本发明涉及用于在旋转零件之间传递电信号的滑环。特别地，本发明涉及一种刷及其线，所述线具有改善接触特性和使用寿命的表面。
背景技术：
使用电气滑环在旋转零件和静止零件之间传递电力和/或信号。在不同应用中使用这种装置，例如风力发电设备或者计算机断层扫描仪。还存在若干军事和航空应用。
所有这些应用的共同之处在于需要长的使用寿命和低的接触电阻以及低的接触噪音。
滑环通常基于具有滑动轨道的第一零件和具有刷的第二零件，所述刷用于在滑动轨道上滑动。由于机械摩擦，存在导致滑环随着时间退化的磨损。
ep0662736a公开了一种滑环组件，其中，单个刷具有在v形槽中行进的若干根线。由于并联地连接若干接触件，这导致较低的接触电阻。
us4398113a公开了另一种滑环组件，该滑环组件具有刷，所述刷具有多根微细线。多个接触件同样导致相对低的接触电阻。
技术实现要素：
要由本发明解决的问题是设计一种滑环、滑环刷块体和刷，使得它们将确保具有长的使用寿命和高的可靠性的可靠电气接触。它们应当能够传输高电流，同时具有较小的尺寸。制造应当简单并且成本低。
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。
在滑环中，在具有沿着轴向方向布置的滑动轨道的圆柱形鼓或者具有径向布置的不同直径的滑动轨道的盘与称为刷的接触线或者多根接触线之间建立电气接触。在此引用了线，已知可以由多根这种线形成刷，多根这种线电连接在一起并且可以机械保持在一起或者可以各自单独地保持，使得它们至少接触滑动轨道。
除了长的使用寿命和低的磨损之外，为了实现良好的电气接触、低的接触电阻、低的接触噪音和高的电流传输特性，刷的材料性能必须适于滑动轨道。为了获得良好的接触，可以使用较复杂的刷。这种刷可以具有弹簧弹性材料的内芯部，所述弹簧弹性材料如钢、甚至弹簧钢，或者黄铜，或者类似材料。该内芯部可以具有至少一个层或者多个层，所述层可以通过涂敷、镀敷、电镀或者类似工艺获得。优选地，在内芯部上设置有较硬金属的至少一个内层，所述较硬金属优选为镍或者镍与其它金属的组合。为了获得良好的电气特性，优选地设置有至少一个外层，所述外层包括银、金、任何其它良好接触材料或者其组合。
为了最佳接触性能，可以优化表面结构。
在第一实施例中，在刷线的至少部分上设置预定表面结构。这种表面结构可以包括某一表面粗糙度，所述某一表面粗糙度由最大谷深度和最大峰高度之间的幅度限定，从而限定rz值。该粗糙度还可以由算术平均粗糙度限定，所述算术平均粗糙度可以由ra值给定。优选地，表面可以具有由网格、凹口和/或多边形结构限定的结构。最优选地，rz值在0.1μm至2μm范围内，最优选地在0.5μm至1.8μm范围内。这些值应当认为是指导性的。事实上，具有谷部和丘部的3d表面结构是重要的，原因在于谷部的确起到了用于润滑剂的微型储器的作用(在使用液体润滑剂的情况中)，而丘部或者脊部主要对于精细的机械接触性能是重要的。它们在滑动期间将发生弹性变形和塑性变形，因此主要负责摩擦性能以及磨损演变。在早期滑动(磨合阶段)期间这一点尤为重要，在此期间，例如，可能在刷和线之间发生材料转移。即使在滑动期间损失了初始结构，磨合期间产生的新的接触构造将主要决定系统的摩擦演变。因此，即使在结构损耗之后，也存在有效的“记忆”效应，该“记忆”效应仍然使得初始结构影响滑动性能。例如，对于代表微动磨损的典型滑动距离而言(最大数米的量级)，结构可能幸存。对于超过滑环的使用寿命的典型滑动距离(>>1km，典型为10000km)，在实验中已经显示出上述记忆效应。
