電源と信号のスリップ リング: EMI と信号損失を回避

電力および信号スリップ リングは、ハイブリッド スリップ リングまたは電力およびデータ スリップ リングとも呼ばれ、単一アセンブリ内の固定フレームと回転部品の間で電力および通信信号を転送します。これにより、ケーブルをねじったり、動きを制限したり、複雑なケーブル管理に頼ったりすることなく、機械を継続的に回転させることができます。

1 つのスリップ リングで電力と信号の両方を同時に伝送できます。さらに難しい問題は、それが何年も確実に継続されるかどうかです。電源回路、特に高電圧または高電流の回路では、電気ノイズが発生します。-イーサネット、エンコーダ フィードバック、CAN バス、RS485 などの通信回路は、リング内のシールド、制御されたルーティング、物理的な分離に依存します。実際の設計レビューでは、最初の質問が「回路の数は何ですか?」ということはほとんどありません。それは、「各信号の感度はどれくらいか、そしてその隣に何があるか」です。

このガイドでは、1 つのスリップ リングで電力と通信を組み合わせる方法、実際に重要な設計の詳細、何が問題になりやすいか、カスタム アセンブリを依頼する前に準備すべき情報を正確に説明します。

1 つのスリップ リングで電力と信号の両方を伝送できますか?

はい。単一のスリップ リングは、電力、制御信号、および通信データを一緒に伝送するように設計できます。アプリケーションと回路の組み合わせに応じて、同じ製品が電源および信号スリップ リング、電源およびデータ スリップ リング、ハイブリッド スリップ リング、または電源および通信スリップ リングとして説明されます。

ハイブリッド スリップ リングは、次のいずれかを 1 つの本体に組み合わせることができます。

• モーター、ヒーター、照明、工具、回転機器などの電源回路
• 低電圧制御回路-
• デジタルまたはアナログのセンサー信号
• エンコーダまたはリゾルバのフィードバック
• イーサネットまたは産業用フィールドバス通信
• 特殊な設計のビデオ、RF、または高周波チャネル{0}}

重要な点は、これらの回路を単に一緒に詰め込むべきではないということです。信頼性の高い設計では、電流負荷、電圧レベル、信号感度、ケーブルのシールド、内部レイアウト、回転速度、環境への曝露、および予想される耐用年数を考慮する必要があります。これらを正しく行うと、1 つのアセンブリで別々の回転コネクタのもつれを置き換えることができます。

電源および信号用スリップ リングとは何ですか?

電源および信号のスリップ リングは、回転インターフェイスを介して電気エネルギーと情報を渡す電気機械回転コネクタです。機械の片側は固定されており、もう一方は回転します。スリップリングがないと、ワイヤー間のワイヤーがねじれ、疲労し、最終的には破損してしまいます。スリップ リングは、導電性リングとブラシを介して連続した電気経路を維持するため、機械が回転している間、回路は損傷を受けません。標準カタログのサイズが回路構成と一致しない場合、カスタムスリップリングその逆ではなく、実際のマシンを中心に構築されています。

電源回路

電源回路は、回転側の機器を動作させるエネルギーを運びます。電圧、電流、回路数、動作デューティ、安全マージンによって規定されます。典型的な例としては、モーター電力、24 VDC 制御電力、ヒーター電力、照明、工具電力、サーボまたは駆動回路などがあります。電流と電圧が高くなると、より大きな導体、より広い絶縁間隔、より優れた熱管理、より控えめな安全マージンが必要になります。

信号・通信回路

信号回路は、大容量電力ではなく、オン/オフ制御、アナログ センサー出力、エンコーダー フィードバック、シリアル リンク、フィールドバス データ、イーサネットなどの情報を伝送します。一般的なタイプには、イーサネット、CAN バス、RS485/RS422、PROFIBUS、PROFINET、EtherCAT、Modbus、エンコーダ フィードバック、熱電対と温度信号、限界センサーと近接センサー、特殊システムのカメラまたはビデオ信号が含まれます。これらの回路は、単純な電力線よりも電気ノイズ、接触抵抗の変動、インピーダンスの不整合、不十分なシールドに対してはるかに敏感です。-

電力と通信の組み合わせに慎重なエンジニアリングが必要な理由

課題は、電力と信号が物理的に 1 つの本体を共有できるかどうかではありません。できます。課題は、大電流回路が数ミリメートル離れたところでスイッチングする間、通信をクリーンに保つことです。-

