Вращающееся контактное устройство
ROTATING CONTACT DEVICE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для передачи электрических сигналов, в том числе кодированных информационных сигналов из неподвижной части объекта в его вращающуюся часть.
Известны вращающиеся контактные устройства (ВКУ), содержащие вращающееся кольцо контактирующее с неподвижной упругой проводящей гребенкой в виде отогнутых лепестков [1].
Недостаток известного устройства: имеет надежный многоточечный электрический контакт, но не обеспечивает полосу пропускания, необходимую для трансляции высокоскоростных интерфейсов, т.к. обладает большой переходной электрической емкостью между соседними контактными парами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вращающемуся контактному устройству, взятому за прототип, является щеточный узел коллектора, состоящий из пакета плоских щеткодержателей, разделенных изолирующими прокладками и упругих щеток, выполненных в виде отрезков круглой проволоки, одни из концов которых жестко закреплены на соответствующих щеткодержателях, а средние части контактируют с соответствующими контактными кольцами коллектора [2].
Недостатком вращающегося контактного устройства, взятого за прототип, является наличие шума в сигнале из-за изменяющегося прижимного усилия неподвижного контакта пакета щеткодержателей с соответствующим контактным кольцом коллектора, так как изменение прижимного усилия при вращении происходит из-за овальности (дефект обработки кольца коллектора) и несоосности (дефект сборки пакета).
Технический результат изобретения заключается в уменьшении шумов, повышение надежности и стабильности контактного сопротивления при вращении, за счет:
- уменьшения переменной составляющей, обусловленной изменением контактного электрического сопротивления в диаметрально расположенных точках электрического контакта неподвижной двухэлементной вилки и вращающегося кольца, обусловленной овальной формой (погрешность изготовления) контактных колец коллектора и нарушением соосности вращающихся колец (за счет погрешности сборки коллектора);
- уменьшения амплитуды шумов, обусловленных изменением падения напряжения на контактном электрическом сопротивлении, в диаметрально расположенных точках электрического контакта неподвижной двухэлементной вилки и вращающегося кольца коллектора;
- плоские упругие контакты в виде двухэлементных вилок выполнены из пружинистого материала, например из бериллиевой бронзы, причем для улучшения пружинящих свойств ось симметрии элементов вилки совпадает с направлением проката пружинистого материала, т.к. в этом направлении пружинистый материал имеет максимальные пружинистые свойства;
- повышение динамической стабильности контактного электрического сопротивления при вращении достигается за счет исключения переменной составляющей, обусловленной овальной формой (погрешность изготовления) контактных колец коллектора, нарушения соосности вращающихся колец (за счет погрешности сборки коллектора), путем крепления каждого плоского неподвижного контакта в одной точке на оси параллельной оси вращения контактных колец коллектора, что позволяет плоскому неподвижному контакту свободно отслеживать овальность и несоосность кольца коллектора, тем самым уменьшить переменную составляющую контактного электрического сопротивления.
m
Действительно, для случая крепления плоского упругого контакта жестко, т.е. не менее, чем в двух точках в плоскости вращения контактных колец коллектора и если предположить, что изменение контактного электрического сопротивления r при вращении происходит по синусоидальному закону с частотой вращения со, можно записать общее выражение для электрического тока в цепи контакта
,
e
где R - электрическое сопротивление нагрузки;
Е - э.д.с. источника постоянного тока;
0
r - контактное электрическое сопротивление в состоянии покоя;
m
r - переменное электрическое сопротивление электрического контакта, вызванное вращением;
a
e
a
0
r - внутреннее электрическое сопротивление источника постоянного тока. Обозначив сопротивление R + r + r = R, получим:
Отношение  является индексом модуляции контактного электрического сопротивления. Введем его в формулу (2), получим:
При малых величинах индекса модуляции в уравнении (3) членами, заключенными в скобки, начиная со второго и далее, можно пренебречь, тогда
или
Из уравнения (5) видно, что при вращении в цепи контакта возникает пульсирующий ток с постоянной
и переменной составляющей
или
Амплитуда переменной составляющей выражается как
Следовательно, напряжение на контакте при вращении, кроме постоянной составляющей имеет паразитную составляющую, пропорциональную индексу модуляции и ухудшающую соотношение сигнал/шум, что обусловит необходимость увеличения полосы пропускания информационного канала.
