Плъзгащи пръстени с телена четка за чисто прехвърляне на сигнала

Плъзгащите пръстени с телени четки прехвърлят мощност, сигнали и в много случаи данни през непрекъснато въртящ се интерфейс. Те се избират, когато една въртяща се система се нуждае от стабилен контакт в компактна опаковка, без въглероден прах, генериран от традиционния дизайн на въглеродни четки. Те обаче не са надстройка по подразбиране. За тежък-пренос на ток, абразивни среди или специализирани радиочестотни линии друг дизайн на контакта често ще бъде по-подходящ.

Това ръководство е написано от гледна точка на инженерното приложение на контактния пръстен. Обяснява как работи контактът с телена четка, къде печели своето място, как се сравнява с плъзгащите пръстени с въглеродна четка по размерите, които купувачите действително претеглят, и от каква информация се нуждае вашият доставчик, преди да предложи оферта. Работен пример с реалистични параметри е включен в края, заедно с често задавани въпроси за въпросите, които възникват най-често при избора.

Какво представлява плъзгащият пръстен с телена четка?

Плъзгащият пръстен с телена четка е електромеханичен възел, който поддържа електрическа връзка между неподвижна конструкция и въртящ се компонент. Функцията се споделя от всекиелектрически контактен пръстен; разликата е в контакта.

Вместо единичен въглероден блок, притиснат към всеки проводящ пръстен, дизайнът на телената четка използва сноп от фини, пружиниращи проводими проводници. Всеки проводник е своя собствена контактна точка и няколко проводника се движат по един и същи пръстен едновременно. Този много{2}}точков контакт е източникът на по-голямата част от електрическото и механичното поведение на дизайна: по-ниска вариация на контактното съпротивление, по-нисък електрически шум на сигналните линии и профил на износване, който не отделя проводящ въглероден прах в околния механизъм.

Контактът с телена четка понякога се нарича контакт с влакнеста четка или контакт с много-влакнеста четка в техническата литература, особено когато се използват много фини проводници от благородни-метални сплави за вериги с ниско-ниво на сигнала.

Как всъщност работи контактът с телена четка

Плъзгащият пръстен има неподвижен корпус (статор) и въртящ се вал или втулка (ротор). Проводимите пръстени се намират от въртящата се страна. Блоковете четки седят от неподвижната страна, като всеки държи снопа тел, който се притиска към един пръстен. Докато роторът се върти, токът или сигналът преминава през проводниците на четката, в пръстена и навън роторът води до всичко, което е монтирано на въртящото се оборудване.

Три подробности са по-важни, отколкото повечето каталози признават:

• Брой ефективни контакти.Единичен въглероден блок може да има едно основно контактно петно. Сноп проводници може да има от десет до няколко дузини независими микро-контакти на един и същ пръстен. Ако някои от тях моментално се повдигнат от вибрация или замърсяване, други все още провеждат. Това прави контакта с телена четка привлекателен за сензори, енкодери и ниско{4}}цифрови линии.
• Контактно налягане на проводник.Всеки проводник е лек. Общата нормална сила е ниска в сравнение с въглеродна четка, което намалява въртящия момент на триене и топлината на контактната повърхност. Компромисът-е, че всеки отделен проводник не може да премине силен ток; веригите с висок{3}}ток се управляват от паралелни пръстени или по-широки групи четки.
• Сдвояване на материала.Проводниците от четки обикновено са благородни-метални сплави (сребърни- или-златни) за сигнални вериги, докато повърхностите на пръстените използват допълващи се покрития. Сдвояването контролира стабилността на контактното съпротивление през експлоатационния живот и е най-големият фактор за това дали контактният пръстен все още отговаря на спецификациите след милион оборота.

Контактът с телената четка все още се износва. Търговията не е „без износване“ срещу „въглеродно износване“ -, а фино метално износване, което остава вътре в корпуса, срещу въглеродни частици, които могат да избягат в околните механизми.
 

