Контактные кольца — также называемые поворотными электрическими соединениями, электрическими шарнирами и коллекторными кольцами — представляют собой устройства, которые могут передавать мощность, электрические сигналы или данные между неподвижным компонентом и вращающимся компонентом. Конструкция контактного кольца будет зависеть от его применения — для передачи данных, например, требуется контактное кольцо с более высокой полосой пропускания и лучшим подавлением электромагнитных помех, чем то, которое передает энергию, — но основными компонентами являются вращающееся кольцо и неподвижные щетки.

Если вращение одного компонента требует фиксированного числа оборотов, возможно, можно использовать катушки с достаточной длиной кабеля и скоростью вращения, чтобы обеспечить требуемые обороты, хотя управление кабелем в такой установке может быть довольно сложным. Но если один компонент вращается непрерывно, использование кабелей для передачи сигналов между вращающимся и неподвижным компонентами во многих случаях нецелесообразно и ненадежно.

В варианте асинхронного двигателя переменного тока, называемом двигатель с обмотанным ротором Контактные кольца используются не для передачи мощности, а для введения сопротивления в обмотки ротора. В двигателе с обмотанным ротором используются три контактных кольца, обычно изготовленные из меди или медного сплава, которые крепятся к валу двигателя (но изолированы от него). Каждое контактное кольцо подключено к одной из трех фаз обмоток ротора. Щетки с контактными кольцами, изготовленные из графита, подсоединены к резистивному устройству, такому как реостат. Когда контактные кольца вращаются вместе с ротором, щетки поддерживают постоянный контакт с кольцами и передают сопротивление обмоткам ротора.

Добавление сопротивления к обмоткам ротора приводит к тому, что ток ротора становится более синфазным с током статора. (Напомним, что двигатели с обмотанным ротором относятся к типу асинхронных двигателей, в которых электрические поля ротора и статора вращаются с разной скоростью) Результатом является более высокий крутящий момент при относительно низком токе. Однако контактные кольца используются только при запуске из-за их более низкой эффективности и снижения крутящего момента на полной рабочей скорости. Когда двигатель достигает своей рабочей скорости, контактные кольца замыкаются, и щетки теряют контакт, поэтому двигатель работает как стандартный асинхронный двигатель переменного тока (он же “короткозамкнутый”).

Возможно, вы заметили, что конструкция и функции контактного кольца очень похожи на конструкцию коллектора. Несмотря на то, что между ними есть сходство, существуют важные различия между контактными кольцами и коллекторами. Физически контактное кольцо представляет собой непрерывное кольцо, в то время как коммутатор сегментирован. Функционально контактные кольца обеспечивают непрерывную передачу мощности, сигналов или данных. В частности, в двигателях переменного тока они передают сопротивление обмоткам ротора.

Коммутаторы, с другой стороны, используются в двигателях постоянного тока для изменения полярности тока в обмотках якоря. Концы каждой катушки якоря соединены с коллекторными стержнями, расположенными на расстоянии 180 градусов друг от друга. Когда якорь вращается, щетки подают ток на противоположные сегменты коллектора и, следовательно, на противоположные катушки якоря.

Контактные кольца используются практически в любом приложении, включающем вращающееся основание или платформу, от промышленного оборудования, такого как индексные столы, моталки и автоматизированные сварочные аппараты, до ветряных турбин, медицинских томографов (КТ, МРТ) и даже аттракционов в парках развлечений, которые работают по принципу поворотного стола. Хотя традиционным применением контактных колец была передача энергии, они также могут передавать аналоговые и цифровые сигналы от таких устройств, как датчики температуры или тензометрические датчики, и даже данные по Ethernet или другим шинным сетям.

Автор изображения: Rotary Systems Inc.