Come si configura uno Slip Ring?

In fase di progettazione e configurazione del Giunto Rotante Elettrico è necessario comprenderne il funzionamento delle diverse tipologie e tenere presenti alcuni aspetti fondamentali.

Lo Slip Ring è un dispositivo elettromeccanico che consente la trasmissione di potenza elettrica e segnali da una parte fissa (statore) a una in rotazione continua (rotore), e viceversa.
È evidente come l’assenza di torsione dei cavi semplifichi notevolmente lo schema delle macchine e dei sistemi; evitando sistemi con cablaggi complessi e svincolando il sistema dal ritorno in posizione iniziale ad ogni “ciclo”, è possibile migliorare sia le performance dell’applicazione, sia il suo ingombro.
La trasmissione di potenza varia da pochi milliwatt a flussi più importanti di megawatt in base alle esigenze della macchina e alla configurazione; i dati possono inoltre essere scambiati su I/O digitali o analogici ma anche su bus di campo (fieldbus) fino alla velocità di 1Gb/s.

Tecnologie di contatto

Data la grande eterogeneità di impiego degli Slip Ring, negli anni sono state sviluppate diverse tecnologie di contatto che possono variare per forma e materiali. In particolare, oggi sono disponibili due tipologie principali: con contatto e prive di contatto (wireless). Gli Slip Ring con contatto utilizzano spazzole di materiale conduttivo di diverse possibili forme: monofilamento, multifilamento, in carbone o a metallo liquido. Diversamente, gli Slip Ring contactless possono basarsi su tecnologia ottica, induttiva o capacitiva.

In dettaglio, le spazzole a carboncino offrono vantaggi quali la trasmissione di corrente da 50A a 400A, la semplicità tecnologica e i bassi costi di produzione, anche per unità con correnti elevate. Fra gli svantaggi abbiamo invece le dimensioni maggiori per circuiti di segnale, l’inidoneità alla trasmissione su fieldbus con elevato data-rate, la produzione di polveri durante la rotazione e la manutenzione. Gli Slip Ring con trasmissione a spazzole in metallo, invece, sono tipicamente più compatti, vantano trasmissioni performanti, non necessitano di manutenzione e hanno un ottimo rapporto qualità prezzo per le piccole unità. Tra gli svantaggi vi sono i limiti di corrente (150-200A) e il prezzo elevato per correnti superiori a 100A. A loro volta, le spazzole in fibra si dividono in monofilamento e multifilamento. Le prime offrono vantaggi per dimensioni e costi ridotti. Gli svantaggi sono la minore durata (10 milioni di giri), la bassa velocità di rotazione (max 500 giri/min) e la presenza di due soli punti di contatto. Le spazzole multifilamento vantano invece una maggiore velocità di rotazione (fino a 3000 giri/min), più punti di contatto (trasmissione più stabile), maggiore durata (100 milioni di giri), maggior robustezza a scapito di costi più elevati.

Come scelgo uno Slip Ring?

Per assicurare il funzionamento ottimale nella specifica applicazione è necessario tenere presenti alcuni parametri:

• Fieldbus utilizzato per la trasmissione dei dati (Profibus, Ethernet, Canbus e così via)
• Tipo di cavo usato per connettere lo slip ring e la lunghezza del cavo richiesta
• Data-rate/frequenza massima
• Tasso di tollerabilità dell’errore (signal-to-error rate)
• Dimensioni (diametro e lunghezza)
• Numero di circuiti e relativi valori nominali di tensione e corrente
• Velocità massima di rotazione
• Condizioni ambientali

Anche gli Slip Ring più semplici con spazzole ed anelli trasmettono potenza, ma la scelta del tipo di spazzola è fondamentale. I parametri che guidano la scelta più idonea comprendono: corrente, tensione, velocità di rotazione e condizioni ambientali. Nella trasmissione di potenza occorre inoltre tenere in considerazione il calo di tensione lungo il collettore rotante e l’effettivo flusso di corrente, perché qualsiasi calo influisce sulla tensione disponibile in corrispondenza del carico e sulla dissipazione di potenza all’interno del collettore rotante.

