CN106992415A - 一种液态金属高速旋转电连接器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态金属高速旋转电连接器，包括外壳、输出端端盖、输入端端盖、电转子和液态金属，所述输出端端盖和输入端端盖设置在所述外壳两端，所述输出端端盖设置有输出端子，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与所述外壳、输出端端盖之间形成内腔，所述液态金属设置在所述内腔里。与现有技术相比，本发明结构紧凑，无响应迟滞效应，磨损量极其小，具有结构简单，加工成本较低，同时本发明设计有磁流体密封，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了电连接器的响应速度、稳定性、可靠性、经济性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转电连接器，尤其是涉及一种液态金属高速旋转电连接器及其设计方法。
背景技术
旋转电连接器是其输入端和输出端可绕公共轴转动，并能保证电路连接的连接器，通常应用在汽车转向装置、深井钻机、CNC床等设备中。在旋转连接器中，最为常见的形式是机械结构式，即通过固定外筒体和具有内筒体的可转动体同轴配置，并将带状电缆容纳并卷绕在这些外筒体和内筒体之间划分出的容纳空间内，来实现旋转电路连接的。这种旋转连接器用作汽车的转向装置那样旋转数有限的把手上所安装的安全气囊充气机等的电连接单元。上述带状电缆是绝缘膜中承载有导体的带状体，常见的有将该带状电缆卷绕成螺旋状的螺旋型和在中途反转并卷绕的反转型，但后者的反转型能够显著缩短带状电缆的长度，在一定程度上缩小了旋转连接器的尺寸。
现有技术的主要旋转电路连接器主要靠带状电缆或轴瓦的同轴布置，但这种形式造成电连接器内部电缆和轴瓦在通电状况下不断摩擦，这样极易发热，产生电火花，严重影响电连接器的性能，并可能产生危险事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液态金属高速旋转电连接器及其设计方法，以解决现有的机械结构式电连接器连接不可靠、对工作环境要求较多的问题。
为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种液态金属高速旋转电连接器，包括外壳、输出端端盖、输入端端盖、电转子和液态金属，所述输出端端盖和输入端端盖设置在所述外壳两端，所述输出端端盖设置有输出端子，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与所述外壳、输出端端盖之间形成内腔，所述液态金属设置在所述内腔里。外壳作为旋转连接器的主体，其主要作用是外部固定和支撑作用。输出端端盖用于输出电流。输入端端盖主要用于固定电转子，并与外壳、输出端端盖形成闭合空间。电转子主要承担旋转电连接器的旋转动作，并将外部电流传递到输出端。液态金属主要用于润滑电转子与输出端子之间的相对转动，并将电流从电转子传递到输出端子。电流从电转子的输入端子进入，经过液态金属后从输出端端盖的输出端子输出。
所述外壳设置有密封永磁铁，所述密封永磁铁设置在所述外壳内壁，位于所述外壳内壁与所述电转子外壁之间。密封永磁铁用于防止内部液态金属在输入端端盖与外壳连接处的泄露。
所述密封永磁铁与所述电转子之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，所述间隙内设置有磁流体。磁流体主要用于密封液态金属，提高了密封性，主要利用了磁流体在磁场作用下的磁粘性增大的特性，对于水基磁流体来讲，永磁铁的磁场强度应大于0.1T（特斯拉）。常用的材料有钕铁硼永磁铁、铁氧体永磁铁。
所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。可根据具体使用温度进行选择，镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金的液相线分别为29.78、25.0、10.7、7.6，固相线29.78、15.7、10.7、6.5（单位：摄氏度）。
所述磁流体为感温绝缘磁性流体，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。选用时综合考虑流体粘度、压力和经济性来选择不同磁化强度的磁流体，磁化强度越高，磁流体固体特性越明显。
所述外壳为不导电材料，所述输出端端盖的输出端子为除铝以外的导电材料，所述电转子为整体采用除铝以外的导电材料，或在高分子硬质材料中嵌入除铝以外的导电材料芯棒。铝除外，是因为铝与镓会产生化学反应。
一种液态金属高速旋转电连接器的设计方法，包括以下步骤：
S1设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin；
S2根据电转子直径D1设计外壳，外壳采用不导电材料；
S3根据外壳尺寸设计输入端端盖和输出端端盖；
S4将输出端端盖安装在外壳上；
S5将液态金属进行低温固化，放入电转子与输出端端盖之间的内腔中，将电转子安装配合；
S6安装输入端端盖。
步骤S2还包括：在外壳内壁开设密封永磁铁安装槽。
步骤S6先将密封永磁铁安装在密封永磁铁安装槽内，在密封永磁铁与电转子之间注入磁流体，再安装输入端端盖。
步骤S5将电转子安装配合后，电转子与输出端子之间的间距W的取值范围为W>200μm。
本发明具有以下优点：（1）本发明结构简单，设计紧凑，各部分相对独立，方便维护和检修；（2）本发明具有良好互换性、可以实现模块化、系列化和快速设计；（3）本发明对工作环境无特殊要求，能够适应各种特殊环境；（4）本发明利用液态金属与其它金属接触角较大，因此可以适应高速旋转；（5）本发明对连接段的长度尺寸无特殊要求，可以做的很小，电转子和输出端子之间的缝隙可以小到200μm。
与现有技术相比，本发明结构紧凑，无响应迟滞效应，磨损量极其小，具有结构简单，加工成本较低，同时本发明设计有磁流体密封，可应用于灰尘、水下等极端环境，极大地提高了电连接器的响应速度、稳定性、可靠性、经济性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的剖视结构立体示意图；