Таким образом, исключение переменной составляющей за счет изменения конструкции пакета щеткодержателей позволяет повысить стабильность электрического сопротивления контакта и улучшить соотношение сигнал/шум канала передачи информационного сигнала.
Для уменьшения амплитуды шумов и увеличения соотношения сигнал/шум, обусловленных изменением контактного электрического сопротивления при вращении, в диаметрально расположенных точках электрического контакта неподвижной двухэлементной вилки и вращающегося кольца, установлены дополнительные двухэлементные неподвижные вилки таким образом, чтобы электрический контакт с одним вращающимся кольцом одновременно осуществлялся в точках, расположенных по внешней окружности кольца через промежутки кратные 360°/2k, при этом частота переменной составляющей шумов ω/60 (Гц) увеличивается, а индекс модуляции уменьшается в 2k раз, что способствует уменьшению амплитуды шумов во столько же раз, здесь k = 1, 2, 3 … количество дополнительных двухэлементных неподвижных контактных вилок.
Конструкция вращающегося контактного устройства позволяет получить дополнительные полезные свойства для контактных пар, работающих в каналах передачи кодированной информации, для которых кроме стабильности контактного сопротивления необходима также стабильность полосы пропускания канала. Формирование желаемой полосы пропускания канала достигается изменением изоляционного промежутка между соседними контактными парами, участвующими в передаче кодированной информации, применением изоляционных прокладок необходимой толщины и относительной диэлектрической проницаемости.
На фиг. 1 представлено вращающееся контактное устройство.
Устройство содержит коллектор (поз. 1) с соосно расположенными контактными кольцами (поз. 2) (вращающаяся часть) и пакет щеткодержателей (поз. 3) с упругими плоскими контактами, выполненными в виде двухэлементных вилок (поз. 4) (неподвижная часть). В средней части вилок имеется отверстие, в которое пропущена ось щеткодержателя (поз. 5), выполненная из изоляционного материала, а боковые части вилок охватывают контактные кольца коллектора.
Устройство работает следующим образом. При вращении коллектора (поз. 1), соосно расположенные в нем контактные кольца (поз. 2) своей внешней поверхностью скользят по упругим плоским контактам, выполненным в виде двухэлементных вилок (поз. 4), собранным в пакет (поз. 3), тем самым осуществляя электрический контакт между неподвижной (поз. 4) и вращающейся частью (поз. 2), причем каждая двухэлементная вилка имеет одну точку опоры на оси (поз. 5) параллельной оси вращения коллектора и имеет возможность свободно перемещаться в горизонтальном секторе «несоосности» и «овальности» соответствующего контактного кольца коллектора.
Технико-экономическая эффективность изобретения состоит в том, что
уменьшение переменной составляющей за счет изменения конструкции пакета щеткодержателей позволяет повысить стабильность электрического сопротивления контакта, улучшить соотношение сигнал/шум канала передачи информационного сигнала за счет установки дополнительных двухэлементных вилок, и, тем самым, увеличить скорость передачи цифровых данных в электрических цепях вращающегося контактного устройства.
Предлагаемая конструкция вращающегося контактного устройства позволяет получить дополнительные полезные свойства у контактных пар, работающих в каналах передачи кодированной информации, для которых кроме стабильности контактного сопротивления необходима также стабильность полосы пропускания канала. Формирование желаемой полосы пропускания канала достигается изменением изоляционного промежутка между соседними контактными парами, участвующими в передаче кодированной информации, применением изоляционных прокладок необходимой толщины и относительной диэлектрической проницаемости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 патент РФ №2267841, МПК H01R 39/00, опубл. 10.01.2006 г.
2 патент РФ №2111586, МПК H01R 39/00 опубл. 20.05.1998 г.