这种结构可以覆盖整个刷线，或者其可以仅覆盖特定区段。在具有圆形横截面的接触线的优选实施例中，表面结构可以覆盖线的小于180度的角度，原因在于接触线从来不是整个外表面都接触滑动轨道。接触表面通常被限制为小的表面面积。因此，优选的是限制结构化面积以降低制造成本。在优选实施例中，还进一步限制了区段，例如将角度限制为小于90度，甚至小于60度或者45度。还可以设置两个或者更多个区段，这些区段的表面结构相互间隔开一定角距离。这在滑动线在v形滑动轨道处行进时可能是有用的，所述v形滑动轨道提供了两个接触点。此外，表面结构可以被限制为在线的某一长度处的某一面积，原因在于接触线不是在其整个长度上接触滑动轨道。这种面积限制还可以与如上所述的角度限制相组合。
可以在内层处进行表面的结构化。因为在后一阶段该内层由外层覆盖，所以优选的是具有更深的结构化，以实现如上所述的结构深度。可替代地，结构化可以施加于外层。可以设置内层和外层的组合结构化，这将允许实现不同的结构组合。
另外的实施例涉及一种用于通过使用结构化的拉模使接触线结构化的方法。通过拉动线穿过拉模来制造线，从而少量地减小直径。这种处理可以重复多次，以通过使用带有减小直径的拉模产生所需的线直径。通常，拉模具有抛光的内表面，以减小拉动所需的力以及获得光滑的线表面。优选的是，可替代地，具有结构化的拉模。这种拉模可以具有多个槽，所述多个槽可以导致线具有对应的多个槽。这种槽可以取向成平行于线的中央轴线，或者可以取向成一角度以在线表面处产生螺旋槽或者多个螺旋槽。
用于结构化接触线的另外的优选方法是使用激光干涉结构化。激光干涉结构化可以在线的表面处提供多个小的图案或结构。为了激光干涉结构化，两个相干激光束可以施加于线表面并且可以在线表面处产生干涉图案，从而熔融或者蒸发线的特定表面区段。对于结构化而言这还足以通过产生图案化热量来修改线材料的晶体结构。
另外的实施例涉及刷块体，所述刷块体包括绝缘本体，所述绝缘本体保持具有结构化表面的至少一根接触线。
另一个实施例涉及一种滑环，所述滑环具有滑环模块和刷块体，所述刷块体还具有带有结构化表面的至少一根接触线。
另一个实施例涉及通过拉动线穿过结构化拉模制造用于滑环的接触线的方法。拉模具有突出部和/或凹陷部，以在被拉动穿过拉模的线中形成结构。
另外的实施例涉及通过在接触线的表面处产生干涉激光图案而激光结构化用于滑环的接触线的方法。激光图案可以仅覆盖圆形接触线的长度区段或径向区段或者具有任何其它形状的接触线的其它区段。可以在用金属层涂敷或镀敷或电镀线的第一步骤之后进行激光结构化，所述金属层可以是硬金属，如镍或铬或其组合，和/或所述金属层具有良好的电气接触，如金、银或者其与其它金属的组合。在另外的实施例中，接触线可以由具有良好电气特性的金属涂敷、镀敷或电镀，所述金属如金、银或其与其它金属的组合。
本发明的另外的方面是用于结构化接触线的表面的装置。该装置可以包括激光器，所述激光器产生激光束，优选地，所述激光束被分成至少两个局部激光束，例如通过分光镜或者反射镜。还设置有另外的反射镜和/或透镜，用于在聚焦点上引导和/或聚焦和/或准直局部激光束中的至少两个，其中，所述至少两个能够发生干涉。在聚焦点的区域中还设置有用于保持和/或输送刷线的构件，使得激光能够与接触线的表面发生干涉。可以设置用于输送接触线的输送构件。此外还可以设置用于控制强度和/或时间的控制构件。这可以允许激光器产生激光脉冲，从而在接触线的表面处产生激光图案序列。接触线可以连续输送或者可以逐步输送，使得激光可以产生结构化的表面区段，所述结构化的表面区段可以相互间隔开或者可以形成闭合的表面区域。
附图说明
在下文中将参照附图基于实施例通过示例的方式、而非作为总体发明构思的限制来描述本发明。
图1示出了基本的滑环；
图2示出了滑环的侧视图；
