スリップ リングは、回転インターフェース - を介して電力、制御信号、データを転送し、静止システムを回転システムに電気的に接続した状態に保つ電気機械デバイスです。これがないと、連続回転部品にワイヤを供給するとねじれ、疲労が生じ、最終的には破損してしまいます。風力タービン、梱包ライン、クレーン、ロボット、医療用スキャナー、レーダー台座、洋上ウインチの内部にスリップ リングが使用されているのはこのためです。
と呼ばれるスリップ リングも表示される場合があります。回転式電気コネクタ, コレクターリング, 電気ロータリージョイント、 または電動スイベル。用語は業界によって異なりますが、接続を切断することなく固定回路と回転回路をブリッジするという機能は変わりません。
このガイドでは、スリップ リングが実際に何をするのか、どのように機能するのか、主な種類、スリップ リングが重要となる業界、さらに-より実際的には-、カタログ パーツが機能するかどうか、またはカスタム設計が必要かどうかを判断する方法について説明します。
スリップリングは実際に何をするのですか?
スリップ リングは、固定構造と回転構造の間に連続的な電気経路を提供します。柱の上で 360 度回転するパン-カメラを想像してください。画像センサー用の電力、制御とビデオ用の双方向イーサネット、場合によってはエンコーダ フィードバック ラインが必要です。-これをケーブル束で配線すると、ヘッドが 180 度を超えて回転した瞬間にケーブルがカラムに巻き付きます。数サイクル後、導体が疲労し、シールドに亀裂が生じます。
スリップリングを同じ軸にドロップすると、ケーブルの問題は解消されます。固定リード線は建物の配線に接続します。回転リードはカメラヘッドに接続します。そして頭はどちらの方向にも無限に回転することができます。
設計に応じて、単一のスリップ リング アセンブリで電力、低電圧制御回路、センサーおよびエンコーダ信号、ビデオ（HD-SDI またはアナログ）、イーサネット、フィールドバス トラフィック、およびハイブリッド設計の場合は同じ軸を介して流体または空気を伝送できます。{0}何を伝送できるかは、回路数、回路ごとの電圧と電流、接点の材質、シールド、ハウジング - によって異なります。そのため、「スリップ リング」だけでは多くのことはわかりません。仕様ではそうなっています。
なぜケーブルだけを使用できないのですか?
マシンが制限された円弧 -、たとえば ±170 度 - 内でのみスイングする場合は、柔軟なサービス ループまたはケーブル チェーンで十分です。完全に、継続的に、繰り返し回転する必要がある瞬間、通常のケーブルはシステムの最も弱い部分になります。
スリップ リングは 4 つの問題を同時に解決します。
- ケーブルの巻きつきを解消します。ねじれ、よじれ、繰り返し応力による絶縁亀裂がありません。
- 無制限の回転が可能になります。導電パスは円形なので、シャフトが何回転しても接続が切れることはありません。
- メカニカルデザインをすっきりさせます。ケーブル リール、花綱、サービス ループ、巻き戻しサイクルはありません。
- それは力以上のものを運びます。現代的なスリップリングまたはコレクターリング信号グレードの回路、イーサネット、ビデオ、さらには光ファイバー チャネルを主電源とともに統合できます。{0}}
スリップリングはどのように機能するのでしょうか?