電磁妨害

大電流およびスイッチング電源回路は電磁ノイズを放射し、可変周波数ドライブ、サーボ モーター、重い誘導性負荷の頻繁なスイッチングを伴う産業環境は、まさに国際的な環境に適しています。-電磁適合性規格深刻なものとして選び出します。そのノイズがスリップ リング内の通信回線に結合すると、イーサネット パケットのドロップ、エンコーダ エッジのカウントミス、アナログ読み取り値のドリフト、追跡するのが面倒な断続的な障害など、具体的な症状が現れます。リスクは、スイッチング速度、電流、ケーブル長に応じて増加します。

回路間のクロストーク

クロストークは、密接な内部配線、シールドされていないリード線、または十分な分離が行われていないグループ化されたリングを介して、ある回路から別の回路に結合するエネルギーです。低レベルのアナログ信号と高速データが最初に影響を受けますが、頑丈なドライ接点制御回路がそれを回避します。-どのチャンネルがノイズを許容できるか、どのチャンネルがノイズを許容できないかをマッピングすることが、チャンネル間のクロストークを防ぐ.

接触ノイズと信号の完全性

スリップリングは可動接点を介して伝達します。適切に構築された製品ではインターフェースは安定していますが、接触材料、ブラシの設計、速度、振動、表面仕上げ、汚れのすべてが長期的な動作を左右します。-高速データの場合、これが最も重要です。ギガビット パスには、制御されたインピーダンス、最小限の反射、および低い挿入損失が必要です。これらの要件は、イーサネット、同軸ビデオ、および RF には当てはまりますが、24 V リミット スイッチにはほとんど無関係です。だからこそ、この 2 つを同じ方法で指定すべきではありません。

スペースの制約

ほとんどの購入者は、電源、イーサネット、センサー、場合によっては空気や流体、さらに取り付け機能など、すべてを 1 つのコンパクトなアセンブリで運ぶことを望んでいます。ロボット工学、包装機械、カメラ システム、回転プラットフォームのスペースは限られています。コンパクトな設計は実現可能ですが、小さいほど自動的に優れているわけではありません。本体を縮小することで分離、絶縁、シールド、または保守性が犠牲になる場合、パッケージングの利点と引き換えに信頼性が失われます。

エンジニアリング上の注意: 回路数ではなく、最も弱い信号によってハイブリッド スリップ リングを判断してください。スイッチング モーター回路の横に配線された 1 つのシールドなしエンコーダ ペアは、10 個の追加の電源リングよりも長いダウンタイムを引き起こす可能性があります。

一般的なハイブリッド スリップ リング構成

原則は具体的な例に対して適用しやすくなります。以下の組み合わせは、単一の固定カタログではなく一般的なリクエストを表しており、ヘッドラインの回路数ではなく信号の組み合わせがどのように設計を推進するかを示しています。

• 包装タレット:24 VDC 制御 + 2 x 10 A モーター電力 + 約 8 つの低速- デジタル I/O + 1 x 100 Mbps イーサネット。イーサネット パスは、電源回路と I/O 回路の数がそれを上回っていても、内部分離戦略を設定します。
• サーボ-駆動の回転テーブル:モーター電力 + 差動エンコーダーフィードバック (A/B/Z)。エンコーダの完全性がマシンの精度を定義するため、フィードバック ペアはリング内で最もクリーンで最もシールドされたパスを取得します。
• 計測プラットフォーム:24 VDC + RS485 (Modbus) + いくつかのアナログ センサー チャネル。ここでは、アナログ ラインと差動シリアル バスが敏感な要素であり、生のサイズよりも接地規律が重要です。

ハイブリッド スリップ リングはどのような信号を伝送できますか?

多くの信号タイプを電源と統合できますが、それぞれに異なる要件があり、それらを交換可能として扱うことは最も一般的な設計エラーです。

低速制御信号-

シンプルな制御、リミット スイッチ、リレー、および基本的なデジタル I/O は、送信が最も簡単です。適切な接触品質と正しい電圧および電流定格が必要ですが、ノイズに対する耐性は良好です。

アナログセンサー信号

温度、圧力、またはひずみセンサーからのアナログ出力はノイズや電圧降下の影響を受けやすく、信号レベルが低いほどシールド、接地、配線が強化され、測定値が使用可能かどうかが決まります。

