Wie konfiguriert man einen Schleifring?

Bei der Auslegung und Konfiguration eines elektrischen Schleifrings müssen die Funktionsweise der verschiedenen Gerätetypen berücksichtigt und eine Reihe grundlegender Aspekte beachtet werden.

Ein Schleifring ist eine elektromechanische Vorrichtung, die elektrische Energie und Signale von einem feststehenden Teil (Stator) zu einem kontinuierlich rotierenden Teil (Rotor) und umgekehrt überträgt. Es liegt auf der Hand, dass die Beseitigung der Kabeltorsion die Konstruktion von Maschinen und Systemen erheblich vereinfacht; es werden keine komplexen Kabelführungen benötigt, und die Maschine muss am Ende eines jeden Zyklus nicht in ihre Ausgangsposition zurückkehren, was sowohl die Leistung als auch den Platzbedarf der Anwendung verbessert. Die Leistungsübertragung variiert je nach Maschine und Konfiguration von einigen mW bis zu mehreren MW; Daten können auch über digitale und analoge E/A, aber auch über den Feldbus bis zu einer Geschwindigkeit von 1 Gb/s ausgetauscht werden.

Contact technologies

Angesichts der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Schleifringen wurde eine Vielzahl von Kontakttechnologien entwickelt, bei denen unterschiedliche Konfigurationen und Materialien zum Einsatz kommen. Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien: kontaktbehaftete und kontaktlose (drahtlose). Bei kontaktbehafteten Schleifringen werden leitende Bürsten unterschiedlicher Art verwendet: Monofilament, Multifilament, Graphit und Flüssigmetall. Kontaktlose Schleifringe hingegen können optische, induktive oder kapazitive Technologien verwenden.

Zu den Vorteilen von Graphitbürsten gehören die Stromübertragung von 50 A bis 400 A, die einfache Konstruktion und die niedrigen Produktionskosten, selbst bei Geräten mit hohen Stromstärken. Sie haben jedoch auch Nachteile, wie die Notwendigkeit größerer Signalstromkreise, die Ungeeignetheit für Feldbussignale mit hoher Datenrate, die Staubentwicklung während der Rotation und die Notwendigkeit einer regelmäßigen Wartung. Metallbürsten-Schleifringe hingegen sind in der Regel kompakter, bieten hohe Übertragungsraten, erfordern keine Wartung und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis für kleine Einheiten. Zu ihren Nachteilen gehören die begrenzten Stromstärken (150-200 A) und die hohen Kosten für Lösungen, die für mehr als 100 A ausgelegt sind. Bei den Faserbürsten kann zwischen Monofilament- und Multifilamentbürsten unterschieden werden. Erstere sind kleiner und kostengünstiger. Sie haben jedoch eine begrenzte Lebensdauer (10 Millionen Umdrehungen), eine niedrige Drehzahl (höchstens 500 U/min) und bieten nur zwei Kontaktpunkte. Multifilamentbürsten hingegen bieten höhere Drehzahlen (bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute), mehr Kontaktpunkte (und damit eine stabilere Übertragung), eine längere Lebensdauer (100 Millionen Umdrehungen pro Minute) und sind robuster – aber sie kosten mehr.

Welchen Schleifring soll ich wählen?

Um einen optimalen Betrieb in einer bestimmten Anwendung zu gewährleisten, müssen die folgenden Parameter berücksichtigt werden:

• Der zur Datenübertragung verwendete Feldbus (Profibus, Ethernet, Canbus, usw.)
• die Art des Kabels, das für den Anschluss des Schleifrings verwendet wird, und die Länge der Kabelstrecke
• Die Datenrate/Maximalfrequenz
• Die Signal-Fehler-Rate
• Größe (Durchmesser/Länge)
• Die Anzahl der Stromkreise und deren Spannungs- und Stromwerte
• Die maximale Drehgeschwindigkeit der Anwendung
• Die Umgebungsbedingungen

Selbst die einfachsten Schleifringe mit Bürsten und Ringen können Leistung übertragen, aber die Wahl des richtigen Bürstentyps ist entscheidend. Die folgenden Parameter bestimmen, welcher Bürstentyp für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist: Strom, Spannung, Drehzahl und Umgebungsbedingungen. Bei der Leistungsübertragung müssen auch der Spannungsabfall über dem Schleifring und der effektive Stromfluss berücksichtigt werden, da etwaige Verluste die der Last zur Verfügung stehende Spannung und die Verlustleistung im Schleifring selbst beeinflussen.