ほとんどのスリップ リングは同じ基本原理で動作します。つまり、一組の導電性リングがシャフトとともに回転し、固定ブラシがリング表面に接触します。ブラシがリングとしっかりときれいに接触している限り、電流が流れます。
アセンブリには、電気的に異なる 2 つの側面があります。
- の固定側制御キャビネット、電源、または上流の配線に接続します。動かない。
- の回転側ターンテーブル、タービンハブ、ロボットリスト、ウインチドラムなど、回転するあらゆるものに接続します。-
各リングは 1 つの電気パスに対応します。単純なユニットには、基本電力用のリングが 2 つまたは 3 つある場合があります。複雑なアセンブリでは、50 以上のリングをスタックして、混合された電力、制御、および信号トラフィックを処理できます。ブラシの材質、リングのメッキ（信号回路の場合は金-上に-金、大電流の場合は銀-グラファイトまたは銅-グラファイト）、バネ力、および接点の形状はすべて、接触抵抗、電気ノイズ、耐用年数に影響します。
理解する価値のある詳細が 1 つあります。接触抵抗は決してゼロではなく、ブラシがリングを横切るにつれてわずかに変化します。電源回路の場合、これはほとんど問題になりません。イーサネット、HD-SDI ビデオ、または高感度のアナログ信号の場合、これは非常に重要です-。そのため、信号-グレードのスリップ リングは電源のみの設計とは異なる材料、シールド、形状を使用しています-。
議会の内部: 実際にそこにあるもの
外から見ると、スリップ リングは一見シンプルに見えます。内部では、数百万回の回転にわたって接触を安定に保つために、いくつかのコンポーネントが連携して動作する必要があります。
- リング:回転する導電性トラックは通常、摩耗と接触抵抗を制御する貴金属メッキを施した銅合金です。-
- ブラシ:固定接点。信号作業用ワイヤーブラシ。高電流用にはカーボンまたは金属-グラファイト ブロックを使用します。
- シャフトとハブ:リングを位置合わせして保持する機械的なコア。
- 絶縁：リングを互いに、またシャフトから分離します。絶縁強度により、回路ごとの電圧定格が設定されます。-
- ベアリング:スムーズな回転をサポートし、リングをブラシと同心に保ちます。
- ハウジング：内部を塵、湿気、油、衝撃から守ります。材質とシールの設計によってIP等級が決まります。
- リード線とコネクタ:回路がアセンブリからどのように抜け出すか。多くの場合、指定が不十分な場合に最初に障害が発生する部分です。
これらの要素の品質が、1,000 万回転持続するスリップ リングと、6 か月後にノイズが発生し始めるスリップ リングを分けるものです。
一般的なスリップ リングのタイプ - とそれぞれが適合する場合
スリップ リングの機械的レイアウトは通常、機械に倣い、その逆はありません。 4 つの主要なファミリーでほとんどのアプリケーションをカバーします。
カプセルスリップリング
コンパクトで完全に密閉されており、ロボットの手首または CCTV ヘッド内に収まるほど小さいです。カプセルスリップリング通常、低から中程度の電流（1 回路あたり約 2～10 A）と適度な回路数を処理します。--スペースが制約であり、カメラ、小型ターンテーブル、テスト治具、軽量ロボットなどの負荷が軽い場合に使用してください。
スルー-ボアスリップリング
中空の中心により、シャフト、油圧ライン、光ファイバー、または空気圧ホースが真ん中をまっすぐに通過できます。スルーボアスリップリング産業オートメーション、包装機械、アンテナ台座、およびスリップ リングを既存の回転シャフトの周りに取り付ける必要があるシステムの主力製品です。重工業用途の場合、ボア サイズは通常、数ミリメートルから最大 300+ mm までの範囲です。
パンケーキ スリップ リング
平らで円盤状の-形状の-は、軸方向のスペースが狭いが、半径方向のスペースに余裕がある場合に便利です。パンケーキ スリップ リング航空宇宙や特定の試験装置では一般的です。これらにはトレードオフがあります。オープン接点の形状は摩耗粉の影響を受けやすく、一般に信号性能は同等のスルーボアユニットに比べて劣るため、電気的な理由ではなく機械的な理由で選択されます。-
大電流およびカーボン ブラシの設計-
回転ジョイントに数百、数千のアンペアを流す必要がある場合、-溶接回転子、クレーンのケーブル リール、または大きな回転プラットフォームでは-ワイヤ-ブラシの接点では熱を放散できないと考えてください。カーボンブラシスリップリング適切な熱経路とブラシ圧力スプリングを備えた大型の金属-グラファイト コンタクト ブロックを使用します。-溶接アースリターン専用、専用アースカップリングユニット定格 800 A、1,200 A、または 2,000 A は、標準のスリップ リングを破壊する可能性のある電流を処理します。
水銀スリップリング
液体金属接点は、非常に低く、非常に安定した接触抵抗と、非常に長い電気寿命をもたらします。水銀スリップリング接触ノイズを最小限に抑える必要がある、高周波、高精度、高 RPM の用途に優れています。- -そのトレードオフは環境です。水銀の使用は多くの法域で規制されており、向きや温度の制約が適用されます。
ハイブリッドおよび光ファイバー設計
単一の回転軸が電力、高速データ、流体媒体を同時に運ぶ必要がある場合、ハイブリッド アセンブリは電気スリップ リングと流体媒体を組み合わせます。空圧式または油圧式ロータリーユニオンオプションで、ギガビット速度のデータ用の光ファイバー ロータリー ジョイント（FORJ）も利用できます。-銅-ベースのギガビット伝送の場合、適切に設計されたギガビットイーサネットスリップリング多くの場合、これがよりシンプルで費用対効果の高い選択肢となります。{0} FORJ は、電気ノイズ耐性、距離、または帯域幅が銅線の限界を超える場合のために予約されています。
あなたの用途に適したスリップ リングのタイプはどれですか?