图2为本发明的剖视结构平面示意图；
图3为本发明的外壳的剖视图；
图4为本发明的输出端端盖的剖视图；
图5为本发明的输入端端盖的剖视图；
图6为本发明的电转子的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的结构如图1、图2所示，包括外壳1、输出端端盖2、输入端端盖3、电转子4和液态金属。外壳1的结构如图3所示，输出端端盖2和输入端端盖3设置在外壳1两端,。如图4所示，输出端端盖2设置有输出端子21。如图5所示，输入端端盖3设置有通孔31。电转子4设置在外壳1内，如图6所示，电转子4一端设置有输入端子41，从输入端端盖3的通孔31穿出，电转子4另一端与外壳1、输出端端盖2之间形成内腔5，液态金属设置在内腔5里。
外壳1设置有密封永磁铁11，密封永磁铁11设置在外壳1内壁，位于外壳1内壁与电转子4外壁之间。密封永磁铁11与电转子4之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，间隙内设置有磁流体。
液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。磁流体为感温绝缘磁性流体，感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。外壳1为不导电材料，输出端端盖2的输出端子21为除铝以外的导电材料，电转子4为整体采用除铝以外的导电材料，或在高分子硬质材料中嵌入除铝以外的导电材料芯棒。
本发明的电连接器，可以根据不同的实际需求进行快速设计，包括以下步骤：
第一步：根据液态金属的物理化学性质选用不同基质的绝缘磁流体，一般常用感温绝缘磁流体，因为感温绝缘磁流体混合液具有良好的散热性，常用的感温绝缘磁流体有水基、油基、酯基和氟醚油等磁流体，选用时综合考虑实验流体粘度和经济性来选择不同磁化强度的磁流体；
第二步：根据电连接器需求（电压电流转速）设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin，如果电转子整体用导电材料，则其最小直径D1应该略大于输出端子直径D2，电转子中导电材料的最小直径D11和输出端子直径D2都要大于电极最小安全许用直径Dmin；
第三步：根据电转子直径设计外壳，在外壳内壁开设密封永磁铁安装槽，外壳必须采用不导电材料；
第四步：根据外壳尺寸设计输入端端盖、端盖密封永磁铁、输出端端盖；
第五步：低温固化液态金属（最好在注塑模中固化），将其放入电转子与输出端端盖之间，将电转子安装配合，电转子与输出端子之间的间距W的取值范围为W>200μm；
第六步：安装端盖密封永磁铁，将磁流体注入至端盖密封永磁铁于电转子之间，安装输入端端盖并密封；
第七步：在初次装配后，需要进行通电实验，保证装配的有效性。
Claims (10)
1.一种液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，包括外壳、输出端端盖、输入端端盖、电转子和液态金属，所述输出端端盖和输入端端盖设置在所述外壳两端，所述输出端端盖设置有输出端子，所述输入端端盖设置有通孔，所述电转子设置在所述外壳内，所述电转子一端设置有输入端子从所述输入端端盖的通孔穿出，所述电转子另一端与所述外壳、输出端端盖之间形成内腔，所述液态金属设置在所述内腔里。
2.根据权利要求1所述的液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，所述外壳设置有密封永磁铁，所述密封永磁铁设置在所述外壳内壁，位于所述外壳内壁与所述电转子外壁之间。
3.根据权利要求2所述的液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，所述密封永磁铁与所述电转子之间设置有0.02至0.2毫米的间隙，所述间隙内设置有磁流体。
4.根据权利要求1所述的液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
5.根据权利要求1所述的液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，所述磁流体为感温绝缘磁性流体，所述感温绝缘磁流体为水基、油基、酯基或氟醚油磁流体。
6.根据权利要求1所述的液态金属高速旋转电连接器，其特征在于，所述外壳为不导电材料，所述输出端端盖的输出端子为除铝以外的导电材料，所述电转子为整体采用除铝以外的导电材料，或在高分子硬质材料中嵌入除铝以外的导电材料芯棒。
7.一种液态金属高速旋转电连接器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1设计电转子直径D1、输出端子直径D2以及电极最小安全许用直径Dmin；
S2根据电转子直径D1设计外壳，外壳采用不导电材料；
S3根据外壳尺寸设计输入端端盖和输出端端盖；
S4将输出端端盖安装在外壳上；
S5将液态金属进行低温固化，放入电转子与输出端端盖之间的内腔中，将电转子安装配合；
S6安装输入端端盖。
8.根据权利要求7所述的液态金属高速旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S2还包括：在外壳内壁开设密封永磁铁安装槽。
9.根据权利要求8所述的液态金属高速旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S6先将密封永磁铁安装在密封永磁铁安装槽内，在密封永磁铁与电转子之间注入磁流体，再安装输入端端盖。
10.根据权利要求7所述的液态金属高速旋转电连接器的设计方法，其特征在于，步骤S5将电转子安装配合后，电转子与输出端子之间的间距W的取值范围为W>200μm。
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