СВЕТОВОДНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ СОЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК G02B6/36 

Изобретение относится к элементам систем передачи информации и предназначено для передачи сигналов между взаимно вращающимися объектами.

Известны световодные вращающиеся соединители (СВС), например, по патенту США N 4027945, кл. 350/96, 1977.

Такой СВС состоит из двух идентичных частей в виде цилиндрических корпусов, установленных соосно с возможностью вращения друг относительно друга. Внутри каждой из частей размещен набор цилиндрический светонесущих элементов, установленных коаксиально вокруг оси вращения. Торцевые части каждого из светонесущих элементов оптически сопряжены друг с другом. Устройство по патенту США N 4027945 выбрано в качестве аналога предлагаемого изобретения.

В качестве прототипа выбран СВС по заявке ЕПВ N 0111390, кл. G 02 B 7126, 1984. Этот СВС состоит из двух многоканальных светонесущих элементов, расположенных в кожухах. Один из многоканальных световодных элементов установлен в шарикоподшипнике, что дает ему возможность вращаться вокруг оси симметрии относительно другого светонесущего элемента. Кожуха светонесущих элементов имеют установочные поверхности, что дает возможность закреплять их на вращающихся и невращающихся частях приборов. Передача оптических сигналов от коллимационных линз, соединенных с волоконно-оптическими линиями связи, осуществляется с помощью оптической призмы, которая должна вращаться со скоростью 1/2 в пространстве между неподвижными коллимационными линзами и вращающимися со скоростью коллимационными линзами. Для обеспечения вращения призмы используется специальный редуктор.

Как аналог, так и прототип могут использоваться для передачи информационных сигналов, подходящих к СВС по волоконно-оптическим линиям связи.

Прототипу свойственны недостатки, к числу которых могут быть отнесены
обязательное использование в сочетании с СВС сигнальных волоконно-оптических линий связи, оптически сопрягаемых с канальными световодами СВС. Это сужает применимость СВС в различных устройствах, где отсутствуют волоконно-оптические линии связи;
для обеспечения вращения оптической призмы со скоростью 1/2 от скорости вращения коллимационных линз требуется введение в состав СВС механического редуктора, что снижает его надежность и ограничивает возможность работы на больших скоростях вращения;
СВС не обеспечивает возможности бесконтактной передачи мощности, что необходимо в реальных машинах и механизмах.

Изобретение преследует несколько целей. Одна из целей заключается в том, чтобы обеспечить возможность применения СВС в механизмах и устройствах, не имеющих в своем составе волоконно-оптических линий связи, а в которых используются только электрические линии информационной связи.

Другая цель заключается в том, чтобы повысить надежность устройства за счет его выполнения без механического редуктора и обеспечить возможность его работы на высоких скоростях вращения.

Еще одна цель заключается в том, чтобы создать устройство, которое вместе с бесконтактной передачей информационных оптических сигналов обеспечивало бесконтактную передачу энергии, что необходимо практически во всех механических устройствах.

Для достижения указанных целей многоканальные световоды выполнены в виде идентичных элементов с концентрическими кольцевыми зонами на торцевой поверхности и канальными световодами, один из многоканальных световодов установлен в шарикоподшипник, а в состав многоканальных световодов введены электрические контакты с гнездами, оптически сопряженными с канальными световодами, ротор и статор кольцевого вращающегося трансформатора, выпрямительный блок и штепсельные разъемы.

На рис. 1 и 22 представлены светонесущий элемент и СВС.

На рис. 1, 2 обозначено:
1 светонесущий элемент;
2 корпус светонесущего элемента;
3 светопроводящие элементы;
4 светоизолирующие элементы;
5 кольцевые зоны;
6 канальные световоды;
7 светонесущий элемент;
8 шарикоподшипник;
9 кожух;
10 установочная поверхность;
11 кожух;
12 установочная поверхность;
13 гнезда;
14 электрические контакты;
15 ротор кольцевого вращающегося трансформатора;
16 статор кольцевого вращающегося трансформатора;
17 выпрямительный блок;
18 роторная обмотка;
19, 20 штепсельные разъемы;
21 статорная обмотка;
22 роторная обмотка.

Светонесущий элемент 1, представленный на рис. 1, содержит корпус 2, внутри которого коаксиально размещены светопроводящие элементы 3, отделенные друг от друга светоизолирующими элементами 4. Светопроводящие элементы 3 и светоизолирующие элементы 4 выполнены из тонких (10 25 мкм) световодных волокон. На торцевой поверхности светонесущего элемента 1 светопроводящие 3 и светоизолирующие 4 элементы образуют кольцевые зоны 5. Концы волокон светопроводящих элементов 3 собираются в единые канальные световоды 6.

СВС состоит из двух идентичных светонесущих элементов светонесущего элемента 1 и светонесущего элемента 7.

Светонесущий элемент 1 установлен в шарикоподшипнике 8, на котором закреплен кожух 9 с установочной поверхностью 10 для крепления на неподвижной части прибора.

Внутри кожуха 9 соосно со светонесущим элементом 1 жестко закреплен светонесущий элемент 7. На светонесущий элемент 1 установлен кожух 11 с установочной поверхностью 12.