主要な制約を最も一般的なタイプにマッピングする迅速な意思決定ガイド:
- 全体のスペースが狭い、負荷が軽い、回路数が少ない:カプセル
- シャフト、ホース、またはケーブルは中心を通過する必要があります。-穴を通して
- 軸方向の長さが制約となり、半径方向のスペースが利用可能になります。パンケーキ
- 数百から数千のアンペア:カーボンブラシまたは専用溶接アースカップリング
- 非常に低い電気ノイズ、高 RPM、高周波数:水銀 (規制が許可する場合)
- 1 つの軸に電力 + 空気/流体 + 信号を混合:ハイブリッド
- 高速デジタル信号（イーサネット、HD-SDI）:信号-グレードスルー-ボア、最も要求の厳しい場合のオプションとして FORJ を使用
スリップ リングが使用される場所 - とエンジニアが注意すべき点
「どの業界でスリップ リングが使用されているか」に対する正直な答えは、「電力またはデータを必要とする回転機器を備えたあらゆる業界」です。しかし、設計の優先順位はアプリケーション間で劇的に変化するため、ほとんどの選択ミスがここで発生します。
風力タービン: ピッチ制御と状態監視
ハブの内部には、風力タービンのスリップリング通常、ピッチ モーターの電力、ピッチ制御信号、ブレード{0}}ルート センサー データ、および雷-保護パスを処理します。決定的なストレスは電気的なものではなく、機械的および環境的なものです。つまり、継続的な低 RPM 動作、大きな温度変動、結露、振動、ハブ高さでのメンテナンス アクセスが制限されている場合の数十年の予想耐用年数などです。
選択フォーカス:-長寿命の接触材料、堅牢なシーリング、タービンの寿命にわたる SCADA データの信号整合性。
クレーン、ウインチ、旋回システム
タワー クレーン、港湾クレーン、オフショア ウインチには、電力、制御信号、さらにはカメラや負荷監視用のイーサネットを受信するための旋回構造が必要です。スリップ リングは風雨、潮風、そして時には洗い流されにさらされます。
選択フォーカス:シーリング（最低 IP65、船舶用には IP66 以上の場合が多い）、耐腐食性のハウジング素材、耐衝撃性と耐振動性、旋回モーターの適切な電流定格。{2}}多くの場合、実際の弱点はハウジングや接点ではなく、ケーブルの差し込み口 - です。
梱包とマテリアルハンドリング
ロータリーフィラー、キャッピングヘッド、ラベラー、ストレッチラッパーは常に循環します。通常、スルーボアユニットは正しいフォームファクタです-。たとえば、ストレッチラッパーマシン用スリップリングフィルム キャリッジがパレットの周りを回転する場所。
選択フォーカス:定格電流を超えるサイクル寿命。これらの機械は 1 日に数千回転します。生の電流容量よりも、コンパクトな配線、センサーと空気圧バルブのフィードバックの安定した信号性能、予測可能な摩耗挙動が重要です。
産業オートメーションとロボティクス
ロータリー インデクサー、ロボット リスト、自動検査タレット - では、モーター電源、エンコーダー フィードバック、フィールドバス トラフィック (Profinet、EtherCAT、CAN)、および場合によってはビジョン システム イーサネットの組み合わせが最も必要です。-。スリップ リングは、事実上、回転する小さな分散型 I/O インターフェイスになります。
選択フォーカス:使用するプロトコルに合わせて適切なシールドとインピーダンス処理を備えた信号グレードの回路。-よくある間違いは、イーサネット スリップ リングを追加の回路を備えた電源スリップ リングのように扱うことです - これらは電気的に同じものではありません。
医療および実験装置
CT ガントリー、サンプル ハンドラー、診断機器には、低い電気ノイズ、スムーズな回転、一貫した信号品質が求められます。電流が問題になることはほとんどありません。データの完全性と機械的精度が重要です。
選択フォーカス:低ノイズの接触システム、多くの場合、金-対-で、隣接する信号回路間のクロストークに細心の注意を払っています。
レーダー、防衛、監視
