Drum and Pancakes: Zeit, sich mit Schleifringen vertraut zu machen

Selbst Ingenieure, die in ihrer täglichen Arbeit nicht mit Schleifringen zu tun haben, wissen, wie diese elektromechanischen Vorrichtungen die Übertragung von Energie und elektrischen Signalen von einer stationären Struktur (Stator) auf eine rotierende Struktur (Rotor) und umgekehrt ermöglichen. Doch wie viele kennen tatsächlich die verschiedenen Schleifringtypen und wissen, welche Leistungsmerkmale und Vorteile/Nachteile sie mit sich bringen?

Dieser Artikel beleuchtet die gängigen Schleifringvarianten und zeigt auf, wie ein wenig Wissen Ingenieuren zu einem erfolgreicheren Projektergebnis verhelfen kann.

Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten

Schleifringe eignen sich ideal für den Einsatz in allen elektromechanischen Systemen, die eine Drehung bei der Übertragung von Energie- und/oder Datensignalen erfordern. Sie können die Leistung verbessern, den Betrieb vereinfachen und die Gefahr einer Beschädigung der Drähte in den beweglichen Gelenken beseitigen. Daher sind Schleifringe unverzichtbare Komponenten für Produkte wie Windturbinen, Maschinen, Roboterfahrzeuge, Kameras, Radargeräte, Hubschrauber, Ölbohrer und Bergbauausrüstung, um nur einige zu nennen.

Im Englischen gibt es viele verschiedene Bezeichnungen für Schleifringe, darunter elektrische Drehverbindungen, elektrische Drehverbinder, Kollektoren, Drehgelenke und elektrische Drehkupplungen. Unabhängig von der persönlichen Vorliebe beziehen sich alle diese Bezeichnungen auf dasselbe Gerät. Es gibt jedoch zwei sehr unterschiedliche Arten von Schleifringen, die sich durch ihre Form unterscheiden: den klassischen Schleifring, der “Trommel” genannt wird, und den flachen Schleifring, der “Pfannkuchen” genannt wird.

Der Unterschied zwischen diesen beiden Bauformen liegt vor allem in der Anordnung der Kreisläufe, die bei Trommelschleifringen übereinander gestapelt sind. Im Gegensatz dazu weisen Schleifringe in Pfannkuchenbauweise einen flachen, konzentrischen Verlauf auf.

Leistung ankurbeln

Trommelschleifringe beruhen in der Regel auf Übertragungstechnologien, zu denen Mehrfaserbürsten, Einzelfaserbürsten und Kohlebürsten/leitende Blöcke gehören. Diese Schleifringe haben sich auf dem Markt durchgesetzt, da sie in der Regel preiswerter und vielseitiger sind als alternative Schleifringkörper.

Trommelschleifringe bestehen aus einer zentral rotierenden Welle, die einzelne Kontaktringe hält. Die Bürsten können die Form von Pads, Fäden oder Walzringen haben, aber die Bürste-auf-Ring-Konstruktion stellt die Mehrzahl der gängigen Typen dar. Die Trommelkonstruktion ist wartungsfreundlich und skalierbar, so dass mehrere Ringe aneinandergereiht werden können, um eine große Anzahl von Schaltkreisen zu erhalten.

Der Schleifring besteht aus einzelnen Ringen, die unabhängig voneinander zu verschiedenen Konfigurationen zusammengesetzt werden können, so dass die Hersteller in der Lage sind, Schleifringübertragungen entsprechend den spezifischen Anforderungen der Anwendung anzupassen oder individuell zu gestalten. Es ist sogar möglich, maßgeschneiderte Trommelschleifringe aus Standardkomponenten für Ringe und Bürsten zu bauen.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Konstruktion, die größere mechanische Toleranzen bei der Ausrichtung der Bürsten zulässt und eine unkomplizierte Montage ermöglicht. Unter bestimmten Umständen ermöglicht dieser relativ einfache Aufbau es den Benutzern sogar, ihre Schleifringe selbst zu reparieren und zu warten, anstatt Zeit und Kosten für die Rücksendung an den Hersteller zur Wartung und Überholung aufzuwenden.

Lange Betriebsdauer

Ein weiterer Vorteil von Trommelschleifringen ist die längere Lebensdauer, die in der Regel auf das einfache Aufbringen der galvanischen Beschichtung zurückzuführen ist (im Vergleich zu Pancake-Varianten). Das Ergebnis ist eine dickere Schicht der Beschichtung, die länger verschleißt. Eine längere Lebensdauer bedeutet für den Anwender eine höhere Zuverlässigkeit, zumal sich Trommelschleifringe aufgrund der dickeren Beschichtung auch bei hohen Drehzahlen drehen können.

Die meisten Schleifringe arbeiten mit einigen hundert Umdrehungen pro Minute, wobei Hochgeschwindigkeitsvarianten bis zu einigen tausend Umdrehungen pro Minute möglich sind. In der Regel gibt es einen Kompromiss zwischen Drehzahl und Verschleiß, wobei auch der Durchmesser eine Rolle spielt. Je kleiner der Durchmesser ist, desto geringer ist die Tangentialgeschwindigkeit am Kontakt zwischen Ring und Bürste und damit auch die Wärmeentwicklung und der Verschleiß.

Trommelschleifringe können mit Bürsten einen Strom von bis zu 500 A und mit Kohlebürsten Tausende von Ampere übertragen: deutlich mehr als bei den Scheibenschleifringen. Ein weiterer Vorteil der Trommelvarianten ist, dass sie über ein eigenes Gehäuse verfügen, im Gegensatz zu vielen Pfannkuchenvarianten, die oft rahmenlos sind und die Herstellung eines geeigneten Gehäuses erfordern.

