导电滑环的研究
作为风力发电机里面重要组成部分之一的导电滑环，其精密度、可靠性及工作寿命可以直接影响到整个风力发电系统的性能。本文介绍了导电滑环的技术指标，材料选择，制造工艺，测试方法。着重介绍了接触对材料特性，接触对接触形式，接触电阻，以及误码率。
关键词：导电滑环载流摩擦接触对绝缘电阻接触电阻误码率
1.引言
导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴，它又称集电环、滑环、集流环、汇流环，是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密传输装置。特别适合应用于无限制的连续旋转，以避免相对转动把导线扭断，同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所。
在风力发电机组中，导电滑环是实现轮毂和机舱之间电气连接的核心部件，它担负着整个风力发电系统的控制信号、数据传输和动力传递的功能。
2.主要技术指标
导电滑环环路数：8~42环工作转速：8～20r/min,最大30r/min
功率环：ACV,50Hz60A
UPS环：ACV额定5A最大6.3A4秒
信号环：DC24V2A
数据传输：支持RS、CANbus、profibus、Ethemnet等数据总线传输
功率环间绝缘电阻：≥MΩ/VDC
信号环间绝缘电阻：≥MΩ/VDC
静态接触电阻变化值：≤5mΩ动态接触电阻变化值：≤10mΩ
工作环境：-40°C~+80°C、70-Kpa；空气湿度≤95％
防护等级：IP54摩擦启动力矩：≤0.65N.m
机械特性：设备发生震动频率≤hz时、振幅为2mm/s或者振动频率＞hz时振幅1mm/s时，确保电气接触不中断。
3.材料的选择
导电滑环是整个风机系统中非常关键的部件，其精密度、可靠性及工作寿命可以直接影响到整个风力发电系统的性能。同时也应适应风机外部的环境，要求产品工作温度范围广，寿命长，少维护。
3.1支撑零件
若陆地环境使用的滑环，其支撑零件，如外壳，支撑座，连接座，对接法兰均采用模具浇筑加工而成，材料采用ZL，表面喷塑处理(银灰色RAL)；若在海洋环境中使用的滑环，其外壳，支撑座，连接座，对接法兰，则应选用耐海水的不锈钢，并且表面经钝化处理。不锈钢材料不仅在强度上，防腐性上满足要求，而且加工性能好。另外，从保养和维护上来看，不锈钢更经济。
3.2接触对
载流摩擦磨损是指摩擦副在有电流通过时的磨损行为，它分为干摩擦和润滑条件下的摩擦磨损。载流摩擦和一般的纯机械摩擦相比多了电流，摩擦副运行时受力，电和热等多种因素耦合作用，因此更复杂。
摩擦副所选用的电接触材料决定了导电滑环性能的好坏，因此导电滑环中电接触材料直接决定了导电滑环运行的可靠性、使用寿命和功能性能。
导电滑环在工作过程中，受力、电弧、电场、磁场、热等多种因素耦合的作用，影响因素很多。为保证导电滑环在振动，冲击和加速度工况下能正常工作，理想的电接触对材料[1]满足下面几个性能：
（1）物理性能：要求具有低的电阻率和蒸汽压、高的热导率、高熔点、高沸点、高熔化热和高升化热，并且热稳定性好、温升小、电子逸出功大，起弧电压高。刷丝应具有较大的弹性模量，尽可能小的弹性迟滞。
（2）机械性能：在室温和高温下强度高，材料的塑性，硬度和韧性要适当，要具有高的耐磨性和合适的弹性模数。
（3）电接触性能：静态和动态接触电阻变化小，且在整个工作寿命期内阻值稳定；材料耐电弧侵蚀，熔焊和金属转移倾向小。
（4）化学性能：要求电接触材料对不同介质有较好的耐磨蚀性能，在空气中不易被氧化，硫化，碳化及形成不易导电的化合物，即使形成化合物，也较易挥发，要求耐化学腐蚀和气体溶解的倾向小。
（5）加工性能：无污染，便于加工制作，易焊接，而且有较高的性价比。
