一磁芯和该第二部分上的第二磁芯。在该第一磁芯内是第一绕组，并且在该第二磁芯内是第二绕组。该第一绕组和该第二绕组通过该第一磁芯和该第二磁芯彼此磁耦合。虽然所述绕组中的一个可以连接到ac信号发生器，但是另一个可以连接到整流器用于向连接到该绕组的电路递送功率。第一磁芯和第二磁芯保持在一距离，该距离形成芯之间的气隙。
16.此外，至少一个电流滑环连接由该第一部分处的、与该第二部分处的至少一个滑动轨道电流接触的至少一个滑动刷提供。为了改善接触和减少噪音和电阻，可以设置多个滑动刷。电流接触可以被用于电路的接地。可以存在多个滑环连接，另外，刷和轨道可以互换。
17.刷也可以位于pcb的外侧，例如作为表面安装部分放置，这样一来刷可以使用pcb的厚度作为弹簧行程距离，在轴向方向上进一步使设计小型化。较长的弹簧行程允许在刷的寿命期间的弹簧力的较小的变化，降低磨损效应。在此情况下，pcb除了用于通过钎焊和可选地胶接安装弹簧的垫之外还具有用于弹簧的切口。
18.滑环轨道可能是印刷电路板的外层，其中内层上的电气地并且机械地平行的轨道共享电流以降低轨道的欧姆电阻。轨道也可能是固定到印刷电路板的圆形凹槽内的单独的圆形金属片材。
19.此外，可以设置至少一个数据链路。这样的电容式数据链路可以包括与该第二部分上的第二电容式数据链路部件相对应的该第一部分上的第一电容式数据链路部件。这些电容式数据链路中的一个可以是用于传输数据的单向部件，而另一个部件可以是用于接收数据的单向部件。在一个替代实施方案中，两个部件可以是用于传输和接收数据的双向部件。如果在一个部分处，设置用于传输数据的单向部件，与其对应地在该第二部分上，设置用于接收数据的单向部件，反之亦然。可能存在多个电容式数据链路。
20.与电流滑环连接和至少一个电容式数据链路相比，磁芯在径向上更靠近旋转轴线布置(该旋转轴线也是旋转接头的中心轴线)，使得该电流滑环连接位于该至少一个电容式数据链路和该磁芯之间。围绕中心轴线可以存在自由孔，使得像光学旋转接头或介质旋转接头一样的其它部件可以通过旋转接头送入。磁芯可以具有在1cm到2m的范围内的内直径，这取决于旋转接头的要求和大小。在一个实施方案中，磁芯具有在5cm和10cm之间的内直径，以及在8cm和15cm之间的外直径。磁芯的宽度由所需的磁性材料的大小决定，并且可以
在从2cm到20cm的范围内。磁芯可以包括铁氧体材料、铁材料或任何其他合适的软磁材料。电容式数据链路布置在磁芯的外部，并且它们可以远离磁芯布置以避免磁芯的磁场的干扰。
21.该电流滑环接触布置在磁芯和至少一个电容式数据链路之间。这在不浪费空间的情况下增加至少一个电容式数据链路和磁芯之间的距离，并且从而减少干扰。
22.磁芯和至少一个电容式数据链路之间的干扰是关键的设计问题，因为电容式数据链路在两个部分之间仅具有非常弱的耦合——由于在几皮法(pf)的范围内的非常小的耦合电容，并且磁芯处理相对高的功率电平(power level)。从磁芯耦合到至少一个电容式数据链路中的信号耦合可能影响电容式数据链路中耦合的信号。
23.具体地，在紧凑型旋转接头中，空间和成本是关键的设计问题。因此，磁芯通常以这样的方式设计，使得磁场强度并且因此磁芯中的磁通量被定尺寸为使得其接近磁性材料的最大磁通量。如果使磁芯接近其最大磁通量操作，它开始在该芯的外部产生磁通量，因此生成从该芯突出到其环境并且因此也突出到旋转接头的其他部件中的磁场。减少此杂散场的影响可以是通过分开部件——这将进一步增加旋转接头的大小，这是不期望的。因此，可以提供屏蔽以减少磁场对电容式数据链路的干扰。这样的屏蔽件应是简单的、便宜的并且不应占用很多空间。因此，不期望在磁芯周围设置另一壳体以用于提供附加的屏蔽或至少减少杂散场。
24.在此实施方案中，在磁芯和至少一个电容式数据链路之间放置电流接触系统将进一步减少杂散场，因为离开该芯并且穿过该芯的环境的场可能穿过电流滑动接触系统并且具体地穿过电流滑动轨道。这样，至少一个滑动轨道可以具有到至少一个第一电容式数据链路部件或至少一个第二电容式数据链路部件的、比至少一个滑动轨道与至少一个第一磁芯或至少一个第二磁芯之间的距离更大的距离。为了改善屏蔽，至少一个滑动轨道可以具有到至少一个第一磁芯或至少一个第二磁芯之间的、小于磁芯之间的距离(即气隙的大小)的10倍、5倍、3倍、1倍中的一个的距离。
25.电流滑动轨道通常是低电阻导电结构的闭合环，在该闭合环中磁场生成涡流，这导致磁场减弱。这进一步减少对至少一个电容式数据链路的干扰。为了改善此效果，滑动轨道可以在其尺寸方面增加，优选地在其宽度方面增加，但也可以在其厚度方面增加，这将进一步导致滑动接触系统的更高的电流容量。因此，至少一个滑动轨道可以具有比2mm、8mm、10mm、15mm中的至少一个更宽并且比50mm、40mm、30mm、20mm、10mm、5mm中的至少一个更窄的宽度。替代地，至少一个滑动轨道可以比至少一个第一磁芯和至少一个第二磁芯之间的距离更宽。
