Скользящие кольца проволочной щетки для чистой передачи сигнала

Контактные кольца проволочных щеток передают мощность, сигналы и во многих случаях данные через постоянно вращающийся интерфейс. Их выбирают, когда вращающейся системе необходим стабильный контакт в компактном корпусе без угольной пыли, образующейся при использовании традиционных конструкций угольных щеток. Однако они не являются обновлением по умолчанию. Для тяжелых условий передачи тока-, абразивных сред или специализированных радиочастотных линий зачастую более подходящей будет другая конструкция контактов.

Это руководство написано с точки зрения разработки приложений контактных колец. В нем объясняется, как работает контакт проволочной щетки, где он занимает свое место, как он сравнивается с контактными кольцами из угольной щетки по размерам, которые фактически весят покупатели, и какая информация нужна вашему поставщику, прежде чем предлагать цену. В конце прилагается проработанный пример с реалистичными параметрами, а также FAQ по вопросам, которые чаще всего возникают при выборе.

Что такое контактное кольцо проволочной щетки?

Контактное кольцо проволочной щетки представляет собой электромеханический узел, который поддерживает электрическое соединение между неподвижной конструкцией и вращающимся компонентом. Эта функция является общей для всехэлектрическое контактное кольцо; разница заключается в контакте.

Вместо одного угольного блока, прижатого к каждому проводящему кольцу, в конструкции проволочной щетки используется пучок тонких пружинистых проводящих проводов. Каждый провод является собственной точкой контакта, и на одном кольце одновременно проходят несколько проводов. Этот многоточечный-контакт является источником большей части электрического и механического поведения конструкции: меньшее изменение сопротивления контакта, меньший электрический шум в сигнальных линиях и профиль износа, который не приводит к попаданию проводящей углеродной пыли в окружающий механизм.

В технической литературе контакт с проволочной щеткой иногда называют контактом с волоконной щеткой или контактом с несколькими-волоконными щетками, особенно когда для сигнальных цепей низкого-уровня используются очень тонкие проволоки из сплава-драгоценных металлов.

Как на самом деле работает контакт с проволочной щеткой

Контактное кольцо имеет неподвижный корпус (статор) и вращающийся вал или втулку (ротор). Проводящие кольца расположены на вращающейся стороне. Щеточные блоки расположены на неподвижной стороне, каждый из которых удерживает пучок проводов, который прижимается к одному кольцу. Когда ротор вращается, ток или сигнал проходит через провода щетки в кольцо и выходит из ротора к тому, что установлено на вращающемся оборудовании.

Три детали имеют большее значение, чем признается в большинстве каталогов:

• Количество эффективных контактов.Один карбоновый блок может иметь одно основное пятно контакта. Пучок проводов может иметь от десяти до нескольких десятков независимых микро-контактов на одном кольце. Если некоторые из них на мгновение приподнимаются из-за вибрации или загрязнения, другие все еще проводят ток. Именно это делает контакт с проволочной щеткой привлекательным для датчиков, энкодеров и низковольтных цифровых линий.
• Контактное давление на провод.Каждый провод легкий. Общая нормальная сила невелика по сравнению с угольной щеткой, что снижает момент трения и нагрев на контактной поверхности. Компромисс- заключается в том, что ни один отдельный провод не может пропускать сильный ток; Цепи с высоким-током обрабатываются параллельными кольцами или более широкими группами щеток.
• Сочетание материалов.Щеточные провода обычно изготавливаются из сплавов драгоценных-металлов (на основе серебра- или золота-) для сигнальных цепей, а на поверхности колец используются дополнительные покрытия. Такое соединение контролирует стабильность контактного сопротивления в течение всего срока службы, и это единственный важный фактор, определяющий, будет ли контактное кольцо по-прежнему соответствовать техническим характеристикам после миллиона оборотов.

Контакт проволочной щетки все еще изнашивается. Речь идет не о «отсутствии износа» и «углеродном износе» -, а о мелком металлическом износе, который остается внутри корпуса, и о углеродных частицах, которые могут проникнуть в окружающие механизмы.
 

