حلقه جمع کننده لغزنده

حلقه کلکسیونر Slip Ring چگونه کار می کند؟

حلقه جمع کننده حلقه لغزنده با حفظ تماس الکتریکی مداوم بین یک برس ثابت و یک حلقه رسانای دوار کار می کند. همانطور که حلقه می‌چرخد، برس‌های فنری{1}}به سطح آن فشار می‌آورند و جریان الکتریکی یا سیگنال‌ها را بدون وقفه منتقل می‌کنند.

مکانیسم اصلی: برس-سیستم تماس حلقه

عملیات اساسی بر اصطکاک کنترل شده بین دو جزء متکی است. بخش چرخان شامل یک یا چند حلقه فلزی است که بر روی یک شفت نصب شده اند که معمولاً از آلیاژهای برنج، مس یا نقره ساخته می شوند. این حلقه ها با ماشین آلات می چرخند. بر روی هر حلقه برس های ثابت ساخته شده از گرافیت، کامپوزیت های مس-گرافیت، یا برنز فسفر فشرده شده است.

کشش فنری برس ها را در تماس دائمی با سطح حلقه نگه می دارد. این یک ضربه سبک نیست-برس های فشاری فنری در برابر حلقه های در حال چرخش با نیروی کافی برای حفظ تماس الکتریکی از طریق لرزش، تغییرات سرعت، و بی نظمی های جزئی سطح. فشار فنر چیزی را ایجاد می کند که مهندسان آن را "نیروی تماس" می نامند، که بسته به کاربرد آن را بر حسب گرم یا اونس اندازه گیری می کنند.

با چرخش شفت، مواد برس در سراسر دور حلقه می لغزند. این کنتاکت کشویی مدار الکتریکی را کامل می کند. جریان از سمت ثابت از طریق برس، در سراسر نقطه تماس، به حلقه چرخان و به تجهیزات دوار می‌رود. اتصال بدون توجه به سرعت چرخش یا تغییر جهت قطع نمی شود.

ظرافت در هندسه نهفته است. حلقه یک مسیر رسانا 360 درجه ممتد را فراهم می کند و امکان چرخش نامحدود را بدون گره خوردن سیم فراهم می کند. بر خلاف کابلی که پس از چند چرخش می پیچد، مجموعه حلقه لغزنده اجازه چرخش بی نهایت در هر جهت را می دهد.

پیکربندی چند{0}مدار

هنگامی که تجهیزات به چندین مدار الکتریکی نیاز دارند، حلقه های لغزش به طور متحدالمرکز در امتداد محور شفت قرار می گیرند. در صورت نیاز به بیش از یک مدار الکتریکی، مجموعه‌های حلقه/برس اضافی در امتداد محور دوار چیده می‌شوند. هر حلقه به طور مستقل عمل می کند و با جداکننده های عایق از همسایگان خود از نظر الکتریکی جدا شده است.

یک مجموعه معمولی برای یک ژنراتور توربین بادی ممکن است شامل شش حلقه باشد: سه حلقه برای انتقال برق سه فاز- و سه حلقه برای سیگنال های کنترل. هر حلقه به بلوک برس اختصاصی خود با سیم های مجزا نیاز دارد. حلقه‌ها در کنار هم--روی یک بشکه استوانه‌ای قرار گرفته‌اند که شبیه به پشته‌ای از دونات‌های فلزی با قطرهای مختلف است.

این رویکرد انباشته شدن به طور قابل توجهی مقیاس پذیر است. حلقه های لغزنده در انواع و اندازه های مختلف ساخته می شوند. یک دستگاه ساخته شده برای نورپردازی صحنه تئاتر دارای 100 هادی بود. کاربردهای صنعتی به طور معمول از 12 تا 30 مدار در یک مجموعه استفاده می کنند. عوامل محدود کننده به جای امکان سنجی الکتریکی، به اندازه فیزیکی و اتلاف گرما تبدیل می شوند.

انتخاب مواد و تعامل سطح

جفت شدن مواد حلقه{0}}برس به شدت بر عملکرد و طول عمر تأثیر می گذارد. برس ها را می توان از گرافیت یا برنز فسفر ساخت، با برنز فسفر رسانایی و عمر سایش بهتری را ارائه می دهد، در حالی که گرافیت مقرون به صرفه تر است.

برس های گرافیتی از طریق یک مکانیسم{0}}خود روانکاری کار می کنند. همانطور که برس فرسوده می شود، یک لایه گرافیتی نازک روی سطح حلقه می نشیند. این "پتینه" در واقع اصطکاک و نویز الکتریکی را در مقایسه با تماس فلزی لخت کاهش می دهد. لایه کربن هم به عنوان روان کننده و هم به عنوان رسانا عمل می کند. با این حال، گرافیت گرد و غبار تولید می کند که نیاز به تمیز کردن دوره ای در مجموعه های بسته دارد.