当前使用较为广泛的电接触材料主要有银基电接触材料、铜基电接触材料、金基电
接触材料和铂基电接触材料四种。下面分别阐述以上几种合金的优缺点：
1）铜基电接触材料
铜作为常用的纯金属电接触材料，具有低熔点、高导电导热性、耐腐蚀性以及廉价易购等优点；但铜的强度较低，耐热性较差，高温下容易软化变形。以及铜基材料容易氧化，所带来的氧化物质将产生较高的接触电阻。大量的实践和实验表明：铜基中通常添加一些金属、层状润滑剂(石墨和MoS2)、纤维(碳纤维)、陶瓷颗粒(WC、SiC和TiN等)等增强相来提升材料的抗氧化性、自润滑性、抗磨损性和高温力学性等。铜基合金及复合材料多用于中、高压范围的电接触领域。
2）银基电接触材料
银基电接触材料具有良好的导电性、导热性和抗氧化能力，并且材料加工极为容易，因其以上特点且价格低廉，故而在电接触材料中使用量最大。然而，银基电接触材料也存在强度、硬度低，易磨损、易硫化等缺陷。在电流作用下，容易挥发并发生电弧侵蚀；大负荷下，容易熔焊粘结。研究表明：通过添加一些元素可以克服这些劣势，用于非极端环境下的导电摩擦系统。基于上述缺点，银基电接触材料更适用于工作环境较好的场合。
3）铂基电接触材料
铂基电接触材料的抗磨损性、抗腐蚀性都很好，具有寿命长、运行稳定、可靠性好的特点，美中不足的是生产价格昂贵、成本高，且容易产生“褐粉”现象。若加入其他元素材料可以提高铂的硬度、抗熔焊性和抗电腐蚀性。铂基电接触材料常见于使用环境恶劣的弱电接触导电滑环中。
4）金基电接触材料
贵金属单质金具有化学性能稳定、导热性、不易受污染而形成氧化物和硫化物薄膜，且具有低而稳定的接触电阻的特点。但金基电接触材料的缺陷也十分明显：硬度较低、弹性较差、易发生熔焊、易磨损并发生转移以及抗电侵蚀能力差。因此，人们通常的处理办法是在其中加入常加入银、铜、钯或铂等元素合金化来弥补上述缺陷。
为了保证导电滑环的工作稳定可靠，就必须进行相应的摩擦副材料匹配实验验证，要求它们在工作时表面腐蚀，磨损和电噪音等最小，接触电阻低且保持稳定。
我司实验后选型：电刷基体可采用铍铜，冲压成型；电刷前端触点采用金合金丝拉制而成，通过焊接工艺组合而成。环道可采用铜基材，镍打底，表面镀钯镍+金；或镀铑钌+金；或镀硬金。
3.3绝缘体
由导电滑环的绝缘性要求，功率环道之间绝缘电阻≥MΩ，信号环道之间≥50MΩ。功率环道之间耐压0V不被击穿，信号环间V不被击穿，型式试验后也应该满足此性能。
由于PPS电绝缘性优良，通过纤维增强所获得的PPS复合材料，耐高温稳定性良好,能在高温条件下保持较好的刚性,在低温情况下耐磨性、尺寸稳定性和冲击强度以及抗蠕变性能保持良好,同时具有较高的冲击性能、弯曲性能和拉伸性能,耐化学品性和耐腐蚀性也相当优异。因此我们选择了能满足产品机械，电气性能要求，成型收缩率小，使用温度范围广的PPS+GF材料作为产品的绝缘体。
4.制造工艺
导电滑环涉及到大电流，高低电压，数据和信号传输，摩擦副，多路以及转动连接等方面，因此在研制过程中考虑的因素非常复杂。针对上述问题，我们采取了将导电滑环中心轴设计成易于装配与维修结构，电刷采用悬臂梁+卡扣结构固定于印制板上，由多组电刷、中心轴、支撑座、连接座、轴承组件、外壳（透明化显示）及对接法兰组成的转动装置，如下图所示。
4.1中心轴
导电滑环在运行过程中为滑动电接触，为防止载流摩擦时，发生拉弧电腐蚀现象，要求中心轴组件同轴度在≤0.12。中心轴组件通常包括中心支撑轴、V型铜环、隔绝片，主轴法兰盘，主轴上压板，深沟球轴承等。
为保证中心轴组件同轴度≤0.12，中心支撑轴零件采用机械加工，要求同轴度≤0.04；铜环同样采用机械加工,平行度≤0.02，同轴度≤0.02。隔绝片通过精密注塑加高其外径尺寸和增加下滑位移面，可杜绝弹片从一槽跳入另外一槽的情况发生。