Eine weitere wichtige Variable ist die Geschwindigkeit der Signal- und Datenübertragung, insbesondere als Reaktion auf die technologischen Fortschritte in diesem Bereich (EtherCAT hat vor kurzem seine 1-Ghz-Echtzeitversion auf den Markt gebracht).

Die Oszillation des elektrischen Widerstands während der Rotation stört die Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Diese Oszillation ist die Folge von drei Faktoren:

• Die Kontakttechnologie – die Kontaktmaterialien und ihre Art beeinflussen die Qualität des Signals in Bezug auf ihre typische Leitfähigkeit und die Kontaktfläche (bzw. die Anzahl der Kontaktpunkte).
• Der Anpressdruck – bestimmt durch die Biegung der Bürsten oder durch deren Federung – ist umgekehrt proportional zur Veränderung des Widerstands während der Drehung; höhere Drücke verringern jedoch die Lebensdauer des Bauteils. Man muss also einen guten Kompromiss zwischen Druck und Geschwindigkeit finden.
• Drehzahl – eine Erhöhung der Drehzahl erhöht die Instabilität durch die Vibration des Rotors; man muss den Anpressdruck erhöhen, um diesem Effekt entgegenzuwirken.

Bei sehr anspruchsvollen Anwendungen können mehrere Kontakte pro Kanal verwendet werden, um die Widerstandsschwankungen während der Rotation zu verringern – zum Beispiel mit Multifilamentbürsten. Aber unabhängig von der Kontakttechnologie ist die Datenrate ein Schlüsselparameter bei der Signalübertragung, da der Ethernet-Feldbus Daten mit bis zu 10 Gb/s (oder mehr) übertragen kann.

Neben der Signalübertragung kann ein Schleifring auch Daten, d.h. hochfrequente Informationen zur übergeordneten Steuerung und Bedienung, über Ethernet oder ein abgeleitetes Protokoll wie Profinet oder EtherCAT übertragen.

Um elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Rauschen zu dämpfen, müssen bei der Hochfrequenz-Datenübertragung über Schleifringe die Paare abgeschirmt und verdrillt sein.

Wie konfiguriere ich einen Schleifring?

Bei der Konfiguration eines Schleifrings zur Erzielung einer optimalen Leistung müssen einige grundlegende Fragen berücksichtigt werden. Zunächst ist es wichtig zu bestimmen, wie viele Leistungs- und Signalkreise zwischen Stator und Rotor übertragen werden sollen. Dann muss man die Spannung, den Strom und die Art des Signals bestimmen (Motorkabel, 220-V-Netzstrom, Rückführung, Feldbus, E/A usw.). Nun können Sie die beste Lösung in Bezug auf das Kontaktmaterial wählen.

Sie müssen dann die Art der Verwendung des Schleifrings und seiner Anwendung, die Betriebsbedingungen usw. und damit die Einschaltdauer, die Drehzahl und die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Staub, Meeresbedingungen usw.) bestimmen. Anhand dieser Informationen können Sie feststellen, ob die Verbindung durch eine anwendungsspezifische Beschichtung oder sogar eine spezielle mechanische Montage geschützt werden muss.

Die dritte Überlegung betrifft die Ausrichtung: Ist die Verbindung vertikal oder horizontal? Die Einbaulage des Schleifrings hat Auswirkungen auf seine mechanische Konstruktion, einschließlich der Lager, des Gehäuses usw., insbesondere bei großen Verbindungen.

Dann muss man seine Größe festlegen. Ein geringerer Platzbedarf ist oft ein Wettbewerbsvorteil für den Kunden, und es ist daher wichtig, dass das Bauteil so klein wie möglich ist. Wenn eine spezielle Größe oder Form erforderlich ist, muss sie gleich zu Beginn festgelegt werden, damit sie in den Entwurfsprozess einbezogen werden kann. Die Schlüsselfaktoren sind dabei Länge, Durchmesser, Flansch und (optional) Durchgangsbohrung der Einheit.

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