图3至图10示出了线结构的不同实施例；
图11示出了具有局部结构化表面的接触线的截面图；
图12示出了具有局部结构化表面的另一接触线的截面图；
图13示出了具有局部结构化表面的另一接触线的截面图；
图14示出了带有在v形滑动轨道上行进的区段表面的滑动刷；
图15示出了接触刷的截面的细节；
图16示出了接触线的局部结构化；
图17公开了用于激光结构化接触线的装置；
图18示出了拉模的正视图。
具体实施方式
在图1中，示出了基本的滑环。该滑环包括圆柱形模块160，所述圆柱形模块具有导电材料、如金属的至少一条滑动轨道161，所述滑动轨道由优选地为塑料材料的绝缘本体162支撑。圆柱形模块能够围绕中央轴线165旋转。可以设置静止刷块体100，所述静止刷块体包括绝缘本体110，所述绝缘本体保持至少一根接触线201、202。接触线可以通过焊接连接件121、122而焊接到绝缘本体110的通孔中。接触线具有接触圆柱形模块160的接触区域211、212。
在图2中，示出了滑块的侧视图。圆柱形模块示出了滑动轨道161由绝缘本体162间隔开。滑动轨道161具有用于引导接触线的v形槽。在该图中，显示了与对应的刷202一起的相互隔离开的三条滑动轨道161，从而允许在滑环上同时传递三个信号或者三条电流路径，所述刷也相互隔离开。
在图3至图10中，示出了线结构的不同实施例。如上所述，接触线201、202优选具有预定表面结构。
图3示出了接触线300的第一实施例，所述接触线具有第一线性结构301、302、303。这些结构可以是凹陷部和/或突出部，所述凹陷部和/或突出部可以优选地由拉模产生。
图4示出了接触线310的第二实施例，所述接触线具有螺旋结构311、312、313、314。这些结构可以是凹陷部和/或突出部，所述凹陷部和/或突出部可以优选地由拉模产生。
图5示出了接触线320的第三实施例，所述接触线具有点结构321、322、323、324。这些结构可以是凹陷部和/或突出部。
图6示出了接触线330的第四实施例，所述接触线具有点结构331。这些结构可以是凹陷部或突出部，所述凹陷部或突出部可以优选地由拉模制成。
图7示出了接触线340的第五实施例，所述接触线具有精细螺旋结构341。这些结构可以是凹陷部和/或突出部，所述凹陷部和/或突出部可以优选地由拉模制成。
图8示出了接触线350的第六实施例，所述接触线具有精细点结构351。这些结构可以是凹陷部和/或突出部。
特别地，为了制造图3、4、6和7的实施例，可以使用结构化拉模。这种拉模可以具有突出部和/或凹陷部，所述突出部和/或凹陷部限定了线的表面结构。
图9示出了接触线360的另外的实施例，所述接触线具有微型图案361，所述微型图案可以通过激光干涉结构化制成。在这个实施例中，图案设置在线的整个表面上。
图10示出了接触线370的另外的实施例，所述接触线在线的表面的一区段处具有微型结构371。因为接触线不是在其整个表面上都接触滑动轨道，所以仅在接触线的部分处提供表面结构可能就足够了。此外，这还可以进一步简化激光结构化处理。
图11示出了接触线410的局部结构化，所述接触线具有线本体411并且仅在区域412中具有局部结构。不需要在接触线的整个长度上提供结构化，原因在于其仅在小的区段上与滑动轨道保持接触。优选的是仅在1mm至20mm范围内的长度上提供结构化表面，更优选地在5mm到10mm范围内的长度上提供结构化表面。
在图12中，示出了接触线的截面图，所述接触线具有局部结构化表面。接触线380包括芯部材料381，所述芯部材料可以基于钢或者黄铜材料。此外其还具有设置有结构的大约半周区段382。