铜环与隔绝片之间相互叠片形成筒状套装在中心支撑轴上，通过主轴法兰盘和主轴上压板用螺钉固定而成。
采用上述性能优化的中心轴结构，能改善原滑环中心轴的缺陷，在现场运行过程中，没有发现UPS环道烧毁以及弹片跳槽的情况，其通信信号的稳定性也大大的提高。保证了导电滑环在运行过程中的整体稳定性，同时提高了导电滑环的使用寿命。
4.2电刷
滑环的电刷压力，是影响接触电阻的关键参数，压力大小直接决定了刷丝的接触电阻值。压力越大接触电阻值越小，滑环的性能就越好，但是，压力过大，会造成电刷触点和镀金环槽的磨损加剧。所以，将压力控制在一定范围内，将利于滑环性能的提升。
刷丝是导电滑环的核心零件，由贵金属触点，铍青铜弹片刷臂通过焊接组合在一起，采用卡扣结构固定在印制板的镀金槽内。当装配后，贵金属触点分别压紧在环道的V型槽外侧，其中控制和信号环采用双刷丝，8点接触方式；功率环采用24根刷丝并列，48点接触方式，来保证接触稳定可靠性。
刷丝结构如下：
刷丝装配后的力学模型:
如一悬臂梁，正压力和梁的参数有如下关系：
其中：梁绕度
材料弹性模量梁起拱处宽度
梁起拱处厚度梁起拱处长度
4.3滑道
常见的滑道有三种接触形式：平面接触、U型槽、V型槽。
平面接触式滑道容易加工，易于调整电刷和滑道平面的接触压力。但是当滑环中心轴有轴向窜动时，电刷容易在环道表面滑移。当中心轴安装有偏向时，会引起电刷在环道表面跳动。这些情况都会引起接触电阻变化值偏大，使电噪音增大，信噪比下降。因此必须精确地加工和校动平衡，故适合在连续平稳无冲击振动的环境下工作。
对U形槽式环道来说,它可以限制中心轴的轴向窜动所引起的电刷滑移，但因电刷与环道的接触不是点而是弧面。当有尘埃，污染物，磨损的残屑或其它冗余物落入时，会引起接触面积的变化，因而接触电阻变化值变大，增大了电噪音，使可靠性大大降低，故不适合于传递微弱的电信号。
对V形槽式,它不仅可限制因振动、冲击、离心等恶劣工作环境中电刷在导电环中轴向的窜动，确保接触的可靠性，而且能改善噪音性能。由于电刷在V型槽只与A,B两点接触，槽中的ACB三角区与电刷表面不接触。如果有尘埃，污物或者磨损残屑，可存积在这三角区内，在相对滑动过程中，便于清除污垢，提高了抗污染的能力。
根据ACB夹角的大小，V型槽一般选用角度为60°~°之间，具体V型槽角度大小，可以根据实验情况电噪音大小来确定。
我司采用V形槽式环道+悬臂梁结构式弹片。
5.测试
电子连接器的型式实验一般分成机械、电气、环境的测试。型式试验分组方法如下：
A组实验：
序号
实验项目
序号
实验项目
序号
实验项目
A.1
外观
A.2
结构尺寸
A.3
摩擦力矩
A.4
接触电阻变化值
A.5
绝缘电阻
A.6
耐电压
A.7
温升
A.8
瞬时电流承载能力
A.9
误码率
B组实验：
序号
实验项目
序号
实验项目
序号
实验项目
B1
振动
B2
冲击
B3
机械寿命
C组实验：
序号
实验项目
序号
实验项目
序号
实验项目
C.1
低温
C.2
高温
C.3
温度冲击
C.4
交变湿热
C.5
恒定湿热
D组实验：
序号
实验项目
序号
实验项目
D.1
盐雾
D.2
防护等级
上述型式试验测试中，接触电阻变化值和误码率是重点考察对象，是滑环是否长期稳定运行的关键点。下面重点从原理和方法上对接触电阻变化值和误码率进行讨论。
滑环运行时，滑环的电阻实际包括电刷电阻，电刷与滑环表面的接触电阻，电刷与卡槽的接触电阻，线缆的电阻，刷丝和V型槽表面之间的接触电阻等。一般情况下，在滑环的运行和测试过程中，电刷和V型槽表面的接触电阻变化较大，故本文只讨论他们之间的接触电阻变化值。
5.1接触电阻变化值
5.1.1接触电阻的原理