Где контактные кольца проволочной щетки заслужили свое место

Конструкции проволочных щеток обычно рекомендуются, если выполняется хотя бы одно из следующих условий:

• Система передает сигналы низкого-напряжения, обратную связь от энкодера или линии передачи данных, которые не выдерживают уровень шума изношенной угольной щетки.
• Окружающая среда чувствительна к частицам (оптические системы, медицинская визуализация, работа с полупроводниками, чистые помещения).
• Вертикальное или радиальное пространство ограничено, а небольшая высота стека имеет большее значение, чем максимальная токовая мощность.
• Доступ для технического обслуживания плохой -, прежде чем начинать какое-либо сервисное обслуживание, устройство должно проработать десятки тысяч часов.
• Силовые и сигнальные цепи должны находиться в одном компактном корпусе.

Такая конструкция не подходит, когда доминирующее требование составляет сотни ампер на цепь, когда окружающая среда сильно абразивна или химически агрессивна, или когда специализированное решение, такое какконтактное кольцо оптоволокнаили радиочастотное вращающееся соединение требуется для канала передачи данных.

Проволочная щетка против контактных колец угольной щетки

Оба стиля контакта работают. Вопрос в том, какой из них соответствует электрическим, механическим и сервисным ограничениям приложения. Традиционныйконтактное кольцо угольной щеткиостается правильным ответом во многих-применениях вращающихся силовых агрегатов, работающих в тяжелых условиях; Проволочная щетка выигрывает на разной местности.

Инженерное примечание: когда приложение сочетает в себе небольшую мощность большого-тока с множеством сигнальных линий низкого-напряжения, практическим решением обычно является проволочная щетка -, а редкая цепь большого-тока обрабатывается с помощью параллельных колец, а не с помощью технологии переключения контактов.

Общие применения с важными электрическими деталями

Общие категории приложений легко перечислить. То, что следует ниже, более полезно: типичное сочетание схем, необходимых каждому устройству, и то, что влияет на спецификацию.

Промышленная автоматизация: индексирующие столы, ротационные наполнители, этикетировочные турели

Поворотному делительному столу или этикетировочной турели на упаковочной линии обычно требуется управляющее питание 24 В постоянного тока, несколько линий цифрового ввода-вывода, один или два канала энкодера, а иногда и подключение к полевой шине. Контакт проволочной щетки соответствует сигнальной стороне; рабочий цикл высокий (несколько смен в день), а окна технического обслуживания короткие. Компактныйконтактное кольцо через-отверстиес набором контактов из проволочной щетки является распространенной конфигурацией, поскольку центральное отверстие позволяет проходить пневматическим или механическим валам.

Платформы для камер видеонаблюдения, EO/IR и панорамирования-наклона

Постоянно вращающиеся платформы камер передают питание постоянного тока, линии привода двигателя, сигналы управления, а также видео- или Ethernet-канал. В спецификации преобладает целостность сигнала: любой контактный шум проявляется в виде артефактов изображения или потери пакетов. Решение редко заключается в том, «какой тип щетки» - важно «какая стратегия экранирования и разделение каналов требуются».

Робототехника, ROV, подвесы БПЛА и вращающиеся концевые эффекторы

Здесь наибольшее значение имеют компактные конструкции с низким-крутящим моментом. Роботизированное запястье с EOAT не может позволить себе тяжелое контактное кольцо. Решающими факторами являются низкий момент трения и небольшой диапазон контакта проволочной щетки, а также сочетаниеКаналы сигнала USB или Ethernetдля полезной нагрузки.

Приспособления для испытаний и измерений

Вращающиеся испытательные приспособления, инструментальные динамометры и испытательные стенды для автомобильных компонентов передают аналоговые сигналы низкого-уровня, входы термопар, а иногда и высокоскоростные-цифровые линии. Контактный шум – враг. Сочетание материалов и экранирование внутри контактного кольца более важны, чем сам форм-фактор щетки.

