Bębny i pankejki. Poznaj slipringi – elektryczne złącza obrotowe

Każdy inżynier i konstruktor słyszał o elektrycznych złączach obrotowych i wie, jak te elektromechaniczne urządzenia ułatwiają przenoszenie mocy i innych sygnałów elektrycznych z części stacjonarnej (stojana) do części ruchomej (wirnika) i odwrotnie. Czy jednak wszyscy zdają sobie sprawę z różnorodności konstrukcji slipringów oraz ich wszechstronności?

W tym artykule wyjaśnimy różnice między popularnymi wariantami elektrycznych złączy obrotowych oraz rzucimy światło na zalety i wady każdego z rozwiązań.

Zalety stosowania slipringów w aplikacjach

Slipringi poprawiają wydajność, upraszczają obsługę i eliminują ryzyko uszkodzenia przewodów w każdym systemie elektromechanicznym, który wymaga obrotu podczas przesyłania mocy lub danych. Są niezbędnymi komponentami takich aplikacji jak turbiny wiatrowe, pojazdy zrobotyzowane, kamery, radary, helikoptery czy platformy wiertnicze.

Ze względu na kształt złączy obrotowych możemy wyróżnić dwa podstawowe typy: klasyczny, zwany „bębnem” oraz płaski zwany „pankejkiem”.

Różnica między tymi dwoma konstrukcjami polega głównie na rozmieszczeniu obwodów, które w przypadku slipringów typu bębnowego są ułożone jeden na drugim. Z kolei slipringi typu „pankejk” charakteryzują się płaskim, koncentrycznym układem.

Wysoka wydajność „bębnowych” złączy obrotowych

Technologia transmisji sygnałów w złączach bębnowych opiera się na przewodzeniu za sprawą szczotek węglowych lub szczotek z włókna – zarówno pojedynczych (single fiber) jak i zwielokrotnionych (multi fiber). Slipringi bębnowe dominują na rynku z uwagi na to, że zazwyczaj są tańsze i bardziej wszechstronne niż ich alternatywy typu „pankejk”.

Jeśli chodzi o konfigurację, bębnowe pierścienie ślizgowe mają centralnie obracający się wał, który utrzymuje poszczególne pierścienie stykowe. Szczotki mogą mieć postać podkładek, włókien lub pierścieni walcowych, ale szczotka na pierścieniu jest najpopularniejszą konfiguracją. Konstrukcja bębna jest łatwa w utrzymaniu i skalowalna, co sprawia, że pierścienie mogą być dokładane, aby zapewnić dużą liczbę obwodów.

Złącze obrotowe składa się z pojedynczych pierścieni, które można montować niezależnie, tworząc różne konfiguracje, umożliwiając konstruktorom dostosowanie slipringów do konkretnych wymagań aplikacji. W rezultacie możliwe jest zbudowanie niestandardowych, dopasowanych do indywidualnych potrzeb bębnowych złączy obrotowych przy użyciu standardowych elementów – pierścieni i szczotek.

Kolejną zaletą bębnów jest ich prosta konstrukcja, która pozwala na większe tolerancje mechaniczne w ustawieniu szczotek, co ułatwia montaż. W niektórych okolicznościach ta stosunkowo prosta konstrukcja pozwala nawet użytkownikom na samodzielną naprawę i konserwację slipringów, bez potrzeby ingerencji ze strony producenta.

Co wpływa na długą żywotność slipringów typu „bęben”?

Kolejną zaletą bębnowych złączy obrotowych jest dłuższa żywotność, która zazwyczaj wynika z prostoty nakładania powłoki galwanicznej (w porównaniu z wariantami typu „pankejk”). W rezultacie, grubsza powłoka umożliwia obracanie się pierścieni przy dużych prędkościach i gwarantuje więcej cykli pracy.

Większość slipringów działa przy kilkuset obrotach na minutę, a warianty o dużej prędkości oferują do kilku tysięcy obrotów na minutę. Istnieje ścisła zależność między prędkością a zużyciem, ale ważnym czynnikiem jest tu również srednica slipringa. Im mniejsza średnica, tym niższa prędkość na styku pierścień/szczotka, a co za tym idzie, mniejsze wytwarzanie ciepła i mniejsze zużycie.

Bębnowe elektryczne złącza obrotowe mogą przenosić tysiące amperów prądu przy użyciu szczotek węglowych – to znacznie więcej niż slipringi typu „pankejk”. Kolejnym udogodnieniem w przypadku wariantów bębnowych jest to, że mają one własną obudowę.

Płaskie slipringi często wymagają wyprodukowania odpowiedniej zabudowy.

Fakty dotyczące slipringów typu „pankejk”

Technologia transmisji w slipringach typu „pankejk” opiera się na przewodzeniu za sprawą szczotek z włókna, ale obejmuje też rozwiązania indukcyjne i pojemnościowe.

