Здесь мы описываем пять вещей, которые следует знать об электрических контактных кольцах и их щетках, перепадах напряжения и снижении уровня шума. Также обязательно ознакомьтесь с часто задаваемыми вопросами: Что такое скользящие кольца и почему некоторые двигатели используют их? иВ чем разница между электромеханическими и волоконно-оптическими контактными кольцами?

• Составные кисти изготавливаются из углеродистого графита, иногда с добавлением металлов для увеличения емкости по току. Такие щетки напоминают щетки в щеточных электродвигателях. Составные щетки превосходны там, где требуется более высокий ток и частота вращения.

• Другие варианты кисти включают моноволокно проволока, которая частично оборачивается вокруг барабана со скользящим кольцом в канале и изготовлена из драгоценного металла, такого как серебро, золото или палладий. Они часто используются в слаботочных контактных кольцах, требующих чистой передачи сигнала и минимального контактного сопротивления.

• Полифиламент также изготовлен из драгоценного металла и частично охватывает барабан со скользящим кольцом, но включает в себя несколько контактов на канал. Полифиламентные щетки обладают минимальным контактным сопротивлением и шумом, что делает их пригодными для передачи чувствительных аналоговых сигналов или данных с высокой скоростью для управления в режиме реального времени.

Параметры, которые определяют наиболее подходящий выбор, включают ток, частоту вращения и температуру.

Примечание: Передача мощности также требует учета падения напряжения на контактном кольце и фактического протекания тока. Любые перепады влияют на доступное напряжение при нагрузке и рассеиваемую мощность внутри контактного кольца. Последний превращается в тепло и значительно влияет на рабочую температуру.

То, как щетки для передачи данных создают изменение электрического сопротивления при вращении, ухудшает качество передачи. Это изменение зависит от режима контакта щетки и силы, оборотов в минуту и температуры. Одним из решений для продвинутых приложений является использование нескольких контактов для каждого канала — как в виде полифиламентных кистей — чтобы уменьшить это изменение сопротивления.

Независимо от формы щетки, скорость и пропускная способность являются ключевыми параметрами передачи сигнала с помощью контактного кольца. Многие предложения с подключением через Ethernet передают сигналы и данные со скоростью до 10 гигабит в секунду (Гбит или просто Гб) или выше. Распространенные предложения сегодня составляют 1 Гб — довольно стандартный показатель, — хотя даже контактные кольца с такой скоростью передачи по-прежнему являются довольно специализированными решениями.

Конечно, поставщики подчеркивают, что большинству OEM-производителей даже не нужен 1 Гбит; достаточно более медленных 100 мегабит в секунду (Мб). Но по мере увеличения количества датчиков и усложнения конструкций, обслуживаемых контактными кольцами, скорости на уровне гигабит — во многих случаях в виде Gigabit Ethernet (GbE или GigE) — станут более стандартными.

Примечание: За сигнал передача — это движение данные над скользящим кольцом — распространенная дифференциация производителя. Это перемещение данных представляет собой отправку высокочастотной информации для управления и операционных функций более высокого уровня, часто через Ethernet или один из производных протоколов, таких как PROFINET или EtherCAT.

Многие такие протоколы позволяют управлять различными подсистемами машин, поддерживают функциональность IIoT и позволяют использовать все данные, поступающие от многочисленных датчиков на машинах. В конечном счете их распространение потребует большей (и более быстрой) передачи данных через контактные кольца.

4. Передача данных по электрическому контактному кольцу требует экранирования и снижения уровня электромагнитных помех или EMI и шума.

Смягчение электромагнитных помех иногда выражается как электромагнитная совместимость или ЭМС. Для передачи данных требуются контактные кольца с более высокой полосой пропускания и лучшим снижением электромагнитных помех, чем для передачи мощности.Электромагнитные помехи часто передаются через проводимость и излучение. Первое принимает форму вредных высоких частот, воздействующих на линейное электроснабжение или сигнал. Напротив, излучаемые электромагнитные помехи распространяют электромагнитный шум через пространство к близлежащему оборудованию. Защита соединений с контактными кольцами от таких электромагнитных помех имеет первостепенное значение.

Примечание: Радиочастотный или ВЧ экранирование — еще одна особенность, распространенная в соединениях со скользящими кольцами. Напомним, что даже если EMI и RFI используются взаимозаменяемо, они разные. Более конкретно, EMI — это электрический шум любой частоты, в то время как RFI — это шум от 20 кГц до примерно 300 ГГц.

Предположим, у инженера-конструктора или OEM-производителя есть большой электродвигатель, который вращает какую-то ось машины. Этот двигатель будет иметь привод, такой как VFD, генерирующий много электрического шума. Этот шум будет воздействовать на близлежащие контактные кольца, которые не заземлены должным образом; помехи, исходящие от этого электропривода, будут соединяться со следами контактных колец и создавать помехи на линиях связи или сигнальных линиях.

Для конструкций, где целью проектирования является электромагнитная совместимость, полностью металлический корпус с выделенным заземлением — наряду только с экранированными кабелями — снижает большинство электромагнитных помех.

Примечание: Такие превентивные меры становятся все более важными по мере увеличения скорости передачи данных. Это потому, что в какой-то момент, когда частоты повышаются, сигналы данных по проводам от контактного кольца сами становятся излучателями.