Un’altra variabile importante riguarda la velocità di segnali e trasmissione dati, soprattutto in risposta al costante progresso tecnologico in questo ambito (EtherCAT ha recentemente lanciato la versione real-time da 1Ghz).

L’oscillazione di resistenza elettrica durante la rotazione crea dei disturbi nella trasmissione di segnali ad alta frequenza. Questa oscillazione è l’insieme di tre fattori:

• Tecnologia di contatto – i materiali di contatto usati e la loro tipologia influenzano la qualità del segnale, avendo rispettivamente una conducibilità e una superficie di contatto (o numero di punti di contatto) tipici.
• Pressione – la pressione di contatto -data dalla flessione delle spazzole o da apposite molle- è inversamente proporzionale alla variazione di resistenza in rotazione; tuttavia, all’aumentare della pressione si riduce la vita utile dell’oggetto. È quindi importante raggiungere il giusto equilibrio tra pressione e velocità.
• Velocità di rotazione – All’aumentare della velocità di rotazione aumenta l’instabilità dovuta alle vibrazioni del rotore; per minimizzare questo effetto è quindi necessario aumentare la pressione esercitata.

Per applicazioni particolarmente esigenti, per ridurre la variazione di resistenza durante la rotazione si possono utilizzare contatti multipli per ogni canale – come nelle spazzole a multi-filamento. Indipendentemente dalla tecnologia di contatto, il data-rate è un parametro chiave nella trasmissione dei segnali, considerato che il fieldbus Ethernet può trasmettere dati fino a 10 Gb/s (o più).

In aggiunta alla trasmissione di segnali, attraverso un collettore rotante si possono trasmettere anche dati, ovvero informazioni ad alta frequenza per controlli e funzioni operative di livello superiore, tramite Ethernet o di un protocollo derivato come Profinet o EtherCAT.

Per attenuare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e del rumore, la trasmissione dati ad alta frequenza attraverso gli Slip Ring richiede la schermatura e la twistatura delle coppiole.

Come configurare uno slip ring?

Durante la configurazione dello Slip Ring è essenziale tenere conto di alcuni aspetti fondamentali per ottenere le massime prestazioni. In primo luogo, è importante definire il numero di circuiti di potenza e segnale che si vogliono trasmettere dalla parte statica a quella in rotazione. Vanno quindi definiti la tensione, la corrente e il tipo di segnale (cavo motore, alimentazione di rete a 220V, feedback, bus di campo, I/O, ecc). A seguito di queste indicazioni si potrà adottare la scelta migliore in termini di materiali di contatto.

Successivamente, sarà importante individuare l’ambito d’impiego del Giunto Rotante e il tipo di applicazione, ambiente, ecc. e di conseguenza il duty-cycle (ciclo di lavoro), la velocità di rotazione e le condizioni ambientali (temperatura, polveri, ambiente marino, ecc.). Grazie a queste informazioni, si potrà decidere se il giunto necessita di un grado di protezione specifico per mezzo di un coating particolare o di una meccanica su specifica.

Il terzo aspetto è il verso di montaggio: il giunto è verticale o orizzontale? In base alla posizione in cui viene montato lo slip ring, esistono particolari accortezze meccaniche di cui tenere conto, come cuscinetti, housing, ecc. soprattutto per i giunti di dimensioni importanti.

Successivamente vanno definite le dimensioni. Spesso l’ingombro ridotto è uno dei vantaggi competitivi del cliente, di conseguenza è importante che i componenti siano i più compatti possibile. Nel caso sia necessaria una forma o una dimensione particolare, è fondamentale definirla fin dall’inizio per poterne tenere conto dalle prime fasi della progettazione. Gli elementi chiave sono: lunghezza, diametro, flangia ed eventuale foro passante.