接触元件表面并不是光滑的，而是粗糙的，凹凸不平的[2]。因此，当两个金属相接触时，接触元件的粗糙表面将刺破表面氧化层和其它污染膜层，从而建立局部的金属接触的导电路径。随着接触压力的增加，氧化膜层压破，金属从这些破裂处挤出，所以微小的金属接触斑点的数量和面积也随之增加。
这些金属接触斑点称为斑点，被轻微的冷焊在一起，是唯一的导电路径。电流通过接触界面时，被收缩以通过斑点，因此电流收缩产生的接触电阻称为收缩电阻。收缩电阻与金属的基本特征和电阻率相关，单个斑点的收缩电阻可以表示为：
式中和是接触金属的电阻率；为金属和金属相接触区域的半径。如果两个接触金属是相同的，则收缩电阻变为
由于金属表面总是不干净的，电流路径受到金属表面存在的薄氧化膜，硫化膜和其它无机膜的影响，因此膜层电阻
式中是膜层单位面积的电阻。电流通过膜层而导电的机理是隧道导电效应和烧结效应，在绝大多数应用中，膜层对总电阻的影响很小，因为接触斑点通常是在表面膜层被机械破坏后儿形成的。
综上所述：总的接触电阻由收缩电阻和表面膜电阻两部分组成。
如果接触内表面有n个导电斑点，平均半径为，根据电接触理论，
其收缩电阻为：表面膜电阻
则总的接触电阻计算公式为：
式中：为电阻率；为个斑点半径的平均值；为单位面积膜层电阻率；为导电斑点数。
一般希望得到低而稳定的接触电阻，来保证导电滑环工作的可靠性，影响接触电阻的因素主要有接触形式，接触压力，温度，化学腐蚀，接触面的光洁度，导体材料性质等。
5.1.2接触电阻变化值的测试方法
5.1.2.1静态接触电阻变化值的测试方法：
将低电阻测试仪调到mΩ档，将所有环的环转子端引线并联在一起，将测试仪的一端接到待测滑环基准环（第一环）的电刷引线端上，另一端分别接到其他环的刷引线端子侧，每90度转动一个点，从0~度正转后再从~0度反转，每转动一个点读取一次电阻值，并用读取的8个点中的最大值（Max）减去最小值(Min)；按此方次测量出各环的静态电阻变化值；
5.1.2.2动态接触电阻变化值的测试方法：
将低电阻测试仪调到mΩ档，所有环引线并联在一起,伺服电机转速正转设定为30转/分；一端接待测环，一端接参考环；记录下30秒钟变化过程中的最大值和最小值，最大值（Max）减去最小值(Min)即为动态接触电阻变化值；按此方次测量出各环的变化值；同样方法，反转转速读取测试值。
5.2误码率
什么是差错?在数据通信中,如果发送的信号是“1”,而接收到的信号却是“0”,这就是“误码”,也就是发生了一个差错。在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比,就叫做“误码率”。它是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*%。
将滑环固定在测试试验台上，滑环的环引出线两两短接，在其对应电刷接口处分别接计算机CAN的发送端和接收端，转速为30转/分钟，记录滑环总的传输数据30M以上。数据通过软件从计算机的发送端发出随机数字信号指令，同时在接收端接收信号指令，通过软件将发送和接收的信号指令进行一一比较，判断发送与接收的信号指令有无误码;产生误码的个数占发送指令总数的百分比即为导电滑环信号传输的误码率。在测试数据内，导电滑环数据传输要求的误码率=0
6.结论
综上所述，从产品的技术指标，以及使用环境，来定义滑环的材料；为保证导电滑环在振动，冲击和加速度工况下能可靠性的工作，总结了理想电接触对材料的性能要求；从制造工艺，着重讨论了电刷和滑道的结构，配对方式；从接触电阻和误码率的定义出发，到具体的测试方法进行详细的归纳。
参考文献：
1.导电滑环的接触力学特征与磨损寿命分析周文韬湘潭大学硕士学术论文年6-7
2.电接触理论、应用与技术许良军机械工业出版社5-6
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