Was ist ein Schleifring?

Schleifringe sind elektromechanische Geräte, die kontinuierlich Energie und elektrische Signale von einem statischen Bauteil auf ein rotierendes Bauteil und umgekehrt übertragen. Solche Vorrichtungen haben viele Namen, darunter Drehkupplungen, elektrische Drehkupplungen, Schleifkontakte usw. Es liegt auf der Hand, dass diese Lösung mit ihrer Fähigkeit zur kontinuierlichen Drehung die Montage erheblich vereinfacht und die Notwendigkeit komplexer gelenkiger Verkabelungssysteme und das damit verbundene Risiko von Beschädigungen und Ausfallzeiten überflüssig macht, wodurch sich der Wartungsaufwand drastisch verringert. Je nach Übertragungstechnologie können Schleifringe Leistung, Daten oder beides zusammen übertragen; ihre Leistungsübertragungskapazität reicht von mW bis MW, je nach den Anforderungen der Anwendung und der Konfiguration; bei den Daten kann es sich um digitale oder analoge E/A handeln, einschließlich Feldbusdaten bis zu 1 Gb/s.

Typen von Schleifringen

Angesichts der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Schleifringen wurde eine Vielzahl von Kontakttechnologien entwickelt, bei denen unterschiedliche Konfigurationen und Materialien zum Einsatz kommen. Derzeit gibt es 4 Haupttypen von Kontakten.

• Leitfähiger Block
• Flüssiges Metall
• Faserbürste
• Drahtlos

Leitfähige Blockschleifringe

Leitfähige Blockschleifringe (auch Kohlebürstenschleifringe genannt) sind wahrscheinlich die einfachste Konfiguration. Sie werden vor allem für Anwendungen mit niedrigem Technologieniveau verwendet, typischerweise für die Übertragung von Strom oder einfachen Signalen. Die Bürsten bestehen aus Blöcken, die so geformt sind, dass sie die Ringe berühren. Das Material der Blöcke kann von klassischem Graphit für die Stromübertragung bis hin zu komplexeren Edelmetalllegierungen für die Signalübertragung reichen. Die Bürsten sind in der Regel federbelastet, um den Kontakt mit den Ringen bei Stößen und Vibrationen aufrechtzuerhalten und den Verschleiß auszugleichen. Diese Technologie unterliegt einer hohen Verschleißrate und erfordert eine regelmäßige Wartung, um zu verhindern, dass sich leitfähiger Staub im Schleifring ansammelt.

Flüssiges Metall

Dies war früher der am häufigsten verwendete Typ, da er eine hohe Leistung bei geringem Platzbedarf bietet. Er verwendet keine Bürste/Ring-Konfiguration. Stattdessen wird ein leitfähiges Flüssigmetall verwendet, um Strom und Signale zwischen den statischen und rotierenden Komponenten zu übertragen. Quecksilber ist das am häufigsten verwendete flüssige Metall für diesen Zweck; heutzutage wird manchmal auch eine Galliumlegierung (Ga) verwendet.

Allerdings wird diese Technologie aufgrund der RoHS-Beschränkungen für die Verwendung von Schwermetallen und der Tatsache, dass das Metall auch giftig ist, wenn es ausläuft, derzeit nur in wenigen Märkten eingesetzt.

Faserbürste

Dies ist derzeit der am weitesten verbreitete Typ, da er sehr flexibel einsetzbar ist und sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, von der Übertragung hoher Leistungen bis zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Die Bürsten können aus Monofaser für kleine Kapselschleifringe (mit Karkasse) oder aus Multifaser für größere Schleifringe bestehen. Multifaser-Bürstenschleifringe bieten die beste Lebensdauer und Kontaktqualität: Verschleiß und Staub werden durch die geringe Reibung zwischen den Kontakten reduziert.

Multifaserbürsten bestehen aus einem Bündel dünner Metallfäden, die aufgrund ihrer Flexibilität eine hohe Kontaktqualität und geringen Verschleiß gewährleisten. Wie bei der Leitblocktechnologie können auch hier verschiedene Kontaktmaterialien und Substrate verwendet werden, um die Leistung zu optimieren. Für die Stromübertragung werden in der Regel Legierungen aus Stahl und anderen gängigen Metallen verwendet, während für die Signalübertragung eine gehärtete Goldlegierung eingesetzt wird. Gold wird für die letztgenannte Anwendung verwendet, da es nicht oxidiert und die Qualität des Kontakts somit im Laufe der Zeit nicht beeinträchtigt wird.