Където хлъзгащите пръстени с телена четка печелят своето място

Дизайнът на телената четка обикновено се определя, когато е вярно поне едно от следните:

• Системата пренася сигнали с ниско{0}}напрежение, обратна връзка от енкодера или линии за данни, които не могат да понесат нивото на шума на износена въглеродна четка.
• Околната среда е чувствителна към частици (оптични системи, медицински изображения, работа с полупроводници, чисти стаи).
• Вертикалното или радиалното пространство е тясно и късата височина на стека е по-важна от максималния текущ капацитет.
• Достъпът за поддръжка е лош - устройството трябва да работи десетки хиляди часове преди каквато и да е сервизна намеса.
• Силовите вериги и сигналните вериги трябва да споделят един компактен корпус.

Дизайнът не е подходящ, когато преобладаващото изискване е стотици ампера на верига, когато околната среда е силно абразивна или химически корозивна, или когато специализирано решение катофиброоптичен плъзгащ пръстенили RF въртяща се връзка е необходима за връзката за данни.

Телена четка срещу въглеродна четка Плъзгащи пръстени

И двата стила на контакт работят. Въпросът е кой от тях отговаря на електрическите, механичните и сервизните ограничения на приложението. Традиционенвъглеродна четка плъзгащ пръстеностава правилният отговор в много-тежки въртящи се захранващи приложения; телената четка печели на различен терен.

Инженерна бележка: когато дадено приложение комбинира малко количество висок-токова мощност с много ниско-напреженови сигнални линии, практическото решение обикновено е телена четка - и рядката висок-токова верига се управлява от паралелни пръстени, а не чрез технология за превключване на контакти.

Обичайни приложения с важните електрически детайли

Общите категории приложения са лесни за изброяване. Това, което следва, е по-полезно: типичната комбинация от вериги, от които се нуждае всяко устройство, и това, което има тенденция да управлява спецификацията.

Индустриална автоматизация: индексиращи маси, ротационни пълнители, върхове за етикетиране

Въртяща се индексираща маса или купола за етикетиране в линия за опаковане обикновено се нуждае от 24 V DC управляващо захранване, няколко цифрови входно/изходни линии, един или два канала на енкодер и понякога полева връзка. Контактът с телена четка отговаря на страната на сигнала; работният цикъл е висок (няколко смени на ден) и периодите за поддръжка са кратки. Компактенплъзгащ пръстен за-отворс контактен комплект телени четки е често срещана конфигурация, тъй като централният отвор позволява преминаване на пневматични или механични валове.

Платформи за камери за наблюдение, EO/IR и Pan{0}}Tilt

Непрекъснато въртящите се платформи за камери предават постоянен ток, линии за задвижване на двигателя, контролни сигнали и видео или Ethernet връзка. Целостта на сигнала доминира в спецификацията: всеки контактен шум се показва като артефакти на изображението или загуба на пакети. Решението рядко е „какъв тип четка“ -, а „каква стратегия за екраниране и разделяне на каналите са необходими“.

Роботика, ROV, UAV Gimbals и въртящи се крайни ефектори

Компактните конструкции с нисък{0}}въртящ момент са от най-голямо значение тук. Роботизирана китка, която носи EOAT, не може да си позволи тежък пръстен. Ниският въртящ момент на триене на контакта с телена четка и малката обвивка са решаващите фактори, заедно с комбинация отUSB или Ethernet сигнални канализа полезния товар.

Приспособления за тестване и измерване

Въртящи се тестови приспособления, динамометри с инструменти и тестови платформи за автомобилни компоненти носят аналогови сигнали с ниско{0}}ниво, входове за термодвойки и понякога високо{1}}скоростни цифрови линии. Контактният шум е враг. Сдвояването на материалите и екранирането в рамките на контактния пръстен са по-важни от самия фактор на формата на четката.

Радари за наблюдение, антени и въртящи се комуникационни платформи

Антенните позиционери често съчетават мощност и сигнал в една въртяща се връзка, понякога заедно със специална RF въртяща се връзка за високо-честотния път. Контактът с телена четка се справя чисто със сигналите с по-ниска-честота и постояннотоковото захранване.

