ТОКОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
CURRENT-COLLECTING DEVICE

Изобретение относится к токосъемным устройствам, обеспечивающим передачу электрических постоянных, переменных и импульсных сигналов в широком диапазоне частот и мощностей между источником и приемником, расположенных во взаимовращающихся частях объекта, и может применяться в электротехнике, системах управления, радиолокации, для кодирования информации и т.д.
Известно устройство (3), содержащее корпус, внутри которого расположены токопроводящие кольца совместно с кольцами из диэлектрического материала, образующие вращающееся электрическое соединение.
Среди аналогов можно назвать и устройства (1, 2), имеющие токопроводящие кольца с обращенными друг к другу зубчатыми венцами, неподвижно соединенные с коаксиальными объектами, способными поворачиваться друг относительно друга на неограниченный угол, и установленные с напряжением между ними промежуточные токопроводящие упругие зубчатые кольца, содержащие концентрично расположенные токопроводящие кольца, волновую механическую передачу, состоящую из генератора волн, жесткого и гибкого звеньев, кольца, неподвижно закрепленные на звеньях передачи и изолированно от них. При этом кольца гибкого звена упруго прижаты к соответствующим кольцам жесткого звена генератором волн передачи не менее чем в двух диаметральнопротивоположных областях, образуя кинематические пары.
Основные недостатки этих устройств - низкая надежность из-за возможного разрыва контакта между пластинами при вибрации и недостаточная долговечность, поскольку пластины подвержены выгоранию в зоне точечного контакта, ограниченные функциональные возможности - передача вращающего момента и электроэнергии только в режиме непрерывного вращения.
Наиболее близким по технической сущности и назначению является токосъемное устройство («Метеорологический радиолокатор МРЛ-5. Схемы электрические принципиальные. Папка №6, Токосъемник 4.833.006 Э36-30»), выбранное в качестве прототипа, содержащее пыле- влагозащищенный корпус, наполненный смазывающей диэлектрической жидкостью, и расположенную внутри трубу. На вращающейся трубе размещен набор контактных колец из диэлектрического материала, разделенный на группы в соответствии с их принадлежностью к определенным разъемам токосъемного устройства, причем группа колец, соединенных с силовыми разъемами, расположена в нижней части набора колец. Каждая группа колец состоит из пакетов, каждый из которых в свою очередь состоит из вращающегося с трубой кольца статора и неподвижного относительно корпуса кольца ротора. На кольце статора с обеих сторон приклеены контактные поверхности из электропроводящего материала, а на кольце ротора закреплены токосъемные ламели. Контактные поверхности и токосъемные ламели имеют контактные площадки для подсоединения проводов. Кольца статора и ротора относительно корпуса и между собой изолированы гетинаксовыми кольцами. Каждый пакет колец образует вращающееся электрическое соединение. Контактные площадки пакетов колец в группах расположены по спирали равномерно по окружности корпуса токосъемного устройства. Провода от контактных площадок колец статора и ротора идут вверх, собираются над набором колец в два жгута и далее соединяются с контактами основных и дублирующих разъемов, расположенных в верхней части корпуса токосъемного устройства.
Такая схема расположения колец и проводов обладает существенными  недостатками, поскольку расположение в нижней части набора колец группы колец, каждое из которых соединено с соответствующими контактами основных и дублирующих силовых разъемов, обуславливает наибольшую длину силовых проводов. При передаче по силовым проводам высоковольтных сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) существенно снижается помехозащищенность низковольтных аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых через слаботочные цепи. Провода, по которым к разъемам передаются сигналы разной мощности и частоты, объединяются в общих жгутах, что также способствует сильным взаимным наводкам на соседние провода, причем сильные импульсные наводки блокируют прохождение слаботочных сигналов на определенных частотах. Кроме того, расположение в нижней части набора колец группы, через которую передаются высоковольтные силовые сигналы, снижает ее устойчивость к электрическим утечкам и пробоям вследствие гигроскопичности смазывающей диэлектрической жидкости и постепенного накапливания воды в ее нижнем слое. Постепенная деградация диэлектрических свойств смазывающей жидкости сначала приводит к электрическим утечкам, вызывающим паразитные наводки на слаботочные цепи, а последующий электрический пробой воздействует как на слаботочные, так и на силовые цепи.
Корпус и труба токосъемника соединены соответственно с неподвижной и подвижной частями привода вращения. Для контроля уровня жидкости на корпусе токосъемника размещено смотровое стекло с двумя горизонтальными рисками на стекле.