برس‌های برنزی فسفر رسانایی عالی را ارائه می‌کنند-که برای کاربردهای با جریان{1} بالا مانند سیستم‌های تحریک ژنراتور مهم است. ترکیب برنز-روی-برنج یا برنز-روی-نقره، چگالی جریان تا 50 آمپر در هر اینچ مربع سطح تماس را کنترل می‌کند. این برس‌ها کندتر از گرافیت سایش می‌شوند، اما فاقد خاصیت خود روان‌شوندگی هستند و نیاز به تهویه‌کردن گاه به گاه سطح دارند.

برس های کامپوزیت مس-گرافیت تفاوت را تقسیم می کنند. جزء مس جریان را کنترل می کند در حالی که گرافیت روانکاری می کند. این رویکرد ترکیبی در کاربردهای برق متوسط ​​که هم رسانایی و هم طول عمر اهمیت دارند ظاهر می‌شود.

پرداخت سطح روی حلقه ها به اندازه انتخاب متریال اهمیت دارد. حلقه‌های تولیدکنندگان با استانداردهای زبری خاصی-معمولاً 16 تا 32 میکرو-اینچ Ra (میانگین زبری) است. بیش از حد صاف و برس به جای ردیابی صحیح، اسکیت می‌زند. سایش بیش از حد خشن و تسریع شده رخ می دهد. نقطه شیرین بافت کافی برای برس ایجاد می کند تا تماس خود را بدون اصطکاک بیش از حد حفظ کند.

نقش فشار فنر

فنرها در نگهدارنده برس اجزای غیرفعال نیستند-آنها به صورت پویا نیروی تماس را با فرسودگی برس ها حفظ می کنند. طول برس اولیه ممکن است 1.5 اینچ باشد، اما فنر باید فشار ثابتی را حفظ کند تا زمانی که برس در طول ماه‌ها کارکرد به 0.5 اینچ سایش یابد.

محاسبه نیروی فنر الزامات رقابتی را متعادل می کند. فشار ناکافی باعث تماس متناوب می شود، به ویژه در هنگام لرزش یا در سرعت های بالاتر زمانی که نیروهای گریز از مرکز بر برس تأثیر می گذارد. فشار بیش از حد باعث تسریع سایش برس و حلقه می شود، گرما ایجاد می کند و گشتاور مورد نیاز برای چرخش مجموعه را افزایش می دهد.

فنرهای ضعیف شده یا بیش از حد فنر-برس-به-اتصال حلقه را به خطر می اندازد. تعمیر و نگهداری منظم شامل بررسی کشش فنر است. برخی از طرح‌ها از فنرهای نیروی ثابت- استفاده می‌کنند که فشار را بدون توجه به موقعیت سایش برس حفظ می‌کنند، اگرچه اینها می‌توانند بارگذاری جانبی ایجاد کنند که باعث می‌شود برس‌ها در نگهدارنده‌هایشان بچسبند.

ملاحظات سرعت و اصطکاک

سرعت چرخش به طور چشمگیری بر رفتار حلقه لغزش تأثیر می گذارد. حلقه‌های لغزشی ژنراتور در توربین‌های بادی بزرگ با سرعت تقریبی 1800 دور در دقیقه می‌چرخند و برای کنترل اصطکاک به مواد برس متفاوتی نیاز دارند. در سرعت های پایین (زیر 100 دور در دقیقه)، تقریباً هر ماده برس کار می کند. بین 100 تا 1000 دور در دقیقه، انتخاب برس و پرداخت سطح حلقه بسیار مهم است. در بالای 1000 دور در دقیقه، تولید گرما در نقطه تماس بر چالش مهندسی غالب است.

اصطکاک گرمایی متناسب با سرعت، جریان و فشار تماس ایجاد می کند. در 1800 دور در دقیقه با جریان 45 آمپر، دمای نقطه تماس می تواند به 150 درجه فارنهایت (65 درجه) برسد. این گرما باید از طریق مواد حلقه و هوای اطراف پخش شود. خنک کننده ناکافی باعث تغییر رنگ حلقه، تسریع سایش برس و افزایش مقاومت الکتریکی بالقوه می شود که در یک چرخه مخرب گرمای بیشتری ایجاد می کند.

برخی از تولیدکنندگان، گرمای{0}}سرعت بالا را با فن های خنک کننده ادغام شده در مجموعه حلقه لغزنده، حل می کنند. برخی دیگر از حلقه های آلیاژ مس با رسانایی حرارتی بالا برای پخش گرما از نقاط تماس استفاده می کنند. هنگامی که سرعت چرخش خیلی زیاد است، مشکلات اصلی تخریب ساختار مکانیکی و گرم شدن نقطه تماس انتقال است.