Радары наблюдения, антенны и вращающиеся платформы связи

Позиционеры антенн часто объединяют мощность и сигнал в одном вращающемся сочленении, иногда рядом с отдельным вращающимся ВЧ-сочленением для высокочастотного тракта. Контакт с проволочной щеткой аккуратно обрабатывает низкочастотные-сигналы и питание постоянного тока.

Как выбрать контактное кольцо проволочной щетки

Самый быстрый способ получить правильное ценовое предложение — определить область применения по шести измерениям, прежде чем обращаться к производителю. Пропуск любого из них — наиболее частая причина редизайна после первого прототипа.

1. Перечислите каждую цепь отдельно

Не давайте поставщику одно число, например «10 цепей». Детализируйте:

• Функция схемы (питание двигателя, управление, энкодер A/B/Z, пара Ethernet, видео и т. д.)
• Номинальный постоянный ток ипиковый/пусковой ток- показатель пускового тока определяет размер контактов на линиях двигателя и соленоида.
• Напряжение переменного или постоянного тока и необходимая изоляция.
• Экранирована ли линия и должен ли экран вращаться вместе с кабелем или заканчиваться на корпусе

Если перепутать непрерывный и пиковый токи, полученная конструкция либо перегреется, либо будет -завышена, что приведет к более высоким затратам, чем необходимо.

2. Точно определите типы сигналов и данных

«Он должен передавать сигналы» — это не спецификация. Определите протокол, скорость и электрический стандарт для каждой линии. Общие случаи включают аналоговые выходы датчиков 0–10 В или 4–20 мА, шину RS-485 или CAN, Profinet, EtherCAT, 100Base-TX, 1000Base-T, видео (HD-SDI, аналоговый композитный, GigE Vision) или RF.

Ethernet, в частности, не является единой спецификацией. Контактное кольцо, предназначенное для Fast Ethernet 100 Мбит/с, не обязательно пройдетГигабитный Ethernetна вращающейся контактной дорожке без контроля внутреннего сопротивления, контролируемых перекрестных помех между парами и адекватного экранирования. Требования к передаче определены вСтандарт IEEE 802.3, и токосъемное кольцо, характеристики которого не соответствуют этим требованиям, не может считаться поддерживающим связь.

Инженерное примечание: прокладывайте пары Ethernet подальше от цепей двигателя и соленоида, если это позволяет расположение каналов. Там, где смешивание неизбежно, стратегия экранирования становится решающим выбором при проектировании - см. этот практический обзорэкранирующие решения для передачи сигнала с контактными кольцами.

3. Подтвердите скорость и рабочий цикл.

Контактные кольца обычно рассчитаны на постоянную частоту вращения, но рабочий цикл определяет срок службы. Машина, которая вращается со скоростью 20 об/мин непрерывно, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, совершает за год больше оборотов, чем система со скоростью 300 об/мин, работающая час в день. Предоставлять:

• Максимальные и типичные обороты в минуту
• Непрерывная и прерывистая работа
• Направление (одно- или двунаправленное)
• Ожидаемое общее количество часов работы или общее количество оборотов до конца срока службы

4. Укажите механический диапазон

Перечислите все механические ограничения, которые должно соблюдаться токосъемным кольцом: внешний диаметр, общая высота, требуемый размер сквозного-отверстия, если таковое имеется, монтажный интерфейс, направление и длина выхода кабеля, предпочтения разъема и допустимый крутящий момент на роторе. Если вертикальное пространство ограничено,блинное контактное кольцос контактом из проволочной щетки может подойти лучше, чем многоуровневая цилиндрическая конструкция.

5. Опишите окружающую среду

Диапазон рабочих температур, влажность, пыль, промывка, вибрация, удары, высота над уровнем моря и агрессивная атмосфера — все это влияет на выбор материала, уплотнение и соединение контактов. Требуемая степень защиты должна быть указана в виде IP-кода, определенного в разделеМЭК 60529; контекст того, что означает каждая цифра на практике, см. здесьинтерпретация IP-классов контактных колец.