Как да определите плъзгащ пръстен за телена четка

Най-бързият начин за правилна оферта е да дефинирате приложението в шест измерения, преди да се свържете с производител. Пропускането на който и да е от тях е най-честата причина за редизайн след първия прототип.

1. Избройте всяка верига поотделно

Не давайте на доставчик едно число като "10 вериги." Изброяване на елементи:

• Функция на веригата (захранване на двигателя, управление, енкодер A/B/Z, Ethernet двойка, видео и т.н.)
• Постоянна оценка на тока ипиков/пусков ток- стойността на пусковия удар е това, което определя оразмеряването на контакта на електродвигателите и електромагнитните линии
• Напрежение, AC или DC и необходима изолация
• Дали линията е екранирана и дали екранировката трябва да се върти с кабела или да завършва в корпуса

Ако непрекъснатият и пиковият ток са объркани, полученият дизайн или ще се нагрее, или ще бъде над-специфициран на по-висока цена от необходимата.

2. Определете точно типовете сигнали и данни

„Трябва да носи сигнали“ не е спецификация. Идентифицирайте протокола, скоростта и електрическия стандарт за всяка линия. Често срещаните случаи включват аналогови 0–10 V или 4–20 mA сензорни изходи, RS-485 или CAN шина, Profinet, EtherCAT, 100Base-TX, 1000Base-T, видео (HD-SDI, аналогов композитен, GigE Vision) или RF.

По-специално Ethernet не е единична спецификация. Плъзгащ пръстен, предназначен за 100 Mbps Fast Ethernet, не е задължително да преминеGigabit Ethernetна въртящ се контактен път без вътрешен контрол на импеданса, контролирано кръстосано прекъсване между двойки и подходящо екраниране. Изискванията за предаване са определени вСтандарт IEEE 802.3, и плъзгащ пръстен, който не е характеризиран спрямо тези изисквания, не може да се приеме, че поддържа връзката.

Инженерна бележка: маршрутизирайте Ethernet двойките далеч от веригите на двигателя и соленоида, когато оформлението на канала позволява. Когато смесването е неизбежно, стратегията за екраниране се превръща в критичен избор на дизайн - вижте този практически преглед наекраниращи решения за предаване на сигнала чрез контактен пръстен.

3. Потвърдете скоростта и работния цикъл

Плъзгащите пръстени обикновено са предназначени за непрекъснати обороти в минута, но работният цикъл определя живота. Машина, която се върти с 20 RPM непрекъснато, 24/7, натрупва повече обороти за една година от система с 300 RPM, която работи един час на ден. Осигурете:

• Максимални и типични RPM
• Непрекъсната срещу периодична работа
• Посока (едно- или двупосочна)
• Очаквани общи работни часове или общи обороти до края на живота

4. Посочете механичния плик

Избройте всяко механично ограничение, което плъзгащият пръстен трябва да спазва: външен диаметър, обща височина, необходим -размер на отвора, ако има такъв, монтажен интерфейс, посока и дължина на изхода на кабела, предпочитания на конектора и разрешения въртящ момент върху ротора. Ако вертикалното пространство е тясно, aпръстен за палачинкис контакт с телена четка може да е по-подходящ от подреден цилиндричен дизайн.

5. Опишете околната среда

Работен температурен диапазон, влажност, прах, измиване, вибрации, удари, надморска височина и корозивна атмосфера - всички те влияят върху избора на материал, уплътняването и сдвояването на контактите. Необходимата защита от проникване трябва да бъде посочена като IP код, дефиниран вIEC 60529; за контекст какво означава всяка цифра на практика, вижте товатълкуване на IP оценките на контактния пръстен.