چالش های عملیاتی مشترک

رابط حلقه{0}}براش با چندین مکانیسم تخریب مواجه است. آلودگی، زنگ زدگی و هوای کثیف می تواند روی سطح حلقه کلکتور تأثیر منفی بگذارد و باعث سایش سریع برس و تأثیر بر روی فیلم برس شود. غبار روغن از ماشین آلات مجاور به ویژه مشکل ساز است-با گرد و غبار کربن ترکیب می شود و لجن رسانایی تشکیل می دهد که مدارهای مجاور را قطع می کند.

رایج ترین مشکلات شامل سایش سطوح کار حلقه و برس، آسیب به مواد عایق، و اختلال در تنظیم فیزیکی به دلیل دماهای شدید است. سایش در دو حالت رخ می دهد: سایش مکانیکی از تماس لغزنده و فرسایش الکتریکی ناشی از ریز-قوس در جریان های بالا.

دور--به تدریج ایجاد می‌شود. لکه های صاف روی حلقه جمع کننده ناشی از فرسایش الکتریکی ارتعاش برس و مشکلات مربوط به ارتعاش-را افزایش می دهد. همانطور که حلقه به جای دایره، بیضی شکل می شود، برس ها در موقعیت های چرخشی خاصی جهش می کنند و باعث از دست دادن تماس لحظه ای می شوند. این جهش جرقه قابل مشاهده ایجاد می کند و سایش را تسریع می کند.

این رفع شامل یا ماشینکاری سطح حلقه درست در حین نصب (تحکیم آنلاین) یا برداشتن و{0}}ماشینکاری مجدد مجموعه است. پیشگیری مستلزم رسیدگی به علت اصلی است-معمولاً توزیع ناهموار جریان بین برس های موازی یا مشکلات الکتریکی ایجاد قوس الکتریکی.

فناوری های جایگزین

حلقه‌های لغزشی{0}}مرکیوری خیس‌شده به جای برس‌های کشویی، از حوضچه‌ای از فلز مایع استفاده می‌کنند که به صورت مولکولی به مخاطبین متصل است. جیوه اتصال الکتریکی را از طریق کشش سطحی و انسجام با چرخش مجموعه حفظ می کند. این طرح ها تقریباً-صدای الکتریکی صفر و مقاومت بسیار کم-زیر یک میلی اهم ارائه می دهند.

با این حال، سمیت جیوه و انجماد در حدود -40 درجه کاربردهای حد. آنها عمدتاً در ابزار دقیق ظاهر می شوند، جایی که یکپارچگی سیگنال بیشتر از نگرانی های زیست محیطی مهم است.

حلقه های لغزنده بی سیم از یک میدان مغناطیسی برای انتقال نیرو و داده ها بر روی یک شکاف هوایی کوچک بین بخش های چرخان و ثابت استفاده می کنند. سیم پیچ ها در هر بخش به صورت الکترومغناطیسی جفت می شوند و تماس مکانیکی را به طور کامل حذف می کنند. این رویکرد برای محیط‌های سخت که آلودگی یا دسترسی به تعمیر و نگهداری مشکلاتی را ایجاد می‌کند مناسب است. جایگزین-ظرفیت توان محدود-طراحی‌های بی‌سیم معمولاً حداکثر تا چند صد وات است در حالی که حلقه‌های لغزنده برس{5}}کیلووات یا حتی مگاوات را کنترل می‌کنند.

برنامه-طراحی خاص

حلقه های لغزشی توربین بادی نشان می دهد که چگونه برنامه ها انتخاب های طراحی را هدایت می کنند. توربین‌های بادی بزرگ به دو حلقه لغزش نیاز دارند: یک حلقه لغزش توپی نصب شده در پشت گیربکس و یک حلقه لغزش ژنراتور. حلقه لغزش توپی با سرعت کم (زیر 30 دور در دقیقه) کار می کند، اما برای موتورهای کنترل گام الکتریکی که زوایای تیغه را تنظیم می کنند، باید جریان های بالایی را تحمل کند. حلقه های لغزشی اتصالات لازم را برای کنترل زمین، انتقال داده و توزیع نیرو در توربین های بادی فراهم می کنند.

حلقه لغزش ژنراتور با چالش‌های متفاوتی مواجه است-با سرعت بالا اما جریان‌های کمتر برای تحریک میدان. هر دو باید از هوای نمک در تاسیسات دریایی، نوسانات دما از -40 درجه فارنهایت به 140 درجه فارنهایت و سالها بین فرصت های تعمیر و نگهداری جان سالم به در ببرند.

اتوماسیون صنعتی مورد استفاده دیگری را ارائه می دهد. حلقه های لغزنده در ماشین آلات بسته بندی و خطوط مونتاژ خودکار چرخش مداوم را برای عملکرد کارآمد امکان پذیر می کنند. این برنامه‌ها به مدارهای سیگنال کم{2} برای حسگرها و کنترل‌ها نیاز دارند، و شاید تعداد کمی مدار قدرت برای موتورها یا محرک‌ها وجود داشته باشد. بسته بندی فشرده بیش از ظرفیت بالا اهمیت دارد.