26.电流接触系统可以在磁芯之间的平面中。电流接触系统可以靠近磁芯之间的气隙。至少一个滑动轨道可以布置在由磁芯之间的气隙限定的平面下方，并且至少一个滑动刷安装在该平面上方。此平面可以与上文所提及的公共平面相同。例如，如果磁芯相对于电容式数据链路具有轴向偏移，其也可能不同。
附图说明
27.在下面，将通过示例而不是对总体发明构思的限制的方式参考附图根据实施方案的示例来描述本发明。
28.图1示出了旋转接头的截面视图。
29.图2示出了一个不同的实施方案。
30.图3示出了一个实施方案的俯视图。
31.图4示出了具有单个pcb的一个实施方案。
32.图5示出了具有金属弹簧刷的一个实施方案。
33.图6示出了金属弹簧刷的细节。
34.图7详细示出了磁芯的磁场。
35.图8示出了具有集成(integrated)旋转接头的壳体的一个示例。
36.图9以透视图示出了pcb。
37.图10以透视图示出了磁芯。
38.在图1中，示出了盘式旋转接头100的截面视图。该旋转接头具有中心轴线110，该中心轴线是该旋转接头的旋转轴线。正交于中心轴线110的是旋转平面105。这可以大致是相对于彼此旋转的第一部分200和第二部分300之间的对称平面。在此图中，该旋转接头的第一部分200在旋转平面105上方，而该旋转接头的第二部分300在旋转平面105下方。第一部分200可以包括第一磁芯210，该第一磁芯进一步包括至少一个第一绕组212。第一绕组212可以包括多个导线或线缆，所述多个导线或线缆可以相对于彼此绝缘并且可以缠绕在该磁芯中或围绕该磁芯缠绕。在此实施方案中，该磁芯是u形芯。该磁芯也可以是e形芯或可以具有任何其他合适的形状。为了在该第一部分和该第二部分之间提供良好的耦合，第一磁芯210和第二磁芯310可以形成闭合磁路、在它们之间具有最小限度的气隙211。这样的气隙很难避免，因为该第一部分可相对于该第二部分旋转。如果该气隙被封闭，则将存在高摩擦。
39.该旋转接头的第一部分还包括至少一个滑动刷260(该滑动刷可以是碳刷或金属刷)、至少一个第一电容式数据链路部件270，并且它还可以包括替代的第一电容式数据链路部件280。所有这些部分可以被保持和/或容纳在第一印刷电路板(pcb)250上。
40.第二部分300包括第二磁芯310，该第二磁芯进一步包括第二绕组312，该第二绕组可以像第一绕组212一样。如果期望旋转变压器的输入和输出电压之间的电压的改变，在第一绕组212和第二绕组312中可以存在不同数目的绕组。此外，该第二部分包括滑动轨道360并且它还可以包括第二电容式数据链路部件370以及可选的替代的第二电容式数据链路部件380。所有这些部分可以由第二印刷电路板(pcb)350保持或被集成到第二印刷电路板350中。如在此示出的，包括滑动刷260和滑动轨道360的电流滑环系统相对于旋转轴线110在径向方向上布置在第一磁芯210以及第二磁芯310与第一电容式数据链路部件270以及第二电容式数据链路部件370之间。在径向方向上，电流滑环部件可以布置在磁芯的外部和电容式数据链路部件的内部。滑动轨道360可以是为高电流能力设计的低电阻轨道。由于它靠近磁芯放置，来自磁芯的杂散场将在滑动轨道中生成涡流，并且因此这些磁杂散场将被减弱。因此，滑动轨道的存在减弱杂散场。
41.在图2中，示出了一个不同的实施方案，其中使用印刷电路板214和314代替第一绕组212和第二绕组312的导线。与将导线手工缠绕到磁芯中相比，在印刷电路板上制造线圈结构是简单得多并且更便宜的制造过程。与实心铜导线相比，这样的印刷电路板迹线通常具有较低的电流容量，但是它们可以用于许多应用，特别是在耦合相对低的功率的情况下。
如果耦合较低的功率，磁芯在其大小方面可以被进一步减小，这进一步导致旋转接头的总大小的减小。
42.在图3中，示出了第二部分300的一个实施方案的俯视图。此图进一步示出了先前在图1和图2中解释的许多特征。此外，示出了用于第二绕组的绕组末端(winding termination)316。此绕组末端可以是开口或导管，通过该开口或导管绕组从磁芯引出。第二磁芯310被示出为单一件。在一个实施方案中，第一磁芯210和/或第二磁芯310可以由多个件或多个段制成。另外，示出了第二电容式数据链路末端372，其端接第二电容式数据链路部件370的线路。可以设置替代的第二电容式数据链路末端382以端接替代的第二电容式数据链路部件380的线路。箭头120指示可能的旋转方向，尽管部分300可以在相反方向上旋转或可以交替地旋转。还可以存在电气和/或电子部件391、392和393，其可以包括连接器、放大器、信号处理设备和微控制器中的至少一个。
43.在图4中，示出了在第一部分处具有单个印刷电路板(pcb)250并且在第二部分处具有单个pcb 350的一个实施方案。在此，第一pcb250穿透磁芯210以在其中设置绕组。另外，第二pcb 350穿透第二磁芯310以在其中设置另一些绕组。为了使pcb穿透到芯中，芯可以具有至少一个切口。