エンコーダとフィードバック信号

エンコーダ信号はモーション制御のループを閉じるため、品質の低下は位置エラー、不安定なモーション、または予期しないダウンタイムとして現れます。チャネル数だけでなく、エンコーダのタイプ、信号形式、速度、ケーブル長に基づいてスリップ リングを選択します。回転アームとエンドエフェクターの場合、ロボット工学のために作られた信号スリップリングこれらのフィードバック パスはすでに考慮されています。

イーサネットと産業用通信

イーサネットは、どの制御信号よりも注目に値します。パスは必要なデータ レートをサポートし、リンクの電気的特性を維持する必要があります。 100 Mbps のファスト イーサネット パスとギガビット パスは互換性がありません。ペア ツイスト、シールドの連続性、内部ルートはすべて、速度が上がるにつれて強化されます。この点は、物理層のルールに根ざしています。{3}}IEEE 802.3 イーサネット規格。 -PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT などのリアルタイム産業プロトコル。

EtherCATテクノロジーグループ標準のイーサネット ハードウェア上に定義されているため、汎用コネクタではなく、そのプロトコル用に設計されたパスに乗る必要があります。より深い治療がここにあります

イーサネット スリップ リングのガイド.

ビデオと高周波信号-

ビデオ、RF、その他の高周波信号には、特殊な接点設計、同軸経路、制御されたインピーダンス、または完全な代替技術が必要になる場合があります。{0}これらを完成したデザインに後付けしてもきれいになることはめったにないため、早めに決定してください。

スリップリング内の干渉を軽減し信号を保護する方法

信頼性の高い電力および信号のスリップ リングは、通常、以下のいくつかの方法が連携して動作することに依存します。

1. 電源部と信号部を分離する

機密の通信チャネルを高電圧および高電流回路から遠ざけるには、独自のハードウェア（1 つのハウジング内にスタックされた 2 つの物理的に分離したコア、個別のリング グループ、または専用の内部ゾーン）を割り当てます。{0}{1}これは、リングがイーサネット、エンコーダ フィードバック、またはその他のノイズに敏感な信号を伝送する場合に最も効果的な手段です。-

2. 仕切り板や断熱材を使用する

-電源セクションと信号セクションの間に非導電性ディバイダーを設けることで、物理的な障壁が追加され、絶縁が向上します。詳細はリングのサイズ、回路数、電圧、構造によって異なります。また、沿面距離、絶縁クラス、または絶縁耐力が重要な場合、バリアは目視で追加するのではなく、関連する安全間隔に対して指定する必要があります。仕切り板はそれ自体では完全な解決策ではありませんが、より広範な隔離戦略の中でその役割を果たします。

3. 通信に独自の密閉サブアセンブリを大口径設計で提供する--

大口径-高電流アセンブリでは、-最も強力な絶縁は、通信チャネルを自己完結型モジュールとして構築することです。-多くの場合、より小さい口径のスリップ リングが主ハウジング内に取り付けられ、周囲の電源セクションから密閉されます。データ パスは、バルク電源導体と独自の保護されたエンクロージャから可能な限り広い物理的距離を確保し、電源側で生成される熱や破片から遠ざけます。これは、単一の共有コアによって敏感なイーサネットまたはエンコーダ チャネルが大電流に不快なほど近くに置かれるような高出力ロータリー ジョイントに適しています。{6}}仕切り板に比べて部品と組み立てコストが追加されますが、要求の厳しい設計では、これが限界的なコミュニケーションと信頼できるコミュニケーションを分けることになることがよくあります。

4. シールド付きケーブルを使用し、シールドを正しく終端します。

電源配線の近くに配線される通信回路には、シールドされたケーブルが必要です。イーサネットやその他の高速信号の場合、ケーブルの種類、コネクタ、ペアのツイスト、シールドの終端、接地がすべて重要になります。-シールドは、一方の端を浮かせたままにするのではなく、アセンブリを通して搬送し、回転側と固定側の両方で接着する必要があります。最も一般的な間違いは、シールド付きケーブルを指定し、シールドの終端方法を無視することです。シールドの終端が不十分だと、設計の残りの部分が元に戻ります。これが効果の核心です信頼性の高い信号伝送のためのシールド.

