一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置

摘要

本发明涉及一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，包括：绝缘外壳、滚动导电模块、高压电刷、内环绝缘层、外环绝缘层、负载电阻、绝缘顶丝、绝缘芯轴、真空电机以及环形导电槽。本发明装置用于模拟空间超大功率且功率可扩展航天器如平台式空间太阳能电站的电力传输关键部件“导电旋转关节”在通电过程中的相对转动。通过模拟该运动，为检测导电旋转关节滚动摩擦/导电接触性能、机械摩擦/电接触复合损伤机制以及绝缘介质充放电机制提供基础。

权利要求

1.一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，其特征在于包括：绝缘外壳(1)、滚动导电模块(2)、高压电刷(3)、内环绝缘层(4)、外环绝缘层(5)、负载电阻(6)、绝缘顶丝(9)、绝缘芯轴(10)、真空电机(11)以及环形导电槽(15)；

绝缘外壳(1)为一端开口的空心圆柱结构，两个滚动导电模块(2)设置在绝缘外壳(1)内部且与绝缘外壳(1)同轴；滚动导电模块(2)中部设置有通孔，绝缘芯轴(10)从中穿过，两个滚动导电模块(2)之间以及两个滚动导电模块(2)的外侧均固定安装有绝缘层，所述绝缘层包括内环绝缘层(4)和外环绝缘层(5)，外环绝缘层(5)与滚动导电模块(2)的外廓尺寸一致且与滚动导电模块(2)固定连接，内环绝缘层(4)位于靠近绝缘芯轴(10)一侧，与滚动导电模块(2)中部通孔的外廓尺寸一致且与滚动导电模块(2)固定连接；绝缘芯轴(10)上的凹槽与滚动导电模块(2)以及内绝缘层(4)上的凸台过盈配合连接；

绝缘外壳(1)上设置有圆台孔结构以及多处通孔，通孔用于安装绝缘顶丝(9)，以实现对于滚动导电模块(2)的定位；绝缘外壳(1)外侧还固定有两个环形导电槽(15)，环形导电槽(15)上有向内的楔形圆柱结构，穿过绝缘外壳(1)上的圆台孔结构，插入到滚动导电模块(2)上，楔形圆柱结构用于定位限位；

绝缘外壳(1)的封闭端有凸出轴结构，与真空电机(11)的旋转端连接，在真空电机(11)的驱动下，使得绝缘外壳(1)随之转动；

高压电刷(3)通过环形导电槽(15)与滚动导电模块(2)导通，高压电刷(3)至环形导电槽(15)，再由环形导电槽(15)至滚动导电模块(2)，再至负载电阻(6)形成导电回路；

滚动导电模块(2)包括固定端(12)、旋转端(13)和薄壁弹性环(14)，固定端(12)与绝缘芯轴(10)过盈配合连接，旋转端(13)与绝缘外壳(1)之间通过顶丝(9)相对固定，旋转端(13)与绝缘外壳(1)同步旋转运动，多个薄壁弹性环(14)设置在固定端(12)和旋转端(13)之间且电连通，旋转端(13)转动时带动薄壁弹性环(14)围绕固定端转动，同时薄壁弹性环(14)自身旋转；

环形导电槽(15)为薄壁环形结构，材料为铍青铜，环形导电槽(15)上的楔形圆柱结构插入到滚动导电模块(2)的旋转端(13)中与旋转端(13)固定连接且电连通；

位置固定的高压电刷(3)一端连接高压电源，另一端与环形导电槽(15)之间滑动电接触，高压电刷(3)与环形导电槽(15)之间形成相对转动副；

负载电阻(6)连接在两个滚动导电模块(2)的固定端之间，高压电刷(3)通过环形导电槽(15)与滚动导电模块(2)的旋转端(13)导通，高压电刷(3)至环形导电槽(15)，再由环形导电槽(15)依次至滚动导电模块(2)的旋转端(13)、薄壁弹性环(14)、固定端(12)，再至负载电阻(6)形成导电回路；

绝缘外壳(1)、内环绝缘层(4)、外环绝缘层(5)、绝缘顶丝(9)以及绝缘芯轴(10)均采用绝缘材料，为聚醚醚酮。

2.根据权利要求1所述的一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，其特征在于：外环绝缘层(5)和内环绝缘层(4)均为空心圆柱结构，圆周均布4处通孔。

3.根据权利要求2所述的一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，其特征在于：滚动导电模块(2)与内环绝缘层(4)之间通过第二绝缘螺钉螺母(8)固定连接，滚动导电模块(2)与外环绝缘层(5)之间通过第一绝缘螺钉螺母(7)固定连接，滚动导电模块(2)与内环绝缘层(4)上设置的通孔用于穿过绝缘螺钉螺母。