44.在图5中，示出了具有金属弹簧刷的一个实施方案。在此，扁平的金属弹簧刷262被设置用于接触滑动轨道360。该刷的细节被示出在下一个图中。
45.在图6中，示出了金属弹簧刷接触系统的另一些细节。在此图的底部处是其上具有滑动轨道360的第二pcb 350。与其相对的是附接有扁平的金属弹簧刷262的第一pcb 250。它可以通过钎焊、焊接、铆接或它们的组合或在扁平的金属弹簧刷和印刷电路板250上的至少一个导电迹线之间提供良好的电流接触的任何其它合适的附接过程附接。扁平的金属弹簧刷262包括金属弹簧263，该金属弹簧可以由片材金属或由导线制成，并且可以包括在远离附接到印刷电路板的一端的另一端处的接触元件264。此接触元件264可以是在扁平的金属弹簧刷处的额外的镀层，例如金或银镀层，以增加导电性和接触属性。它也可以是附接到金属弹簧263的额外的一块金属或碳或任何其它导电材料。可以存在在第一pcb 250上的用于接触滑动刷262的圆形导电轨道261。此轨道将提供另外的屏蔽，并且将提供良好的电接触。另外，可以存在连接到所述轨道并且布置在以中心轴线110为中心的圆上的多个扁平的金属弹簧刷262。如果导电轨道261和滑动轨道360之间的在轴向方向上的距离(或间隙)小于或等于磁芯210、310之间的气隙211，此布置提供最佳屏蔽特性。多个刷可以改善接触性能，诸如降低接触电阻和降低接触噪声。
46.在图7中，示出了磁芯的磁场的细节。该图示出了放大的第一磁芯210和第二磁芯310。在所述磁芯外部总是存在磁场800。它们也被称为杂散场。在磁芯内的低通量下，这些外部杂散场相对微弱。如果磁芯中的通量增加并且接近磁芯的饱和，杂散场增加。这可能导致磁芯外部的不可接受的高磁场，这可能干扰电容式数据链路。因此，在电容式数据链路和磁芯之间设置滑动轨道360，使得滑动轨道中的磁场生成导致磁场的减弱的涡流。如之前所提及的，与滑动轨道360相对，可以存在在第一pcb 250上的用于接触至少一个滑动刷或多个滑动刷的另一个导电轨道。
47.在图8中，示出了具有集成旋转接头的壳体的一个示例。在此，之前所描述的部件被集成到包括第一壳体部段910和第二壳体部段920的壳体内。第一壳体部段910保持第一
部分200，而第二壳体部段920保持第二部分300。在第一壳体部段910和第二壳体部段920之间可以存在至少一个第一轴承931，以将它们相对于彼此保持在明确限定的位置，同时允许旋转。可以存在用于稳定组件的第二轴承932。第一轴承931和第二轴承932可以是滚珠轴承、滑动轴承或任何其他合适的轴承中的至少一种。可以存在壳体连接器940，该壳体连接器例如可以固定地连接到第一壳体部段910，例如通过螺纹，并且该壳体连接器可以是相对于第二壳体部段920可旋转的，因此提供到其的间隙。此壳体连接器940还可以用于将第一轴承931和/或第二轴承932保持就位。第一部分可以由附加的螺柱、螺钉、夹具或其他安装设备保持在第一壳体部段内，并且第二部分可以由类似的部分保持在第二壳体部段内。壳体具有用于刷的检查和接入电源以及用于附接线缆的数据连接器的开口。
48.热垫或导热胶或糊或导热化合物可以桥接壳体与部件之间、壳体与铁氧体芯之间的间隙。芯可以通过胶固定到pcb。
49.虽然图8示出了轴承，但是当两个部分与壳体一起安装作为客户系统内的机械接口时，可以在没有轴承的情况下使用壳体。安装到pcb的元件可能作为用于固定壳体并且将壳体与pcb上的电位(例如刷轨道)连接的部分。
50.图9以透视图示出了第一pcb 250。该pcb可以具有腹板(web)254和切口252。磁芯210可以具有切口，所述切口可以被布置成使得它们与pcb的腹板和切口互锁。pcb的腹板可以机械地并且电气地连接pcb的绕组部分和承载电容式链路的部件以及所需的另一些电子器件的部分。
51.图10以透视图示出了磁芯。此磁芯具有4个切口215。
52.附图标记列表
53.100
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旋转接头
54.105
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旋转平面
55.110
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旋转轴线
56.120
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旋转方向
57.200
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第一部分
58.210
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第一磁芯
59.211
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气隙
60.212
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第一绕组
61.214
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pcb上的第一绕组
62.215
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第一磁芯切口
63.250
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第一pcb
64.252
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第一pcb切口
65.254
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第一pcb腹板
66.260
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滑动刷
67.261
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导电轨道
68.262
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
扁平的金属弹簧刷
69.263
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金属弹簧
70.264
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接触元件
71.270
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第一电容式数据链路部件
72.280
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替代的第一电容式数据链路部件
73.300
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第二部分
74.310
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二磁芯
75.312
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二绕组
76.314
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pcb上的第二绕组
77.316
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绕组末端
78.350
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二pcb
79.360
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
滑动轨道
80.370
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电容式数据链路部件
81.372
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电容式数据链路末端
82.380
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
替代的第二电容式数据链路部件
83.382
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
替代的第二电容式数据链路末端
84.391-393
ꢀꢀ
电子部件
85.800
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
磁杂散场
86.910
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第一壳体部段
87.920
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二壳体部段
88.931
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一轴承
89.932
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二轴承
90.940
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
壳体连接器