Общий вид токосъемника приведен на фиг.1, где:
1 - корпус токосъемника со статорными кольцами;
2 - контактные разъемы Ш1-Ш10 (основные и дублирующие);
3 - труба с роторными кольцами;
4 - место залива диэлектрической смазывающей жидкости;
5 - место слива диэлектрической смазывающей жидкости;
6 - смотровое стекло с рисками.
Задачей предлагаемого устройства является снижение электрических наводок от мощных сигналов с широтно-импульсной модуляцией для гарантированного прохождения низковольтных аналоговых и цифровых сигналов и повышение устойчивости к электрическим утечкам и пробоям.
Решение указанной задачи достигается тем, что:
Во-первых, группа колец (кольца №61-72) для передачи высоковольтных сигналов с ШИМ (разъемы Ш1, Ш2, Ш6, Ш7) размещена вверху набора колец, причем пакеты колец используются попарно (запараллелены) и соединены между собой гибкими перемычками длиной не более 15 мм. Контакты разъема Ш1 запараллелены с контактами дублирующего разъема Ш2, аналогично запараллелены контакты Ш6 и Ш7. К контактным площадкам колец припаяны силовые провода в экранирующих оплетках и напрямую соединены с соответствующими контактами разъемов Ш2 и Ш7. Экранирующие оплетки заземлены в одну точку на корпус под винт: от проводов с роторных колец - рядом с разъемом Ш7, от проводов со статорных колец - рядом с разъемом Ш2. Между группой колец для передачи силовых сигналов и группами колец для передачи низковольтных аналоговых и цифровых сигналов дополнительно введены разделительные экранирующие кольца (кольца №59, 60, 39), заземленные аналогично экранирующим оплеткам. Перенос вверх группы колец для передачи высоковольтных сигналов с ШИМ повышает ее устойчивость к электрическим утечкам и пробоям, а также уменьшает общую длину силовых проводов, что в совокупности с экранированием и заземлением существенно снижает уровень излучаемых ими электромагнитных помех и паразитных наводок на слаботочные цепи.
Во-вторых, исключены дублирующие разъемы Ш5, Ш10 и, соответственно, провода между ними и кольцами, а весь монтаж проводов, идущих к разъемам Ш3, Ш4, Ш8, Ш9, выполнен проводами, скрученными в витую пару. Каждая пара колец ротора и статора в соседних пакетах передает сигналы по одной витой паре. Витые пары собираются вдоль набора колец в четыре жгута и далее соединяются с контактами разъемов Ш3, Ш4, Ш8, Ш9. Исключение дополнительных проводов и применение витой пары проводов с согласованным волновым сопротивлением обеспечивает повышенную помехозащищенность для слаботочных цифровых сигналов и защиту слаботочных аналоговых сигналов от воздействия синфазных помех со стороны мощных сигналов с ШИМ.
В-третьих, группы и пакеты колец скомпонованы таким образом, что контактные площадки в каждом пакете колец располагаются рядом (в секторе примерно 15°) и для каждой группы распределены в одном из четырех секторов размером 90° по окружности корпуса токосъемного устройства, что исключает пересечение жгутов проводов для разных разъемов и позволяет использовать провода на концах витой пары без скрутки длиной не более 2 см. Распределение контактных площадок в группах и пакетах колец дополнительно уменьшает взаимное влияние мощных сигналов друг на друга, влияние мощных сигналов на слаботочные и взаимное влияние слаботочных сигналов друг на друга.
Предлагаемое устройство работает аналогично приведенному в «Метеорологический радиолокатор МРЛ-5. Техническое описание 1 230 032 Т05, п.1.17. Токосъемник 4.833.006» Изд. ВНИИРА, г.Ленинград, стр.56.
Реализация устройства изобретения осуществима на предприятиях машиностроения и радиоэлектронной промышленности. Предлагаемое изобретение реализовано в ОКР образца МРЛ-700С в «ОАО ВНИИРА» Санкт-Петербург в 2012 г.
Литература
1. А.с. СССР №796964, кл. H01R 39/00, 1981. Опубл. 15.01.81. Бюл. №2.
2. Устройство Пат. РФ №2178608, кл. H01R 39/00, 39/08, опубл. 20.01.2002. Бюл. №2.
3. Патент РФ №2392709, по МПК H01R 39/00 от 03.12.2008 г.
4. Метеорологический радиолокатор МРЛ-5. Техническое описание 1230032 ТО5, п.1.17. Токосъемник 4.833.006» Изд. ВНИИРА, г. Ленинград, стр.56.