5. 電源と信号の配線を別の経路で配線する

1 つのアセンブリ内でも配線を計画します。レイアウトのノイズと安全性が確認されていない限り、電源リード線と信号リード線を束ねないでください。スペースが許せば、通信配線を別の内部チャネル (多くの場合は中央チューブ) に通し、電力導体は別のルートをたどります。目標は、固定側から回転側まで一貫して分離することです。

6. プロトコルが要求する場合は専用のデータ モジュールを使用する

すべてのスリップ リングが高速データに適しているわけではありません。-イーサネット、産業用イーサネット、高解像度ビデオ、またはその他の高周波信号には、そのプロトコル用に設計された専用のデータ モジュールが必要になる場合があります。-設計を推奨する前に、メーカーはデータ レート、プロトコル、ケーブルとコネクタのタイプ、および許容可能なエラー レートを把握しておく必要があります。

電源および信号スリップリングと他のオプションの比較

ハイブリッド スリップ リングが常に解決策であるとは限りません。正しい選択は、データ要件、電力レベル、スペース、コスト、および信頼性の目標によって異なります。以下の表は、機能リストではなく、意思決定の補助として使用してください。

適度な電力とセンサー、制御、通信を組み合わせるほとんどの産業用機械では、カスタム ハイブリッド スリップ リングによって最適なバランスが得られますが、それは信号ミックスがマッピングされ、敏感なチャネルが保護された後に限られます。データ レートまたは EMI 環境により銅線が限界に達すると、光ファイバーロータリージョイントノイズ耐性は、電流の代わりに光を運ぶことで得られるため、より正直な選択です。

シンプルな設計決定フロー

プロジェクトが開始されたら、この順序で要件を検討してください。通常、適切な製品タイプは最後のステップで明らかになります。

• ステップ 1: 電力負荷を定義します。回路、電圧、電流、ACまたはDC、デューティ。これにより、リングのサイズ、導体断面積、絶縁間隔、および発熱量が設定されます。-
• ステップ 2: 信号感度をランク付けします。堅牢な制御を敏感なアナログ、エンコーダ、高速データから分離します。-最も多くの信号ではなく、最も敏感な信号が内部レイアウトを駆動します。
• ステップ 3: データ速度とプロトコルを特定します。ファスト イーサネットとギガビットは同じ仕事ではなく、フィールドバスには独自の電気的期待があります。
• ステップ 4: 環境とスペースを一致させる。IP 定格、温度、振動、貫通穴のサイズ、ケーブルの出口。{0}}
• ステップ 5: 標準、カスタム、またはファイバーを決定します。現在になって初めて、純正部品、カスタム ハイブリッド、光パスの間のトレードオフが明確に解決されます。{0}

電源および信号用スリップ リングが正しい選択となるのはどのような場合ですか?

アプリケーションに単純な電源回路、低速信号、中程度の速度、クリーンな環境がある場合は、標準のスリップ リングで十分です。{0}以下のいくつかが当てはまる場合は、カスタムの電源および信号スリップ リングを選択することをお勧めします。

• 電力と通信を 1 つのアセンブリに統合する必要がある
• Ethernetまたはフィールドバス通信が必要です
• スペースは限られています
• アプリケーションは高電流または高電圧を実行します
• 環境は厳しいです
• 特別なコネクタ、ケーブル出口、または貫通穴が必要です-
• 信号品質はマシンのパフォーマンスにとって重要です
• マシンには最小限のダウンタイムで長期的な信頼性が必要です。{0}

カスタムとは、不必要に複雑であることを意味するものではありません。多くの場合、在庫製品の周囲に機械を強制的に取り付けるのではなく、スリップ リングを実際の機械に取り付けるのが最も安全な方法です。

電源および信号のスリップ リングを指定する方法

仕様が完全であればあるほど、設計はより正確になります。 「電力とイーサネットが必要だ」というだけでは、引用するのに十分ではありません。以下の 4 つの領域に取り組んでください。各アイテムごとにデザインが変わりますので、お問い合わせください。

電気的要件

• 電源回路の数とそれぞれの電圧と電流
• ACまたはDC、連続または断続的な使用
• 関連する場合のピーク電流
• 接地、絶縁、および認証の必要性

電源回路は、リングのサイズ、導体設計、絶縁間隔、発熱、安全マージンの大部分を定義します。

信号と通信の要件

• 信号のタイプまたはプロトコル、およびデータレート
• ケーブルの種類、コネクタの種類、チャネル数
• シールド要件と最大ケーブル長
• 許容可能なエラー率、および信号がアナログ、デジタル、差動、または高周波であるかどうか

イーサネットまたは産業用イーサネットの場合は、正確なプロトコルとデータ レートを記載します。低速信号を処理するリングは、高速通信には不適切である可能性があります。-