Die flachen Fakten

Schleifringübertrager basieren in der Regel auf Übertragungstechnologien, die sowohl Mehrfaser- und Einzelfaserbürsten als auch induktive und kapazitive Lösungen umfassen.

Die Konfiguration der Pfannkuchen-Schleifringe basiert auf einem Paar kreisförmiger Leiterplatten, von denen eine mit konzentrischen Ringspuren ausgestattet ist, die einer Schallplatte ähneln, und die andere mit Bürsten, die zu den Ringen passen. Diese Platinen liegen mit einem bestimmten Abstand und Druck aufeinander. Die Rotorwelle trägt eine der Platinen und bildet damit das Rotationselement des Schleifrings.

Einer der Hauptunterschiede zu Trommelschleifringen besteht darin, dass die Übergabepunkte bei Scheibenschleifringen nicht linear, sondern senkrecht zur Drehachse verlaufen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass die axiale Länge der Schleifringe für die Anzahl der Kreisläufe gering ist. In der Tat beträgt die Länge in Längsrichtung oft nur wenige Millimeter. Die Entscheidung für das Pancake-Design hängt daher in der Regel von der Größe und Form des Arbeitsraums ab. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Schleifringen in Scheibenbauweise ist ihre Skalierbarkeit. Aufgrund ihrer geringen Bauhöhe können Systemkonstrukteure Hunderte von Kontakten auf einer einzigen rotierenden Welle unterbringen, indem sie mehrere Flachschleifringe verwenden.

Diese Art von Schleifring ist ideal für den Einsatz in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, wie z.B. bei Robotern und Cobots (kollaborierende Roboter), sowie bei zahlreichen nicht-industriellen Systemen. Aufgrund ihrer Vorteile in der vertikalen Achse eignen sich Flachschleifringe für Einbaulagen, bei denen nur eine kurze Welle vorhanden ist, in Querrichtung aber ausreichend Platz vorhanden ist.

Die Grenzen

Es gibt eine Reihe von Nachteilen bei Schleifringen in Scheibenform. So erfordert die Beibehaltung des Vorteils einer geringen Bauhöhe die Verwendung von Bürsten mit begrenztem Hub/Länge. Außerdem führt der Einsatz von Blattfedern mit direkt verlöteten Kontakten in der Regel zu einem schwachen Kontaktdruck bei Stößen oder Vibrationen oder wenn elektrischer Strom durch die Blätter fließt.

Schleifringe in Scheibenform erzeugen auch mehr Signalübersprechen während des Betriebs, und die Bürsten dieser Schleifringart können im Vergleich zu Trommelschleifringen ungleichmäßig verschleißen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass Pancake-Schleifringe in der Regel nur etwa 10/15A übertragen können, da die Breite des Rings begrenzt ist, was die Stromkapazität einschränkt. Folglich sind diese Schleifringtypen nur für die Übertragung von Signalen, nicht aber von Strom geeignet. Da in der Regel nur eine dünne galvanische Beschichtung möglich ist, verschleißen die Pancake-Varianten an den äußersten Ringen oft schneller.

Da sie eine recht breite Struktur haben, sind Schleifringe für hohe Drehzahlen weniger geeignet. Bei hohen Geschwindigkeiten nehmen die Zentrifugalkräfte und Vibrationen so stark zu, dass Schleifringe oft beschädigt werden können. Deshalb sind die meisten Schleifringe auf eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 300 U/min und eine begrenzte Anzahl von Kreisläufen beschränkt. Aufgrund dieser Einschränkungen sind sie für schnell rotierende Wellen, wie z. B. Flowpacks und Wickler, nicht geeignet. Je größer ein Schleifring wird, desto empfindlicher reagiert er auf hohe Drehzahlen.

Diese Bauweise bringt in der Regel auch mehr Gewicht und Volumen für die gleiche Anzahl von Kreisläufen mit sich und bietet ein größeres Potenzial für die Ansammlung von Verschleißpartikeln auf der vertikalen Achse.

Making the right choice

Neben der Wahl zwischen Trommel- und Flachschleifringen gibt es noch viele weitere Faktoren zu berücksichtigen, wie z. B. die Größe, den Platz und die Ausführung. So zeichnen sich Schleifringe aus Edelmetallen durch eine hohe Leitfähigkeit aus. Im Gegensatz zu Bronze haben Edelmetalle einen wesentlich stabileren und gleichmäßigeren Übergangswiderstand.

Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium ist die Funktionalität, d. h. wählen Sie immer Schleifringe für die Übertragung von Strom, Daten oder beidem. Die Übertragung von Energie, insbesondere bei hohen Spannungen, erfordert Leiter, die Hitze und anderen mit dieser wichtigen Funktion verbundenen Bedingungen widerstehen können.

Die Daten-/Signalübertragung benötigt weniger Energie als die Stromübertragung. Allerdings können Übersprechen und Rauschen ein Problem darstellen, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden.

Die gleichzeitige Übertragung von Daten und Energie erfordert die Verwendung mehrerer Stromkreise. In diesem Fall müssen die Verdrahtung und die Auslegung der einzelnen Kollektorstromkreise korrekt ausgeführt werden.

Fachkundige Unterstützung

Jedes Projekt und jede Anwendung ist natürlich anders. Um sich bei der Auswahl von Trommel- oder Flachschleifringen sicher zu sein, sollten Sie sich daher immer von einem Unternehmen beraten lassen, das bei der Entwicklung und Herstellung dieser innovativen Produkte nachweislich erfolgreich war. Letztendlich gibt es keinen Ersatz für Know-how und Erfahrung, wenn es um Nischentechnologien wie Schleifringe und deren optimale Anwendung geht.