アンテナ台座と監視タレットは、RF、ビデオ、制御信号を送信しながら連続的に回転します。帯域幅と信号の整合性は交渉の余地がありません。-
選択フォーカス:信号グレードのロータリー ジョイント。電気回路と高帯域幅データ用の FORJ を組み合わせたハイブリッド設計が多く、屋外や船上で使用するための堅牢なシーリングも備えています。-
海洋、海洋、海底
塩水噴霧、湿度、圧力、屋外での継続的な暴露が設計の要因となります。ステンレス製のハウジング、船舶用-グレードのシール、耐腐食性のコネクタ-、保護されたケーブル挿入口が一般的な要件です。 IP 評価だけではすべてを語ることはできません - IEC のIEC 60529規格は、各 IP コードが実際に何から保護するかを定義しており、IP65 (洗浄) と IP67 (一時的な浸漬) の違いによって、部品が特定の環境に耐えられるかどうかが決まります。
標準のスリップリングでは不十分な場合
標準のカタログ スリップ リングは、驚くべき範囲の用途をカバーします。次の条件が 1 つ以上当てはまる場合、それらは正しい答えではなくなります。
- 電圧、電流、または回路数がカタログの範囲を超えています。
- 取り付けインターフェースは、-標準外の-奇数フランジ パターン、特定のボア サイズ、シャフト端--構成であり、どのストック ユニットにも適合しません。
- 信号の組み合わせは通常とは異なります。たとえば、HD-SDI ビデオ、USB、Profinet を同じ軸上に組み合わせたものなどです。
- この環境は、標準ハウジングが処理できる条件を超えています。- 高温、爆発性雰囲気、海底圧力。
- 1 つの軸を介して電力、信号、流体媒体が必要です。
- 耐用年数の目標は、既製の接触システムが提供するものを超えています。{0}}-
その時点であなたが見ているのは、カスタムスリップリング- と設計に関する会話は通常、同じ仕様セットから始まります。
カスタム スリップ リングをリクエストするときに送信するもの (RFQ チェックリスト)
以下の情報を提供していただくと、エンジニアリング チームが正確に見積もりと設計を行うことができます。曖昧な要望は曖昧な提案として返ってくる。
- 回路数:電気経路の総数。電力と信号で分類されます。
- 回路あたりの電圧と電流:ピークと継続。
- 信号の種類:イーサネット (10/100/1000)、CAN、RS-485、USB 2.0/3.0、HD-SDI、アナログ 4 ～ 20 mA、エンコーダ プロトコルなど
- 回転速度:連続 RPM とあらゆるピーク条件。
- デューティサイクル:継続的、断続的、または時折。
- 取り付け:貫通穴（必要な穴径）、カプセル、フランジ、シャフトの端-、-。
- 外側のエンベロープの制約:最大外径、最大長。
- IP 評価と環境:屋内、屋外、洗浄、海洋、温度範囲、粉塵、油、または化学薬品の存在。
- ケーブル/コネクタの好み:所定の長さのフライング リード、端子台、M12 コネクタ、MIL- 規格コネクタ。
- 期待耐用年数:総回転数または稼働時間。
- 同じ軸上の他のメディア:空気、作動油、光ファイバー。
完全な仕様シートを作成すると、多くの場合、設計段階での改訂サイクル全体が節約されます。
カスタマイズできるもの
基礎となる物理学を除くほぼすべて。最も頻繁に変更される領域:
- 回路構成：単一のスタック上に電源、制御、エンコーダ、フィールドバス、ビデオ、およびイーサネットが混在しています。
- 電圧と電流の定格:5 V の信号レベルから中電圧電力まで、ミリアンペアから数千アンペアまで対応します。-
- ボア径と全体の形状:既存のシャフトまたはハウジングに適合します。
- ハウジングの材質と仕上げ:アルミニウム（軽量）、ステンレス鋼（腐食）、エンジニアリングプラスチック（重量または絶縁）。
- シーリングとIP等級:基本的な IP54 の防塵および飛沫保護から、浸漬用の IP67/68 まで。
- ケーブルアセンブリ:イーサネット用のシールド付きツイストペア、カスタム長さ、ストレインリリーフ、特定のコネクタタイプ。