機械的要件

• 貫通穴サイズ、外径、長さの制限-
• 取付方法と回転速度と方向
• 連続回転または断続回転
• ケーブルの取出し方向、コネクタの位置、周囲のスペース

多くの場合、機械的な制限によって、ストック モデルが適合するかカスタム ビルドが必要かが決まります。設計でシャフト、配線、またはメディアを中心に通す必要がある場合、-ボアスリップリングを通して通常は開始点です。

環境要件

• 屋内または屋外での使用、温度範囲、湿度
• 塵埃、油、水の付着、振動、衝撃
• 腐食条件と必要なIP定格
• メンテナンスアクセスと予想耐用年数

環境により、材料の選択、密閉性、保護レベルが決まります。必要な IP 評価は、特に、- で定義されている 2 桁のシステムに従います。IEC 60529ここで、最初の数字は固体をカバーし、2 番目の数字は水をカバーするため、IP54 や IP65 などの目標に名前を付けることで、メーカーはビルドでどのような密閉性を達成する必要があるかを正確に知ることができます。

避けるべきよくある間違い

すべての回路を同じように扱う

電源、アナログ、エンコーダフィードバック、イーサネットにはさまざまなニーズがあります。ノイズ、シールド、接点設計を比較検討せずにこれらをグループ化すると、避けられる信頼性の問題が生じます。

高速データに標準スリップ リングを使用する-

基本的なリングは単純な電力と低速信号を処理しますが、高速通信にはプロトコルに合わせた設計が必要です。{0}{1}イーサネット、ビデオ、および正確なフィードバックを明示的に呼び出す必要があります。

シールドとアースを無視する

シールドは、正しく設計され、終端されている場合にのみ機能します。アースが不十分だと、シールドケーブルを使用していてもノイズが発生します。

回路数だけで選ぶ

回路数は必要ですが、十分ではありません。電圧、電流、データ速度、絶縁、速度、サイズ、環境、耐用年数はすべて決定を共有します。

設計レビューから離れるのが遅すぎる

スリップ リングは機械が密集した場所に設置されます。後で選択された場合、適切な配線、分離、コネクタ、またはサービス アクセスのための余地が残っていない可能性があります。特に電力と通信が 1 つのアセンブリを共有する場合は、スリップ リングのサプライヤーに早めに関与してもらいます。

アプリケーションシナリオの例

回転包装機

パッケージング タレットには、回転ヘッドに 24 VDC 電源、センサー信号、イーサネットが必要な場合があります。コンパクトなハイブリッド スリップ リングは、ケーブルのねじれを解消し、回転速度、洗浄露出、ケーブル配線、安定したイーサネットを主な関心事として、連続動作をサポートします。

ロボットアーム端ツール--

ロボットのエンドエフェクタは、ツール、センサーのフィードバック、およびコントローラーへのリンクのための電力を必要とし、多くの場合、非常に小さなエンベロープ内に収まります。リングは、重量、振動、コネクタの統合に重点を置き、信号を電力から分離しながらコンパクトさを維持する必要があります。

カメラまたは検査プラットフォーム

回転するカメラ プラットフォームは、電力、制御、ビデオまたはデータを伝送します。データが不安定だと画像キャプチャや検査結果が損なわれるため、信号品質は非常に重要です。そのため、高周波性能、シールド、スムーズな回転が設計の中心となります。-

風力または強力な回転装置-

大型回転機械には、より高い出力、制御フィードバック、シール、長寿命が必要です。通常、カスタム アセンブリは、電流定格、保護レベル、温度範囲、振動、およびメンテナンス性がビルドの原動力となるため、小さなストック リングよりも優れています。

結論

電力および信号のスリップ リングは、電力、制御、通信を 1 つの回転アセンブリで伝送することにより、機械の設計を簡素化します。その成果はエンジニアリングによってもたらされます。設計が可能な限り電源と通信を分離し、重要な部分をシールドし、意図的に配線し、実際のプロトコル、電圧、電流、速度、環境に対して指定します。

電力、イーサネット、センサー、エンコーダのフィードバックを供給しながらマシンを継続的に回転させる必要がある場合は、電圧と電流、プロトコルとデータ レート、回転速度とボア サイズ、環境と IP 定格、許容できない単一故障モードを網羅した 1 ページの仕様書を準備してください。{0}}早期にスリップ リング メーカーと共有すると、適切な設計によりケーブルの故障が減り、信頼性が向上し、回転システム全体の統合が容易になります。