6. Заблаговременно сделайте выбор между стандартным и пользовательским

Стандартную модель по каталогу доставить быстрее и дешевле. Аизготовленное на заказ контактное кольцооправдано, когда механическая оболочка, набор схем или окружающая среда не могут быть обеспечены стандартной деталью -, что часто бывает в случае компактных, смешанных силовых-и-сигнальных конструкций. Компромисс-более подробно рассматривается в этой статье, посвященнойстандартные и нестандартные контактные кольца.

Контрольный список выбора

Прежде чем отправлять запрос предложения, подтвердите, что вы можете ответить на каждый пункт в этом списке:

• Количество цепей в разбивке по функциям
• Для каждой цепи: непрерывный ток, пиковый/пусковой ток, напряжение, переменный или постоянный ток.
• Протоколы и скорости сигналов (тип энкодера, полевая шина, скорость Ethernet, видеостандарт, радиочастота)
• Требования к экранированию и заземлению для каждой цепи
• Максимальная частота вращения, типичная частота вращения, рабочий цикл, направление
• Целевой срок службы в часах или оборотах
• Наружный диаметр, общая длина, размер сквозного-отверстия, способ крепления
• Направление вывода кабеля, длина кабеля, тип разъема
• Диапазон рабочих температур
• Требуемый класс IP согласно IEC 60529, а также любое промывание или химическое воздействие.
• Вибрация и ударная среда
• Требования соответствия (UL, CE, военные, медицинские и т. д.)

Рабочий пример: вращающаяся инспекционная платформа с питанием и Gigabit Ethernet
 

Приведенные ниже параметры носят иллюстративный характер - и отражают часто встречающуюся конфигурацию, а не какой-либо отдельный проект клиента.

• Приложение:Постоянно вращающаяся турель для оптического контроля, прилегающая к помещению чистая комната-
• Полезная нагрузка ротора:Промышленная камера, кольцевая подсветка, плата управления, датчик температуры окружающей среды
• Схемы:2 × 5 А постоянного тока (24 В), 1 × Gigabit Ethernet (4 витые пары), 2 × цифровых ввода-вывода, 1 × вход для термопары
• Число оборотов в минуту:60 об/мин, непрерывная, двунаправленная
• Рабочий цикл:22 часа в день, 6 дней в неделю
• Механический конверт:Доступная высота штабеля 50 мм, сквозное-отверстие 25 мм для пневматической линии.
• Среда:15–30 градусов, низкая пыль, отсутствие промывки, достаточная степень защиты IP54.
• Целевой срок службы:Минимум 8000 часов до любого сервисного вмешательства

Подходящая конфигурация представляет собой контактное кольцо с проволочной щеткой со сквозным-проходным отверстием, в котором пары Ethernet проложены по выделенным каналам с внутренним экранированием, отделенным от силовых колец 24 В. Линия термопары сгруппирована с сигналами низкого-уровня на противоположной стороне корпуса от силовых колец. Материал щетки представляет собой сплав драгоценных-металлов на сигнальной стороне и более прочный-сплав на двух силовых кольцах.

Этот пример иллюстрирует не то, что контакт проволочной щетки «поддерживает Ethernet» в целом -, а то, что конкретная схема канала, план экранирования и сочетание материалов должны быть спроектированы так, чтобы соединение работало с постоянно вращающимся контактом.

Распространенные ошибки в спецификациях

• Рассматривая количество цепей как единственное число.Два 12-контактных контактных колец могут иметь совершенно разный срок службы, если одно из них рассчитано на пусковой ток, а другое — нет.
• Указываем «Ethernet» без скорости.100Base-TX и 1000Base-T предъявляют разные требования к контролю импеданса и перекрестным помехам внутри контактного кольца.
• Недооценка окружающей среды.Деталь, которая работала в настольном прототипе, может выйти из строя через несколько месяцев после установки рядом с туманом охлаждающей жидкости или в наружном кожухе с ежедневными циклами конденсации.
• Предполагается, что будет установлена ​​стандартная модель.Направление вывода кабеля, тип разъема и диапазон крутящего момента часто исключают очевидное соответствие каталогу.
• По умолчанию используется проволочная щетка для работы с большой-силой тока.Сверхмощная-одиночная цепь на сотни ампер в большинстве случаев по-прежнему остается территорией угольных щеток.