4.根据权利要求1所述的一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，其特征在于：真空电机(11)的旋转端和绝缘外壳(1)封闭端的凸出轴结构之间通过顶丝(9)定位。

5.根据权利要求4所述的一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，其特征在于：真空电机(11)的旋转端、绝缘外壳(1)封闭端的凸出轴结构以及绝缘芯轴(10)同轴。

说明书

一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，用于模拟空间超大功率且功率可扩展航天器的电力传输关键部件“导电旋转关节”在通电过程中的相
对转动。

背景技术

[0002] 导电旋转关节是卫星、航天器以及空间大型航天设施必不可少的机电部件，负责太阳电池帆板对日定向并将采集的能源传输至卫星航天器本体。传统的导电旋转关节功率
传输等级在10kW以内，随着空间传输功率需求的大幅提高，大型航天器、超大型空间设施的
功率传输需求达100kW，甚至1MW。为了减少功率损耗，大功率航天器以及空间设施采用高压
体制已经成为国内外航天领域的共识，目前，一般的卫星相应的供电母线电压在28V、42V，
以大功率通信卫星为代表的地球同步轨道卫星的供电电压已经提升到100V，国际空间站的
供电电压达到170V左右。未来空间太阳能电站等大型空间设施的母线电压将达到500V甚至
更高。

[0003] 功率和电压等级的大幅度提升，给航天器研制带来了新的问题，导电旋转关节的功能是实现太阳电池帆板对日定向，需要360度旋转，同时，需要把电能传输至航天器内部
母线，即滚动摩擦和导电接触的共同作用下实现关节的功能。由于早期卫星的功率、电压较
低，滚动摩擦和导电接触互相影响较小，随着功率和电压等级的大幅提升，滚动摩擦和导电
接触的耦合加剧，体现在摩擦和导电共面接触、机械摩擦性能和电接触性能耦合以及机械
损伤和电气损伤耦合，导致导电旋转关节大功率电力传输性能波动较大、损伤机制多样且
时变性加剧，最终导致可靠性下降以及寿命不足。

[0004] 实现导电旋转关节在真空、高压环境下的运动是研究绝缘材料、导体材料损伤机制的基础。然而，目前没有相关的地面设备来实现空间高压大功率导电旋转关节在通电运
转运动。

[0005] 申请号201310114534.2的国内专利公开了一种适用于大功率传输的滚动汇流环装置，滚环装置内部容纳多个导电的滚环，可以有效的增大导线的截面积；滚环装置与外环
通过弹簧连接预紧，保证汇流环在正转和反转时的导电接触。这种汇流环装置在传输功率
及信息时，要经过滚动盘和滚环两次滚动传输过程，由于增加了一次滚动传输过程，就会增
大波动电阻，增加制造成本，并降低滚环的可靠性。

发明内容

[0006] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，模拟导电旋转关节的运行状态，实现真空、高电压通电状
态下的关节转动运动模拟。

[0007] 本发明的技术解决方案是：

[0008] 一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，包括：绝缘外壳(1)、滚动导电模块(2)、高压电刷(3)、内环绝缘层(4)、外环绝缘层(5)、负载电阻(6)、绝缘顶丝
(9)、绝缘芯轴(10)、真空电机(11)以及环形导电槽(15)；

[0009] 绝缘外壳(1)为一端开口的空心圆柱结构，两个滚动导电模块(2)设置在绝缘外壳(1)内部且与绝缘外壳(1)同轴；滚动导电模块(2)中部设置有通孔，绝缘芯轴(10)从中穿
过，两个滚动导电模块(2)之间以及两个滚动导电模块(2)的外侧均固定安装有绝缘层，所
述绝缘层包括内环绝缘层(4)和外环绝缘层(5)，外环绝缘层(5)与滚动导电模块(2)的外廓
尺寸一致且与滚动导电模块(2)固定连接，内环绝缘层(4)位于靠近绝缘芯轴(10)一侧，与
滚动导电模块(2)中部通孔的外廓尺寸一致且与滚动导电模块(2)固定连接；绝缘芯轴(10)
上的凹槽与滚动导电模块(2)以及内绝缘层(4)上的凸台过盈配合连接；

[0010] 绝缘外壳(1)上设置有圆台孔结构以及多处通孔，通孔用于安装绝缘顶丝(9)，以实现对于滚动导电模块(2)的定位；绝缘外壳(1)外侧还固定有两个环形导电槽(15)，环形
导电槽(15)上有向内的楔形圆柱结构，穿过绝缘外壳(1)上的圆台孔结构，插入到滚动导电
模块(2)上，楔形圆柱结构用于定位限位；

