滚动汇流环技术的发展和应用综述

刘文科 郑传荣 赵克俊

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

汇流环是雷达设备的关键部件，用于实现雷达的旋转部分与固定部分之间的电能和信号的稳定可靠连接［1］。按照接触形式的不同，汇流环可分为滑动汇流环和滚动汇流环。传统的汇流环以滑动汇流环为主，其原理是依靠电刷和导电环形成滑动接触摩擦副，实现电能和信号的传输［2］。由于其接触特性，决定了工作过程中电刷和导电环之间存在一定的磨损，产生的粉末容易滞留在汇流环内，轻则导致工作过程中接触电阻过大，不满足所规定的技术指标要求，重则汇流环发生打火现象，影响雷达整机的正常使用。滚动汇流环采用滚动接触形式，能够较好地规避以上这些问题，它具有电阻低、噪音小、低磨损、寿命长等优点，因此应用前景十分广阔。

本文将从滚动汇流环的工作原理、主要特点、发展历程及应用前景等多个方面对滚动汇流环进行详细阐述。

1 滚动汇流环概述

滚动汇流环简称滚环，它是相对于滑动汇流环(简称滑环)而言的，其主要组成部分由一个或多个弹性环和内、外导电环构成，弹性环与内外导电环接触，构成滚动接触副，如图1所示。滚动汇流环的工作原理为:假定外导电环固定不动，内导电环以速度ωi顺时针旋转，带动弹性环以速度ωe逆时针自转的同时绕接触副的轴线顺时针公转。在弹性环转动过程中，由于弹性环与内外导电环间存在一定的电接触压力迫使弹性环产生一定的径向压缩变形，因此弹性环与内、外导电环之间始终保持电接触，从而保证内、外导电环的电信号的连续传输［3］。

根据每个通道内弹性环的个数，滚动汇流环可分为单环和多环等形式。图2所示为某多环形式的滚动汇流环试验样机图，滚道内均匀布置12个弹性环以及12个惰轮，结构紧凑。

2 滚动汇流环的主要特点

与传统的滑动汇流环相比，滚动汇流环具有以下优点［4-9］:

a.接触电阻低

滚动汇流环使用至少一个弹性环与内外导电环代替滑动汇流环形式的电刷和环槽，以表面间的滚动接触替代了滑动汇流环的滑动接触，因而摩擦力矩显著减小，电阻波动也小。

b.信号噪声低

一个带两个弹性环的滚动汇流环组件常规条件下的信号噪声在20mΩ范围内，如果再增加一个弹性环则信号噪声可降低到10mΩ范围内。

c.摩擦转矩低

滚动汇流环不像滑动汇流环要求以摩擦来保证接触，其接触形式就像是在铁路轨道上运行的轮子，如果轨道足够平坦，施加一个推力，轮子会永远滚动下去。滚动汇流环的摩擦转矩仅仅来源于保持定子和转子相对运动的轴承，因此其比滑动接触形式的摩擦转矩要小得多。一个滚动汇流环的转矩比滑动汇流环在数值上可低2个数量级。

d.数据传输率高

实验证明，滚动汇流环在1200r/min的转速条件下对于RS-485信号的传输率为15M bit/s。此外，滚动汇流环还可传输其他类型的信号，包括RS-422和RS-232信号等.

e.传输效率高

滚动汇流环中导电环的滚道与弹性环的表面均进行镀金处理，而金-金接触界面的电阻非常低，其表面抗氧化性能也较好。风力发电机组使用的滚动汇流环在旋转时测得的电阻仅为2.65mΩ，证明其传输效率可达到99.735%。

图3 镀金的弹性环

f.免维护

由于弹性环与导电环之间采用滚动接触形式，材料磨损非常低，并且无磨损碎片，这就在很大程度上避免了因磨屑而发生机构短路的可能，从而可实现较长时间的免维护。一个标准的滚动汇流环组件在200r/min的旋转速度下可连续运行超过两年，累计旋转2.4亿次，这相当于在空中交通管制雷达系统内服役30年的时间。

g.寿命长

弹性环与内外导电环之间的运动理论上为纯滚动，理想情况下不存在接触材料的磨损，因此接触摩擦副的寿命较长。空中交通管制雷达上使用的一个标准滚动汇流环组件经历了2.4亿转的加速寿命测试，这相当于其不间断工作达30年。研究人员曾对国际空间站上的4环和8环滚动汇流环组件分别进行了加速寿命试验，试验条件为在真空试验装置中通100A直流电，滚动汇流环组件以5 rpm的转速运行，获得其寿命及传输效率，如表1所示。

表1 寿命(空间站旋转年数)及传输效率

从表中可以看到，对于8环组件，完成了超过60空间站年的旋转寿命，其平均效率为99.98%;而对于4环组件，完成了超过114空间站年的旋转寿命，其平均效率为99.97%。