سوالات متداول

چرا برس های حلقه لغزنده در حین چرخش سریع تماس خود را از دست نمی دهند؟

فشار فنر بر نیروهای گریز از مرکز وارد بر برس غلبه می کند. نیروی فنر برای حفظ تماس حتی در حداکثر سرعت نامی محاسبه می شود. علاوه بر این، نگهدارنده‌های برس، برس را به صورت شعاعی هدایت می‌کنند و از پرواز آن به بیرون جلوگیری می‌کنند. در سرعت های بسیار بالا (بیش از 3000 دور در دقیقه)، مهندسان ممکن است مجموعه را تغییر جهت دهند تا نیروی گریز از مرکز در واقع به فشار دادن برس روی حلقه کمک کند.

تفاوت بین اسلیپ رینگ و کموتاتور چیست؟

در حالی که هر دو از تماس حلقه{0} برس استفاده می کنند، حلقه های آنها اساساً متفاوت است. کموتاتورها برای موتورها و ژنراتورهای DC تقسیم بندی شده و تخصصی هستند، در حالی که حلقه های لغزش حلقه های پیوسته هستند. یک کموتاتور در حین چرخش، اتصالات را تغییر می دهد (در ماشین های DC یکسوسازی ایجاد می کند)، در حالی که یک حلقه لغزش همان اتصال را در طول چرخش حفظ می کند.

دوام برس های اسلیپ رینگ چقدر است؟

عمر برس بسته به جریان، سرعت، محیط و مواد از صدها ساعت تا سال ها متغیر است. برنامه‌های فعلی-کم و کم- ممکن است پنج سال بین تغییرات قلم مو فاصله داشته باشند. حلقه‌های لغزشی ژنراتور با جریان بالا ممکن است هر 2000 تا 5000 ساعت کارکرد نیاز به تعویض داشته باشند. حلقه های لغزشی توربین بادی مدرن برای بیش از 50 میلیون دور با نگهداری مناسب طراحی شده اند.

آیا حلقه های لغزنده می توانند سیگنال های داده را منتقل کنند؟

بله، حلقه های لغزشی مدرن انواع سیگنال های مختلفی را کنترل می کنند. جمع کننده های حلقه لغزش پیشرفته می توانند داده ها را با سرعت 100 مگابیت بر ثانیه با استفاده از پروتکل های اترنت، Profibus، Profinet، LAN، CAN-Bus و CANOpen انتقال دهند. مدارهای سیگنال اختصاصی از کنتاکت‌های فلزی گرانبها (طلا-روی-طلا) برای انتقال صدای پایدار و کم-استفاده می‌کنند. مدارهای مجزا مانع از تداخل انتقال نیرو با سیگنال های حساس می شوند.

نتیجه گیری

حلقه جمع‌آوری حلقه لغزنده به چیزی ساده و فریبنده دست می‌یابد-که از طریق چرخش نامحدود، پیوستگی الکتریکی را حفظ می‌کند. این قابلیت از اصطکاک مهندسی شده با دقت بین برس‌های فنری-و حلقه‌های رسانا ناشی می‌شود. نقطه تماسی که برس به حلقه برخورد می کند، تمام جریان را حمل می کند و در عین حال سایش، لرزش و عوامل محیطی را در بر می گیرد.

انتخاب مواد، طراحی فنر و پرداخت سطح، همگی به عملکرد قابل اعتماد کمک می کنند. هنگامی که به درستی مشخص و نگهداری شود، حلقه های لغزش ده ها سال خدمات را در کاربردهایی از توربین های بادی که مگاوات تولید می کنند تا ابزار دقیق انتقال سیگنال های میلی آمپر ارائه می دهند. اصل اساسی نسبت به مولدهای قرن 19-بدون تغییر باقی می‌ماند: تماس کشویی کار می‌کند، مشروط بر اینکه جزئیات مهندسی مورد توجه قرار گیرند.

منابع داده:

Cutsforth - مشکلات رایج حلقه جمع کننده (cutsforth.com)

ویکی‌پدیا - مقاله حلقه لغزش (wikipedia.org)

راهنمای فنی Slip Ring Controls - Springer Controls (springercontrols.com)

BGB Innovation - Slip Ring Applications (bgbinnovation.com)

حلقه‌های لغزشی توربین بادی Warfield Electric - (warfieldelectric.com)

لوازم جانبی تجهیزات متحد - عملکرد حلقه لغزنده (uea-inc.com)

اصل کار Moflon - Slip Ring (moflon.com)

ATO - حلقه‌های لغزنده سنتی در مقابل مدرن (ato.com)