На корпусе светонесущих элементов 1 и 7 расположены гнезда 13 для установки светоизлучателей и фотоприемников и электрические контакты 14. Гнезда 13 оптически сопряжены с канальными световодами 6. На оконечную часть светонесущего элемента 1 "одет" ротор 15 кольцевого вращающегося трансформатора, а на оконечную часть светонесущего элемента 7 "одет" статор 16 кольцевого вращающего трансформатора.

В кожухе 11 установлен выпрямительный блок 17, связанный с одной из роторных обмоток 18 и электрическими контактами 14. На кожухах 11 и 9 установлены штепсельные разъемы 19 и 20.

Обмотка 21 статора 16 подключена к штепсельному разъему 20. Обмотка 22 ротора 15 подключена к штепсельному разъему 19. Работа СВС происходит следующим образом.

Потребитель в зависимости от требований к направлению передачи сигналов устанавливает в гнезда 13 светонесущих элементов 1 и 7 приемники и передатчики излучения таким образом, чтобы обеспечивались требования направления передачи. Приемники и передатчики соединяются с электрическими контактами 14, к которым подведены линии питания и сигнальные линии. СВС установочной поверхностью 10 крепится к невращающейся части прибора, а установочной поверхностью 12 к вращающейся вокруг оси а-а части прибора.

К СВС через штепсельные разъемы 19, 20 подключаются датчики информации, приемники информации и источники питания. Информационные сигналы по электрическим линиям связи поступают на разъемы 19, 20, далее на передатчики излучения, установленные в гнездах 13, через СВС на соответствующие приемники излучения, где сигналы преобразуются в электрическую форму и поступают к потребителям.

Передача мощности осуществляется через кольцевой вращающийся трансформатор, на статорную обмотку которого от источника питания должно поступать переменное напряжение высокой частоты. Статор 16 и ротор 15 выполнены из материала типа феррит, а обмотки статора и ротора рассчитаны на передачу силового сигнала мощностью до 40 50 Вт. При подаче силового сигнала на статорную обмотку 21 с вращающейся роторной обмотки 22 будет сниматься вторичное напряжение.

Для питания приемников и передатчиков излучения, установленных в гнездах 13 вращающегося светонесущего элемента 1, на роторе 15 имеется дополнительная обмотка 22, напряжение которой выпрямляется выпрямительным блоком 17 и поступает на приемники и передатчики излучения.

Таким образом СВС осуществляет бесконтактную передачу электрических информационных и силовых сигналов с взаимно вращающихся частей машинного оборудования.

Конструктивные проработки и инженерные расчеты показали, что предлагаемый СВС может иметь следующие технические характеристики.

Габариты:
диаметр 70 мм,
длина 80 мм,
количество информационных линий передачи 14,
передаваемая мощность 40 Вт,
КПД 70%
коэффициент трансформации передаваемой мощности требуемый.

Предлагаемая конструкция СВС обеспечивает:
двунаправленную с учетом требований потребителя бесконтактную передачу электрических информационных сигналов по 14 параллельным каналам;
повышение надежности СВС и снижение требований к скорости вращения;
бесконтактную передачу мощности;
отсутствие требований к питанию приемников и передатчиков излучения, так как питание вырабатывается в самом СВС.

Использование: волоконно-оптические системы передачи информации. Сущность изобретения: световодный вращающийся соединитель состоит из двух идентичных соосных светонесущих элементов, один из которых установлен в шарикоподшипнике. Оба светонесущих элемента заключены в кожух и имеют на корпусе гнезда с электрическими контактами для установки и подключения приемников и передатчиков оптического излучения. В состав световодного вращающегося соединителя введены ротор и статор кольцевого вращающегося трансформатора, установленные на светонесущих элементах, выпрямительный блок и штепсельные разъемы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Световодный вращающийся соединитель, состоящий из первого и второго соосных многоканальных светонесущих элементов, расположенных соответственно в первом и втором кожухе, при этом первый многоканальный световодный элемент установлен в шарикоподшипнике, а каждый кожух выполнен с установочной поверхностью, отличающийся тем, что шарикоподшипник закреплен во втором кожухе, а многоканальные световодные элементы выполнены в виде идентичных элементов с концентрическими кольцевыми зонами на торцевой поверхности и канальными световодами. 2. Соединитель по п. 1, отличающийся тем, что каждый многоканальный светонесущий элемент размещен в корпусе, на котором установлены гнезда, оптически сопряженные с канальными световодами и выполненные с электрическими контактами. 3. Соединитель по п. 1, отличающийся тем, что в его состав введен кольцевой вращающийся трансформатор, выпрямительный блок и гнезда с электрическими контактами, оптически сопряженные с канальными световодами, при этом вход выпрямительного блока соединен с роторной обмоткой трансформатора, а выход с электрическими контактами, ротор и статор кольцевого вращающегося трансформатора установлены соответственно на оконечных частях первого и второго светонесущих элементов. 4. Соединитель по п. 1, отличающийся тем, что в его состав введены гнезда, оптически сопряженные с канальными световодами и выполненные с электрическими контактами, и штепсельные разъемы, при этом штепсельные разъемы установлены на кожухах и соединены с электрическими контактами.