3 滚动汇流环的发展历程及趋势

滚动汇流环的电信号/功率传输装置是由球轴承和电传输技术演变而来，发展于20世纪70年代中期，首先在国外开展。在20世纪80年代，美国的Terry Allen、Peter Jacobson等人发明了滚动汇流环，介绍了滚动汇流环组件的工作原理和结构形式［4］。学者Ryan Porter在19届机械研讨会上发表了题为“一种旋转的电传输装置”的论文，对滚动汇流环的概念及其设计进行了详细阐述，使得滚动汇流环逐渐被人们所熟悉［5］。随后，基于自由号国际空间站上的功率传输的迫切要求，由美国国家航空和宇航局(NASA)刘易斯研究中心资助，开始研发大功率滚动汇流环技术，其功率可达到数百千瓦［6］。研究人员通过进行大量的技术试验，试验包括接触电阻测试、加速寿命试验和耐压试验等，并经过不断进行设计改进，最终使得其在自由号国际空间站上成功应用［7-8］。由于相对于滑动汇流环和柔性电缆，滚动汇流环在技术性能上均具有比较显著的优势，已经越来越受到人们的关注。但同时，其对设计及制造技术要求也较高，很多关键因素如弹性环材料的选择、壁厚的大小及弹性环与内、外导电环的接触设计等都会直接影响滚动汇流环的运行状态和技术性能。

纵观国内外滚动汇流环技术的发展历程，从最初概念的提出到今天，滚动汇流环技术已经历了30多年的发展，逐步在相关理论、设计及制造水平方面获得改进和提高［9-10］。对于国外来说，美国 Diamond公司是目前滚动汇流环的主要生产制造商，经过对滚动汇流环进行多年的研发，现已形成了一些较成熟的产品，其制造的滚动汇流环的相关性能参数如表2所示。而国内关于滚动汇流环技术的研究起步相对较晚，在理论方面的研究稍显不足，试验方面仍处于初步探索阶段［11-12］，因此无论是在结构设计还是在制造工艺等方面均与国外先进水平存在一定的差距，尚有很多关键技术问题亟待解决。

表2 滚动汇流环可达到的关键性能参数

总的来讲，今后滚动汇流环技术有望在以下几个方面获得进一步发展:

a.模块集成化

随着工业技术水平的不断提高，产品的模块化、集成化逐渐成为发展趋势。对于滚动汇流环，国外已经开发单环和多环的滚动汇流环组件，应用于雷达设备、卫星通信等方面，而国内今后也将沿该方向不断努力，逐步弥补与国外先进水平之间的差距。

b.低成本化

滚动汇流环的主要零部件包括内、外导电环、弹性环和惰轮等，其材料的选用和加工工艺至关重要，很大程度上影响滚动汇流环组件的综合技术性能。开发新型电接触材料、逐步提高主要零部件制造工艺水平是降低滚动汇流环生产成本的有效途径。

c.小型轻量化

由于目前滚动汇流环大多应用于航空航天等领域，受空间环境和运载工具等条件的限制，对尺寸、重量等方面要求极高，故而追求结构轻量化、小型化也是滚动汇流环发展的一个重要方向。

4 滚动汇流环的应用现状及前景展望

作为一项新的电传输技术，滚动汇流环以其新颖的结构形式、优异的技术性能引起人们的广泛重视，目前已被部分应用于航空、航天、航海等领域的功率传输及信号通信设备上。

美国陆军某型号防卫雷达采用的就是滚动汇流环，共包括43路电路组件。其中26路为功率通道，电压为115V AC，电流为10A;还有16路为信号通道，其噪声电阻为20 mΩ。

美军某直升机载雷达上也采用了滚动汇流环结构形式，其型号为1004-36A，规格为5”OD×11”L，转速800r/min。该型号滚动汇流环包含36路通道，其中有22路功率通道，额定电压为1800 VDC，电流为10 A，另外14路为信号通道。

图4 美国陆军雷达

图5 直升机载雷达汇流环

自由号国际空间站在3个地方使用了滚动汇流环技术，分别为热辐射体旋转关节(TRRJ)中的滚动汇流环机构(PDTA)、太阳电池组 α旋转关节(SARJ)中的滚动汇流环机构(UTA)以及β万向节中的滚动汇流环机构(BGRRS)，如图6所示。

3种滚动汇流环技术参数如表3所示。

表3 空间站上3种滚动汇流环技术参数

应用于ASR旋转关节的滚动汇流环，型号为1023-16T。该汇流环组件规格为7.9”OD×7.9”L，包含16路电路，电压为230 V AC，电流为1A。

随着滚动汇流环技术的进一步发展，其应用范围也逐渐由军用领域向民用领域拓展。图8为铝材轧机设备上的汇流环，型号1017-72T。该汇流环共72路通道，包含4路功率通道和68路信号通道，速度达到1800 rpm，可在150℃的温度条件下工作。

可以预见，未来在通信、导航、遥感遥测、风力发电设备、航管雷达、港口导航雷达、天气雷达、卫星通讯、医用CT和机场安检扫描设备、半导体制造设备和工业制造设备等诸多方面，滚动汇流环技术还将拥有广阔的发展需求和应用前景。

图7 ASR旋转关节

图8 铝材轧机设备上的滚动汇流环

5 结束语

本文介绍了滚动汇流环的工作原理，分析了滚动汇流环的主要特点，阐述了滚动汇流环的发展历程，并对滚动汇流环的应用现状及前景进行了展望。滚动汇流环作为一种新型的电接触摩擦副结构形式，与传统的滑动汇流环相比具有接触电阻低、噪音小、低磨损、寿命长等优点，在众多领域都有较大的发展和应用价值。开展滚动汇流环的相关理论研究，开发滚动汇流环的成熟制造技术，对于不断提高我国滚动汇流环技术水平、增强高科技产品市场竞争力均具有非常重要的现实意义。

［1］平丽浩，黄普庆，张润逵等.雷达结构与工艺［M］.北京:电子工业出版社，1994.

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