- ハイブリッド統合:単一アセンブリ内で電気チャネルと空圧チャネル、油圧チャネル、または光ファイバーチャネルを組み合わせます。
スリップリング vs ロータリーユニオン vs ケーブルリール
これら 3 つのコンポーネントはすべて回転機械に関連しているため、よく混同されますが、解決する問題は異なります。
- スリップリング:回転ジョイントを介して電力、信号、またはデータを転送します。
- ロータリーユニオン:回転ジョイントを介して流体またはガス (作動油、冷却剤、圧縮空気) を輸送します。
- ケーブルリール:モバイル機器のケーブル長を管理します - は繰り出したり引っ込めたりしますが、連続回転はできません。
複雑なマシンでは、2 つまたは 3 つすべてを一緒に使用することがよくあります。パレット ラッパーでは、回転アームの電力とセンサー信号にスリップ リングを使用し、フィルム テンション シリンダーに空気圧ロータリー ユニオンを使用し、移動キャリッジにケーブル管理システムを使用する場合があります。
メンテナンスと耐用年数
スリップ リングの寿命は、いくつかの相互作用要因によって決まります。
- 接触材質と圧力:-信号グレード ユニットの貴金属接点-は 1 億回転を超えることがあります。カーボンブラシは摩耗が早くなりますが、交換可能です。
- 速度と負荷:RPMが高くなると摩耗と熱が増加します。電流が高くなると接点の腐食が加速します。
- デューティサイクル:連続運転では、熱サイクルが原因で、たとえ同じ総稼働時間であっても、断続的使用よりも総摩耗が多くなります。
- 汚染：ほこり、湿気、化学物質への曝露により、非線形摩耗が発生します。-清潔な環境にある密閉されたユニットは、露出されたユニットよりも数桁長持ちします。-
- 振動と位置ずれ：多くの場合、初期故障の実際の根本原因は、誤って「接触不良」に起因すると考えられます。
密閉型信号グレードおよびカプセル ユニットは、通常、定格寿命にわたってメンテナンスフリーです。-カーボン-ブラシの高電流-ユニットでは、定期的なブラシの検査と交換が必要です。間隔は電流、RPM、環境によって異なります。
適切なスリップ リングを選択するには?
選択は 4 つの質問に基づいて行われ、この順序で尋ねられます。それぞれの質問は、次の質問で検討される可能性のある選択肢を除外します。
- スリップリングは何を運ぶ必要がありますか?電源のみ、信号のみ、あるいは両方?どの信号プロトコルとどのデータ レートですか?これにより、パワー{0}}グレード、信号-グレード、またはハイブリッド ユニットのどれを検討しているかが決まります。
- 機械的エンベロープとは何ですか?-穴を通って？シャフトの-終わり-?最大外径と長さは?これにより、フォームファクタが狭くなります。
- 動作環境は何ですか?屋内のきれいな空気は 1 つの体制です。アウトドアマリンは別です。爆発性雰囲気は 3 番目です。の必要なIP定格、ハウジング材質、シール設計はこれに該当しません。
- 職務内容と余命はどのようなものですか?連続的か断続的か?回転数範囲?予想耐用年数は?これにより、接点の材質と、メンテナンスフリーの設計が適切か、保守可能な設計が適切かが決まります。{0}
よくある選択の間違い
- 外径だけで選ぶ。ブラケットに適合するユニットでも、信号ミックスに適切な接触システムが欠けていると、ファームウェアのバグのように見える断続的な障害が発生します。
- 環境の指定が不十分です。温度範囲や IP 定格のない「屋外」は仕様ではありません。
- イーサネット回線を通常の信号回線として扱います。ギガビット イーサネットには、通常の信号接点では満たせないインピーダンス、シールド、クロストーク要件があります。
- 連続電流ではなく、ピーク時のみの電流を指定します。ピーク電流は接点定格を設定します。連続電流によって熱設計が決まります。
- 機械設計の最後までスリップリングを残します。それまでに、取り付けスペースとケーブル配線により、オプションははるかに小さい - セットに制限され、多くの場合-フィッティングが悪くなります - セットになります。
よくある質問
スリップリングの主な目的は何ですか?