[0011] 绝缘外壳(1)的封闭端有凸出轴结构，与真空电机(11)的旋转端连接，在真空电机(11)的驱动下，使得绝缘外壳(1)随之转动；

[0012] 高压电刷(3)通过环形导电槽(15)与滚动导电模块(2)导通，高压电刷(3)至环形导电槽(15)，再由环形导电槽(15)至滚动导电模块(2)，再至负载电阻(6)形成导电回路。

[0013] 进一步的，外环绝缘层(5)和内环绝缘层(4)均为空心圆柱结构，圆周均布4处通孔。

[0014] 进一步的，滚动导电模块(2)与内环绝缘层(4)之间通过第二绝缘螺钉螺母(8)固定连接，滚动导电模块(2)与外环绝缘层(5)之间通过第一绝缘螺钉螺母(7)固定连接，滚动
导电模块(2)与内环绝缘层(4)上设置的通孔用于穿过绝缘螺钉螺母。

[0015] 进一步的，真空电机(11)的旋转端和绝缘外壳(1)封闭端的凸出轴结构之间通过顶丝(9)定位。

[0016] 进一步的，真空电机(11)的旋转端、绝缘外壳(1)封闭端的凸出轴结构以及绝缘芯轴(10)同轴。

[0017] 进一步的，滚动导电模块(2)包括固定端(12)、旋转端(13)和薄壁弹性环(14)，固定端(12)与绝缘芯轴(10)过盈配合连接，旋转端(13)与绝缘外壳(1)之间通过顶丝(9)相对
固定，旋转端(13)与绝缘外壳(1)同步旋转运动，多个薄壁弹性环(14)设置在固定端(12)和
旋转端(13)之间且电连通，旋转端(13)转动时带动薄壁弹性环(14)围绕固定端转动，同时
薄壁弹性环(14)自身旋转。

[0018] 进一步的，环形导电槽(15)为薄壁环形结构，材料为铍青铜，环形导电槽(15)上的楔形圆柱结构插入到滚动导电模块(2)的旋转端(13)中与旋转端(13)固定连接且电连通。

[0019] 进一步的，位置固定的高压电刷(3)一端连接高压电源，另一端与环形导电槽(15)之间滑动电接触，高压电刷(3)与环形导电槽(15)之间形成相对转动副。

[0020] 进一步的，负载电阻(6)连接在两个滚动导电模块(2)的固定端之间，高压电刷(3)通过环形导电槽(15)与滚动导电模块(2)的旋转端(13)导通，高压电刷(3)至环形导电槽
(15)，再由环形导电槽(15)依次至滚动导电模块(2)的旋转端(13)、薄壁弹性环(14)、固定
端(12)，再至负载电阻(6)形成导电回路。

[0021] 进一步的，绝缘外壳(1)、内环绝缘层(4)、外环绝缘层(5)、绝缘顶丝(9)以及绝缘芯轴(10)均采用绝缘材料，为聚醚醚酮。

[0022] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0023] (1)本发明装置能够实现真空、高电压通电状态下的滚动式导电旋转关节的转动运动，可以调整高压电刷的电压、真空电机的转速来调整导电模块的电压、转速，从而模拟
导电旋转关节在不同电压、转速工况下的运动。

[0024] (2)滚动导电模块包含固定端、旋转端和薄壁弹性环三大部分，可根据试验需求设计加工不同壁厚的薄壁弹性环(传导电流值不同)。薄壁弹性环采用铍青铜材料，具备优异
的弹性性能与导电性能，可以加工成所需不同壁厚、直径的薄壁弹性环。

[0025] (3)通过高压电刷、环形导电槽、滚动导电模块的旋转端、固定端、薄壁弹性环和电阻等结构的系统组合创新，实现了本发明装置在旋转运动过程中的导电回路，从而实现了
模拟导电旋转关节实际工况下的滚动运动、导电功能。

[0026] (4)环形导电槽创新性设计，使其一方面具备在绝缘外壳的定位限位功能；另一方面保证和滚动导电模块的旋转端形成稳定的电接触。

附图说明

[0027] 图1为本发明装置结构图，其中图1a为剖视图，图1b是左视图；

[0028] 图2为本发明滚动导电模块结构图，其中图2a为正视图，图2b为左视图；

[0029] 图3为本发明外环绝缘层结构图，其中图3a为左视图，图3b为剖视图；

[0030] 图4为本发明内环绝缘层结构图，其中图4a为左视图，图4b为剖视图；

[0031] 图5为本发明环形导电槽结构图。

具体实施方式

[0032] 本发明涉及一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，用于模拟空间超大功率且功率可扩展航天器如平台式空间太阳能电站的电力传输关键部件——“导电
旋转关节”在通电过程中的相对转动。通过模拟该运动，为检测导电旋转关节滚动摩擦/导
电接触性能、机械摩擦/电接触复合损伤机制以及绝缘介质充放电机制提供基础。