6. Решете рано между стандартен и персонализиран

Стандартният каталожен модел е по-бърз за доставка и по-евтин. Аплъзгащ се пръстен по поръчкае оправдано, когато механичната обвивка, миксът от вериги или околната среда не могат да се обслужват от стандартна част -, което често се случва при компактни, смесени захранващи-и-сигнални дизайни. Компромисът-е разгледан по-задълбочено в тази статиястандартни срещу потребителски хлъзгащи пръстени.

Контролен списък за избор

Преди да издадете RFQ, потвърдете, че можете да отговорите на всеки елемент от този списък:

• Брой вериги, разбити по функции
• За всяка верига: непрекъснат ток, пиков/пусков ток, напрежение, AC или DC
• Сигнални протоколи и скорости (тип енкодер, полева шина, Ethernet скорост, видео стандарт, RF честота)
• Изисквания за екраниране и заземяване на верига
• Максимални обороти в минута, типични обороти в минута, работен цикъл, посока
• Целеви експлоатационен живот в часове или обороти
• Външен диаметър, обща дължина,-размер на отвора, стил на монтаж
• Посока на излизане на кабела, дължина на кабела, тип конектор
• Работен температурен диапазон
• Необходим IP рейтинг съгласно IEC 60529, плюс всякакво измиване или излагане на химикали
• Вибрация и ударна среда
• Изисквания за съответствие (UL, CE, военни, медицински и др.)

Работен пример: Въртяща се платформа за инспекция със захранване и Gigabit Ethernet
 

Параметрите по-долу са илюстративни - те отразяват конфигурация, която виждаме често, а не проект на отделен клиент.

• Приложение:Непрекъснато въртяща се купола за оптична инспекция, закрито чисто помещение-съседна зона
• Полезен товар на ротора:Индустриална камера, пръстеновидно осветление, табло за управление, сензор за околна температура
• Вериги:2 × 5 A непрекъснато постоянен ток (24 V), 1 × Gigabit Ethernet (4 усукани двойки), 2 × цифров I/O, 1 × вход за термодвойка
• RPM:60 RPM непрекъснато, двупосочно
• Работен цикъл:22 часа на ден, 6 дни в седмицата
• Механичен плик:50 mm налична височина на стека, 25 mm проходен -отвор за пневматична линия
• Околна среда:15–30 градуса, ниско ниво на прах, без измиване, достатъчен IP54
• Целеви експлоатационен живот:Минимум 8000 часа преди сервизна намеса

Конфигурацията, която пасва, е -плъзгащ пръстен с телена четка с отвор, като Ethernet двойките са насочени към специални, вътрешно екранирани канали, отделени от 24 V захранващи пръстени. Линията на термодвойката е групирана със сигналите за ниско-ниво на противоположната страна на корпуса от захранващите пръстени. Материалът на четката е благородна-метална сплав от страната на сигнала и по-тежко-сдвояване на двата захранващи пръстена.

Това, което този пример илюстрира, не е, че контактът с телена четка „поддържа Ethernet“ като цяло -, а че трябва да бъдат проектирани специфично оформление на канала, план за екраниране и сдвояване на материали, за да може връзката да работи върху непрекъснато въртящ се контакт.

Често срещани грешки в спецификацията

• Третиране на веригата като единствено число.Два контактни пръстена с 12 вериги могат да имат напълно различен живот, ако единият е оразмерен за пусков ток, а другият не.
• Посочване на "Ethernet" без скоростта.100Base-TX и 1000Base-T имат различни изисквания към контрола на импеданса и кръстосаните смущения в контактния пръстен.
• Подценяващата среда.Част, която е работила в настолен прототип, може да се повреди за месеци, след като бъде инсталирана близо до мъгла с охлаждаща течност или във външно заграждение с ежедневни цикли на кондензация.
• Ако приемем, че ще се монтира стандартен модел.Посоката на изхода на кабела, типът на конектора и обвивката на въртящия момент често изключват очевидно съвпадение в каталога.
• По подразбиране се използва телена четка за висока-токова мощност.Тежък{0}}единичен кръг със стотици ампера все още е територия на въглеродни четки в повечето случаи.