在图13中，示出了具有局部结构化表面的接触线的截面图。接触线390包括芯部材料391，所述芯部材料可以基于钢或者黄铜材料。此外其还具有设置有结构的90度圆周区段392。
在图14中，示出了具有局部结构化表面的接触线的截面图。接触线400包括芯部材料401，所述芯部材料可以基于钢或者黄铜材料。此外其还具有设置有结构的两个45度圆周区段402、403，这两个区段优选地与v形滑动轨道一起使用。
在图15中，示出了滑动刷，所述滑动刷具有在v形滑动轨道上行进的区段表面。滑动刷420在滑动轨道161的v形槽中被引导，从而导致产生两个分开的接触区域。刷线芯部421的表面具有两个结构化区域422、423，这两个结构化区域位于线刷420和滑动轨道161之间的接触点处。
在图16中，示出了接触刷440的区段的细节。该接触刷具有刷芯部441，所述刷芯部可以包括钢、黄铜或任何其它金属或其组合，从而提供相对坚硬、但具有弹簧弹性的结构。优选地设置至少两个表面层。优选地，设置有内层442，所述内层可以包括硬材料，如镍。可以设置外层443，所述外层可以包括具有良好接触特性的材料或者金属，例如银或金或其组合。内层和外层可以通过涂敷或者镀敷制造，优选通过电镀制造。内层和/或外层可以如上所示被结构化。
图17公开了用于激光结构化接触线的装置。激光器601提供激光束602，所述激光束可以由分光镜610分成至少两个优选相等的光束611、612。第二局部光束612可以由反射镜615偏转，使得第二局部光束和第一局部光束被偏转朝向聚焦点630。还可以设置另外的透镜620、621，用于聚焦和/或准直第一和第二激光束611、612。接触线200可以沿着聚焦点630的区域移动。这可以通过存储未结构化的线的第一线轴650和存储结构化的线的第二线轴651来进行。两个线轴都可以旋转，使得线连续和/或逐步移动。还可以设置在此未示出的引导辊和其它引导构件，用于在聚焦点处精确地引导接触线。还可以设置另外的用于将结构化的接触线切割成多段并且使得这些段移动到容器或者直接将这些段安装到刷块体中的构件。
图18以正视图示出了拉模800。拉模800具有内部开口801，线被拉动穿过所述内部开口。内部开口具有结构化轮廓，所述结构化轮廓提供了突出部802和凹陷部803，从而在拉动线穿过拉模时产生线的结构化表面。
附图标记列表
100刷块体
110绝缘本体
121焊接连接件
122焊接连接件
160滑环模块
161滑动轨道
162绝缘本体
165中央轴线
201接触线
202接触线
211接触区域
212接触区域
300第一接触线实施例
301、302、303线性结构
310第二接触线实施例
311、312、313、314螺旋结构
320第三接触线实施例
321、322、323、324螺旋点
330第四接触线实施例
331精细线性结构
340第五接触线实施例
341精细螺旋结构
350第六接触线实施例
351精细点结构
360第七接触线实施例
361微型图案
370第八接触线实施例
371微型结构
380接触线实施例
381芯部材料
382半周区段
390接触线实施例
391芯部材料
39290度圆周区段
400接触线实施例
401芯部材料
402、40345度圆周区段
410接触线
411线本体
412结构化区域
420滑动刷
421接触线芯部
422、423结构化区域
440接触刷
441刷芯部
442内层
443外层
601激光器
602激光束
610分光镜
611第一局部光束
612第二局部光束
615反射镜
620第一光束透镜
621第二光束透镜
630聚焦点
650存储未结构化的线的线轴
651存储结构化的线的线轴
800拉模
801内部开口
802突出部
803凹陷部