[0033] 如图1a、图1b所示，本发明提出的一种模拟真空环境下模块化滚动式导电旋转运动的装置，包括：绝缘外壳1、滚动导电模块2、高压电刷3、内环绝缘层4、外环绝缘层5、负载
电阻6、绝缘顶丝9、绝缘芯轴10、真空电机11以及环形导电槽15；

[0034] 绝缘外壳1为一端开口的空心圆柱结构，两个滚动导电模块2设置在绝缘外壳1内部且与绝缘外壳1同轴；滚动导电模块2中部设置有通孔，绝缘芯轴10从中穿过，两个滚动导
电模块2之间以及两个滚动导电模块2的外侧均固定安装有绝缘层，所述绝缘层包括内环绝
缘层4和外环绝缘层5，外环绝缘层5与滚动导电模块2的外廓尺寸一致且与滚动导电模块2
固定连接，内环绝缘层4位于靠近绝缘芯轴10一侧，与滚动导电模块2中部通孔的外廓尺寸
一致且与滚动导电模块2固定连接；绝缘芯轴10上的凹槽与滚动导电模块2以及内绝缘层4
上的凸台过盈配合连接；

[0035] 待内环绝缘层4、外环绝缘层5、绝缘芯轴10连接完成后，再集中安装至绝缘外壳1内部。

[0036] 绝缘外壳1上设置有圆台孔结构以及多处通孔，通孔用于安装绝缘顶丝9，以实现对于滚动导电模块2的定位；绝缘外壳1外侧还固定有两个环形导电槽15，环形导电槽15上
有向内的楔形圆柱结构，穿过绝缘外壳1上的圆台孔结构，插入到滚动导电模块2上，楔形圆
柱结构用于定位限位；

[0037] 绝缘外壳1的封闭端有凸出轴结构，与真空电机11的旋转端连接，在真空电机11的驱动下，使得绝缘外壳1随之转动；

[0038] 高压电刷3通过环形导电槽15与滚动导电模块2导通，高压电刷3至环形导电槽15，再由环形导电槽15至滚动导电模块2，再至负载电阻6形成导电回路。

[0039] 如图3a、图3b、图4a、图4b所示，外环绝缘层5和内环绝缘层4均为空心圆柱结构，圆周均布4处通孔。滚动导电模块2与内环绝缘层4之间通过第二绝缘螺钉螺母8固定连接，滚
动导电模块2与外环绝缘层5之间通过第一绝缘螺钉螺母7固定连接，滚动导电模块2与内环
绝缘层4上设置的通孔用于穿过绝缘螺钉螺母。

[0040] 真空电机11的旋转端和绝缘外壳1封闭端的凸出轴结构之间通过顶丝9定位。真空电机11的旋转端、绝缘外壳1封闭端的凸出轴结构以及绝缘芯轴10同轴。

[0041] 如图2a、图2b所示，滚动导电模块2包括固定端12、旋转端13和薄壁弹性环14，固定端12与绝缘芯轴10过盈配合连接，旋转端13与绝缘外壳1之间通过顶丝9相对固定，旋转端
13与绝缘外壳1同步旋转运动，多个薄壁弹性环14设置在固定端12和旋转端13之间且电连
通，旋转端13转动时带动薄壁弹性环14围绕固定端转动，同时薄壁弹性环14自身旋转。

[0042] 如图5所示，环形导电槽15为薄壁环形结构，为同时保证较好的弹性、导电性与轻质性，材料为铍青铜，环形导电槽15上的楔形圆柱结构插入到滚动导电模块2的旋转端13中
与旋转端13固定连接且电连通。

[0043] 位置固定的高压电刷3一端连接高压电源，另一端与环形导电槽15之间滑动电接触，高压电刷3与环形导电槽15之间形成相对转动副。

[0044] 负载电阻6连接在两个滚动导电模块2的固定端之间，高压电刷3通过环形导电槽15与滚动导电模块2的旋转端13导通，高压电刷3至环形导电槽15，再由环形导电槽15依次
至滚动导电模块2的旋转端13、薄壁弹性环14、固定端12，再至负载电阻6形成导电回路。

[0045] 本发明中，绝缘外壳1、内环绝缘层4、外环绝缘层5、绝缘顶丝9以及绝缘芯轴10均采用绝缘材料，为聚醚醚酮。

[0046] 本发明装置工作原理：

[0047] 本发明装置实现了在真空环境中的滚动式导电模块的通电运动，转速(1r/24h至数转/分钟)与电压(100v以上)可调，从而模拟(航天)滚动式导电旋转关节的实际工况。具
体的，通过高压电刷、环形导电槽、滚动导电模块的旋转端、固定端、薄壁弹性环和电阻等结
构的系统创新组合以及关键结构的创新性设计，实现了本发明装置在旋转运动过程中的导
电回路，从而实现了模拟导电旋转关节实际工况下的滚动运动、导电功能。