导电滑环技术的研究

时间：2024-05-20

杨莉红

陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西宝鸡 721006

1 接触电阻的设计

如果导电滑环的接触电阻比较大时，电流在接触时的温度就会大幅度增加，严重的情况下将会导致接触压降的增加以及刷丝和滑环出现熔焊的现象，这些问题都将会影响到导电滑环信息传输的效果，所以，要求导电滑环的接触电阻愈小愈好。

滑环和刷丝接触时的压力、材料和形式都会对接触电阻产生影响。

1）接触材料对电阻的影响。导电滑环主要包括环刷和导电环两个主要的部件。导电环不仅要具有很好的导热性、耐磨性、抗氧化性、抗腐蚀性和抗熔焊性等性能，还有相当强的硬度和很高的熔点。经过研究和试验，选用金合金材料或加工性能好的黄铜做导电环比较好，可以在黄铜的表面镀一层金、铑、钯、镍等金属，这样不仅具有良好的导电性能，还有很好的防腐蚀作用。环刷和导电环的接触主要靠环刷上的刷丝来实现，而刷丝可以选用金镍合金丝；

2）刷丝对滑环的压力。环刷作为导电滑环的重要组成部件，具有刷丝数量多、刷丝精细、间距微小等特点。刷丝在和导电环接触时对导电环的作用力就是刷丝对导电环的压力。由力学和电学原理可知，压力越大，刷丝和导电环的接触电阻就越小，所以，在制作和使用的过程中，一般会使两者的压力比较大，以减小它们接触时的电阻，从而提高工作的效率。但是，压力过大也会造成接触部分的磨损，不仅不能提高效率，还影响到正常的工作，因此，两者之间的接触压力也要控制在一定的范围内，使其既不影响导电环和刷丝的正常工作，又能把电阻减小到最小值。经过大量的试验证明，两者之间的接触压力控制在13g～18g之间比较好。

下面是导电环和刷丝之间接触电阻的计算公式：

上式中：R’表示导电环和刷丝之间的接触电阻

k’是具有固定值的参考系数，根据接触部分材料性质和接触形式的变化具有不同的数值，但变化很小。在材料基本不变的情况下，如果导电环和刷丝采用点接触的形式时，k’的变化范围在0.15～0.19之间；如果是采用线接触或者是面接触的形式，k’的大小要比点接触时要小，范围是0.08～0.14 。由公式可知，k’和接触电阻之间呈正比，也就是当其他因素不变时，k’越小，接触电阻也会越小。在滑环的制作和使用中，我们可以根据这一原理，在其他因素不变的情况下，通过改变k’的大小来改变接触电阻的大小。

n也是和导电环和刷丝的接触有关的具有相对固定值的指数，随着接触形式等因素的变化而变化，点接触时最小，为0.5，线接触时为0.75；面接触时最大，达到0.8，最高时达到1.0。

F是公式中变化最大的因素，指的是导电环和刷丝接触时的压力。由公式也可以得到上面的结论，既接触时的压力和接触电阻成反比的关系，也就是压力越大，电阻越小。试验证明，导电环和刷丝之间最小的接触电阻可以低至0.03Ω～0.05Ω。

3）刷丝和滑环接触形式的选择。刷丝和滑环的主要接触包括点接触式、线接触式和面接触式三种形式。因为点接触式产生的电阻较小，一般都采用点接触的形式。但点接触的接触面很小，能通过的最大的电流流量也不能超过8安培。现今的导电滑环刷丝主要采用双触点接触，基本上能够满足电流的通过需求。另有一种“柔性滚环”正在研发中，它采用多个柔性环同时接触的形式来提高刷丝和导电环接触的可靠性，提高工作效率。

但目前来看，想要传送更大的电流，就要考虑采用线接触和面接触的形式。但由于线接触和面接触的结构比较复杂，资金花费也比较高，所以很少使用。

2 接触电阻检测

由于导电滑环通过刷丝和滑环的转动进行工作，所以，对接触电阻的检测也要在动态下进行，既所谓的动态接触电阻检测。我们为该项检测专门制造了微型输电装置综合测试系统，使用积分ADC技术，抑制了许多干扰源，可以对60通道导电环接触电阻进行自动测试与数据处理。图1是对刷丝和滑环的动态检测示意图。把要测验的滑环安装在检测转台上，利用电机的转动带动检测转台，从而使检测转台上的滑环处于连续转动的状态。用微欧微伏表来检测环路动态接触电阻值。

如图1所示，将被检测滑环的环引线全部并联焊接在一处，再把电刷引线（被测环路引线除外）并联焊接在一处。把被检测环路的电刷引线和其余并联的电刷引线作为两个检测端，用微欧微伏表的“mΩ输入四芯电缆线”把两端进行连接，就可以对当前的动态接触电阻进行检测。

图1 导电滑环接触电阻检测示意图

在导电滑环的使用中，为了保证导电传输的稳定性，动态接触电阻的变化量要控制在 10mΩ以内。但是在检测的过程中，某一路环接触电阻变化量大于10mΩ，不符合要求。对其原因进行分析后，总结为以下几个方面：电刷丝和环槽的接触不良；环槽表面的粗糙程度。

由此可见，根据上面提到的压力大电阻小的原理，反过来也成理，接触电阻过大的原因主要是刷丝和导电环的接触不良导致的压力过小造成的，所以，对压力进行准确的确定具有重要的意义，只有压力稳定且合适了，才能保证滑环正常的工作。滑环环槽表面的粗糙程度也会影响到滑环接触时的性能，从而造成接触电阻的变化。由电学和力学原理和实验可知，滑环环槽表面越粗糙，接触电阻就会越大，滑环的使用性能和寿命就会受到影响。而影响滑环表面粗糙程度的因素很多，如压力过大造成的滑环环槽的变形，使用时间过长，环槽和刷丝的长时间接触造成的磨损等因素，都会影响到环槽表面的粗糙度，进而对电阻造成影响。另外，环槽和电刷的相互作用产生的电介质由于具有导电作用，也会影响到接触时的电阻值，所以，要定期对导电滑环进行检查工作。主要看环槽表面是否具有一定的平整度，环槽里有没有沉积的电介质等影响到滑环的正常工作。