ケーブルがねじれたり破損したりすることなく、静止した構造物と連続的に回転する構造物の間で電力、制御信号、またはデータを転送すること。
スリップリングはどのように電気を伝達するのでしょうか?
導電性リングはシャフトとともに回転し、固定ブラシは導電性リングに接触します。ブラシがリングとのきれいな接触を維持している限り、シャフトが何回転したかに関係なく、電流が流れます -。
スリップ リングはイーサネットまたはビデオを送信できますか?
はい、ただしスリップ リングがそのように設計されている場合に限ります。ギガビット イーサネットや HD- ビデオなどのプロトコルには、信号グレードの接点、制御されたインピーダンス、シールド、適切な接地が必要です。-標準のパワー スリップ リングでは、これらの信号を確実に伝送することはできません。
スリップリングとロータリーユニオンの違いは何ですか?
スリップリングは電気を伝達します。ロータリー ユニオンは、流体またはガス - 作動油、冷却剤、圧縮空気を移送します。ハイブリッド設計では、両方を 1 つの軸上で組み合わせます。
スリップリングのメンテナンスは必要ですか?
密閉された信号グレードおよびカプセル スリップ リングは、通常、定格寿命の間はメンテナンス不要です。-高-電流カーボン-ブラシ ユニットは定期的なブラシの検査と交換が必要です。間隔は電流、速度、環境によって異なります。
カタログ パーツではなくカスタム スリップ リングを検討する必要があるのはどのような場合ですか?
回路の組み合わせ、電圧、電流、取り付けインターフェース、環境、または耐用年数の目標が標準部品の範囲外になる場合は常に。風力タービン、海洋機器、防衛システム、およびほとんどの重要な自動化では、カスタム設計が日常的に行われています。-
必要な IP 評価を確認するにはどうすればよいですか?
評価を実際の暴露に合わせてください。 IP54は粉塵や飛沫に耐えます。 IP65 は、ほとんどの屋外産業用途に適した低圧ウォーター ジェット - を処理します -。 IP67 は一時的な浸漬に対応します。 IP68 は、定義された深さでの連続浸漬に対応します。 IEC 60529 規格では、各コードが正確に定義されています。
まとめる
スリップ リングは単純なコンポーネントのように見えますが、危険の少ない用途ではそれが可能です。{0}}実際の電力、実際のデータを伝送するもの、または困難な環境で動作するものについては、接触材料、シーリング、信号整合性、取り付けなどすべてがマシンの他の部分と相互作用するため、システム レベルで決定されます。-早期に指定し、完全に指定すると、試運転時にスリップ リングがボトルネックであることが判明する最も一般的な故障モード - を回避できます。
回路数、電圧、信号プロトコル、および環境がすでにわかっている場合、次のステップはそれらを特定の設計に適合させることです。それらのいずれかがまだ不明な場合は、まずそれについて話し合う必要があります。いずれにしても、エンジニアリングチーム通常、要件を紙に書き出したら、すぐに選択肢を絞り込むことができます。
この記事は Bytune 技術コンテンツ チームによって作成され、当社のスリップ リング設計エンジニアによってレビューされました。特定の製品ファミリーの仕様については、製品カタログ.