Drahtlose/berührungslose Schleifringe

Drahtlose Schleifringe sind eine neue Art von Produkten. Sie arbeiten nach dem Prinzip der kapazitiven oder induktiven Kopplung für die Leistungs- und Signalübertragung durch Erregung der Spulen mit hoher Frequenz ohne Kontakt zwischen den rotierenden und statischen Komponenten, die bei Bedarf auch durch spezielle Materialien getrennt werden können. Im Allgemeinen sind sie weniger effizient als andere Lösungen, und der Verlust an Effizienz ist direkt proportional zum Abstand zwischen den gekoppelten Komponenten. In der Praxis ist diese Lösung noch nicht sehr weit verbreitet. Ihre Hauptvorteile liegen im fehlenden Verschleiß und in der Möglichkeit, Konfigurationen mit hoher Dichtungs-/Schutzwirkung zu realisieren. Andererseits können sie nur eine Leistung von bis zu 150 W übertragen, haben einen geringen Wirkungsgrad und erfordern eine aktive Elektronik zur Erregung der Spule. Die Feldbus-Datenübertragung erfolgt im Allgemeinen über ein in die Elektronik integriertes Wi-Fi- oder Bluetooth-Modul. Das bedeutet, dass für jede Feldbusverbindung ein eigenes Modul erforderlich ist, und wenn keine kommerzielle Lösung verfügbar ist, muss sie für die spezifische Anwendung entwickelt werden. Diese Art von Schleifring kann in Nischenanwendungen eingesetzt werden, die durch hohe Drehzahlen und schlechte Zugänglichkeit für die Wartung gekennzeichnet sind.

Übersichtstabelle der Schleifringtechnologien

Faseroptische Schleifringe (oder FORJ – Fiber Optic Rotary Joints)

Eine faseroptische Drehkupplung ist die optische Entsprechung eines elektrischen Schleifrings. Diese Vorrichtungen ermöglichen die kontinuierliche Drehung einer oder mehrerer optischer Fasern, ohne die über sie übertragenen Signale zu beeinträchtigen. FORJs werden häufig in medizinischen Systemen (OCTs) und in anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein drallfreies Faserkabel unerlässlich ist. Es gibt Hunderte von Patenten für Zweikanal- und Mehrkanal-FORJs, aber nur wenige sind kommerziell realisierbar. FORJs sind passive Komponenten mit einem bestimmten Ziel: die Signalübertragung entlang der Glasfasern zu optimieren und die Verluste zu minimieren, wenn sich eines der beiden Enden dreht. Die folgenden Merkmale sind entscheidend für die Bewertung der Qualität eines FORJ:

• Einfügungsdämpfung (IL): Wie bei allen Übertragungsleitungen gibt es einen Leistungsverlust (in dB), der durch die Kopplung verschiedener Materialien (einschließlich der Koppelflüssigkeiten) oder mechanische Toleranzen des ZVK verursacht wird. Es liegt auf der Hand, dass ein gut konzipiertes FORJ diese Verluste minimieren muss. Der IL für ein hochwertiges FORJ liegt bei 0,5-1 dB für Einkanalgeräte und 3 dB für Mehrkanalgeräte.
• Einfügungsdämpfungsvariation (wow): Dies ist die Variation der IL über eine volle Umdrehung des FORJ-Rotors im Verhältnis zum Stator. Ein gut konzipierter FORJ hat eine Abweichung pro Umdrehung von +/- 0,25 dB. Die Schwankung kann auch als Parameter bei der FORJ-Diagnose verwendet werden.
• Rückflussdämpfung (RL): Sie misst die reflektierte Signalleistung (in diesem Fall vom FORJ zur Signalquelle). Die Rückflussdämpfung ist ebenso wichtig wie die vorhergehenden Parameter, da fast alle Laser empfindlich auf optische Reflexion reagieren, was zu Schwankungen in ihrem Emissionsspektrum und damit zu Leistungsschwankungen führt. Der RL für einen gut konzipierten FORJ sollte bei SM-Fasern etwa 60 dB und bei MM-Fasern 40 dB betragen.

Einkanalige FORJs (ob SM oder MM) sind aufgrund ihrer relativ einfachen mechanischen Konstruktion recht kompakt und ermöglichen hohe Drehzahlen (typischerweise bis zu 10000 U/min) und eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bei nahezu vernachlässigbarer Leistungsverschlechterung.

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