Te złącza obrotowe skonstruowane są z dwóch okrągłych płytek PCB, z których jedna zawiera koncentryczne ścieżki pierścieniowe przypominające płytę winylową, a druga szczotki pasujące do pierścieni. Obwody te znajdują się w określonym odstępie od siebie.

Wał wirnika przenosi jedną z płytek drukowanych, tworząc w ten sposób element obrotowy złącza.

Podstawowym czynnikiem różniącym slipringi typu „bęben” od slipringów typu „pankejk” jest to, że punkty transmisji w tych drugich nie są liniowe tylko pionowe względem osi obrotu. To sprawia, że mają one niski profil, wynoszący zwykle kilka milimetrów wysokości. Dlatego też decyzja o zastosowaniu w aplikacji tego typu slipringów zależy od powierzchni roboczej.

Kolejną istotną zaletą złączy obrotowych typu „pankejk” jest ich skalowalność. Ze względu na niski profil, projektanci systemów mogą pomieścić setki punktów styku na jednym obracającym się wale, używając kilku takich slipringów.

Ten typ złączy jest idealny do stosowania w aplikacjach o ograniczonej przestrzeni, takich jak roboty i coboty, a także w wielu systemach nieprzemysłowych. Ze względu na swój mały rozmiar, nadają się do montażu wszędzie tam, gdzie jest mało miejsca w osi pionowej, ale wystarczająco dużo miejsca w osi poziomej.

Ograniczenia płaskich złączy obrotowych

Złącza obrotowe typu „pankejk” mają też wady. Na przykład, konieczność zachowania niskiego profilu wymaga użycia szczotek o ograniczonej długości. Co więcej, użycie sprężyn typu wielopłytkowego z bezpośrednio lutowanymi stykami zwykle skutkuje słabym naciskiem podczas wstrząsów lub wibracji, lub wtedy, gdy przez płytki przepływa prąd elektryczny.

Slipringi tego typu generują również więcej zakłóceń sygnału podczas pracy, a ich szczotki mogą zużywać się nierównomiernie w porównaniu z typami „bębnowymi”.

Kolejną wadą jest to, że złącza typu „pankejk” mogą zazwyczaj przesyłać tylko około 10/15 A, ponieważ szerokość pierścienia jest ograniczona, co ogranicza również prąd znamionowy. W konsekwencji te typy złączy lepiej nadają się do przesyłania sygnałów, a nie mocy. Ponadto, ponieważ zwykle można uzyskać tylko cienką warstwę galwaniczną, warianty typu „pankejk” często zużywają się szybciej na skrajnych zewnętrznych pierścieniach.

Ponieważ mają one dość szeroką konstrukcję, płaskie złącza obrotowe są mniej odpowiednie dla wysokich prędkości obrotowych. Przy dużych prędkościach siła odśrodkowa i wibracje wzrastają tak bardzo, że „pankejki” mogą ulec uszkodzeniu, dlatego większość z nich jest ograniczona do maksymalnej prędkości około 300 obr / min, mają też mniejszą liczbę obwodów. Ograniczenia te sprawiają, że nie nadają się one do szybkich aplikacji, takich jak flowpacki i owijarki. Warto zauważyć, że im większy staje się slipring, tym większa jest jego wrażliwość na wysokie prędkości.

Konstrukcja ta ma również zwykle większą masę i objętość dla tej samej liczby obwodów, a także większy potencjał do zbierania zanieczyszczeń ściernych.

Jak dokonać właściwego wyboru?

Jakie czynniki, poza rozmiarem i wymaganiami projektu należy brać pod uwagę przy wyborze między złączem obrotowym typu bębnowego i złączem typu „pankejk”? Na przykład, wysoka przewodność elektryczna charakteryzuje slipringi wykonane z metali szlachetnych. W porównaniu do brązu, metale szlachetne mają znacznie bardziej stabilną i jednolitą rezystancję styku.

Innym ważnym kryterium wyboru jest funkcjonalność: innymi słowy – zawsze należy wybierać złącze obrotowe do przesyłania mocy, danych lub obu rodzajów sygnałów. Transmisja mocy, szczególnie przy wysokich napięciach, wymaga przewodników odpornych na ciepło i inne warunki, wpływające na tę podstawową funkcję.

Transmisja danych wymaga mniejszej mocy. Jednak zakłócenia i szumy mogą stanowić problem, jeśli nie są odpowiednio zarządzane.

W przypadku jednoczesnej transmisji danych i mocy, wymagana jest większa liczba obwodów. Należy zadbać o to, aby okablowanie i projekt każdego obwodu wykonany był we właściwy sposób.

Każda aplikacja jest oczywiście inna, więc aby podjąć właściwą decyzję dotyczącą typu złącza obrotowego, należy zasięgnąć porady eksperta. Zapraszamy do kontaktu z ekspertami naszej firmy, którzy wesprą Państwa w doborze odpowiedniego rozwiązania.

 

Źródło: https://servotecnica.com/en/drums-and-pancakes-time-to-get-more-familiar-with-slip-rings/