Drum e pancake: quale tipologia di Slip Ring è la migliore?

Anche gli ingegneri che non utilizzano i collettori rotanti nel loro lavoro quotidiano saranno consapevoli di come questi dispositivi elettromeccanici facilitino la trasmissione di potenza e segnali elettrici da una struttura stazionaria (statore) a una struttura rotante (rotore) e viceversa. Tuttavia, quanti sono effettivamente consapevoli dei diversi tipi di collettori rotanti e di quali performance e vantaggi/svantaggi portano?

Questo articolo fa luce sulle varianti più diffuse di collettori rotanti e mostra come un po’ di conoscenza possa aiutare gli ingegneri a progettare applicazioni di successo.

Usi applicativi

Ideali per l’uso in qualsiasi sistema elettromeccanico che richiede la trasmissione di segnali e potenza e/o dati su una parte in rotazione, i collettori rotanti possono migliorare le prestazioni, semplificare il funzionamento ed eliminare la potenziale usura dei cavi contenuti nei giunti mobili. Di conseguenza, i collettori rotanti sono componenti indispensabili per applicazioni quali turbine eoliche, macchinari, veicoli robotici, telecamere, radar, elicotteri, trivelle per pozzi petroliferi e attrezzature minerarie, solo per citarne alcuni.

I collettori rotanti vengono chiamati in molti modi diversi, tra cui slip ring, contatti striscianti e giunti rotanti elettrici. Qualunque nome venga scelto tra questi, tutti si riferiscono allo stesso dispositivo elettromeccanico. Ci sono, tuttavia, due tipi principali di collettori rotanti, che si differenziano per la loro forma (ma non solo): quello classico chiamato ‘drum’, e quello piatto chiamato ‘pancake’.

La differenza tra queste due configurazioni risiede principalmente nella disposizione dei circuiti, che nel caso dei collettori drum sono impilati uno sull’altro. Al contrario, i collettori rotanti di tipo “pancake” hanno uno sviluppo piano e concentrico.

Drum: quando il focus è sulle prestazioni

Tipicamente i collettori rotanti drum si basano generalmente su tecnologie di trasmissione che comprendono spazzole multifilari, spazzole monofilari e spazzole a carboncino/blocchi conduttivi. Questa tipologia di collettori rotanti si è guadagnata il favore del mercato grazie ai costi tipicamente inferiori e alla sua versatilità se paragonati ai pancake

In termini di configurazione, i collettori rotanti drum sono caratterizzati da un albero che ruota centralmente e che sostiene i singoli anelli di contatto. Le spazzole possono assumere la forma di blocchetti, filamenti o rullini, ma il design spazzola-su-anello rappresenta la tipologia più comune. Il design degli slip ring drum è inoltre facile da manutenere e implementabile, infatti diversi anelli possono essere impilati uno sull’altro per aumentare il numero di circuiti.

Il collettore rotante è composto da singoli anelli che possono essere assemblati indipendentemente per creare diverse configurazioni, permettendo così ai produttori di abbinare o personalizzare gruppi di collettori rotanti per rispondere a specifici requisiti applicativi. Infatti, è possibile costruire collettori rotanti drum su misura utilizzando componenti standard di anelli/spazzole.

Un altro vantaggio riguarda la semplicità di costruzione, che permette maggiori tolleranze meccaniche nell’allineamento delle spazzole e favorisce un montaggio agile. In alcune circostanze, questa struttura relativamente semplice permette anche agli utenti di riparare e manutenere i propri collettori rotanti, evitando dispendiose perdite di tempo e denaro per inviarli al produttore per la manutenzione e la revisione.

Affidabilità e durata

Un ulteriore vantaggio dei collettori rotanti drum è la maggiore durata, che è tipicamente dovuta alla più facile esecuzione della galvanostegia (electroplating), rispetto alle varianti pancake. Il risultato è un rivestimento più spesso e che quindi impiega più tempo ad usurarsi. Da notare che maggiore durata si traduce in maggiore affidabilità, in particolare perché un rivestimento più spesso permette una maggiore velocità di rotazione.

La maggior parte dei collettori rotanti funziona a poche centinaia di giri al minuto, con varianti ad alta velocità che arrivano a qualche migliaio. C’è tipicamente un compromesso tra velocità e usura, sebbene giochi un ruolo rilevante anche il diametro. Infatti, più piccolo sarà il diametro, minore sarà la velocità periferica nel punto di contatto anello/spazzola e, a sua volta, minore sarà la generazione di calore e conseguentemente l’usura.

I collettori rotanti drum possono trasmettere correnti fino a 500 A con le spazzole in rame, e migliaia di ampere con le spazzole in carbonio: molto di più dei “pancake”. Un altro vantaggio dei drum è la carcassa (housing), elemento spesso assente nelle varianti pancake che essendo frameless richiedono un alloggio che li ospiti.

Gli slip ring pancake

I collettori rotanti Pancake si basano tipicamente su tecnologie di trasmissione che includono spazzole multifilari e monofilari, così come soluzioni induttive e capacitive.

La configurazione dei collettori rotanti pancake è incentrata su una coppia di circuiti stampati circolari, uno con tracce concentriche ad anello che ricordano un disco in vinile, e l’altro con spazzole in corrispondenza degli anelli. Questi circuiti sono rivolti l’uno contro l’altro ad una precisa distanza e pressione. L’albero del rotore sostiene uno dei circuiti, formando così l’elemento di rotazione del collettore rotante.

Tra le principali differenze rispetto alla tipologia drum c’è il fatto che i punti di contatto sui collettori rotanti pancake non hanno uno sviluppo lineare ma verticale rispetto all’asse di rotazione. Questa caratteristica permette agli slip ring pancake di avere una ridotta lunghezza assiale per numero di circuiti. Infatti, il loro spessore è tipicamente di pochi millimetri. Detto questo, la decisione di adottare il design pancake è principalmente legata a fattori dimensionali e allo spazio disponibile nell’applicazione. Un altro vantaggio significativo dei collettori rotanti pancake è la scalabilità. Grazie alla loro bassa altezza di installazione, i progettisti di sistemi possono ospitare centinaia di contatti su un singolo albero rotante utilizzando diversi collettori rotanti pancake.

Questo tipo di collettore rotante è ideale per l’uso in applicazioni con limiti di spazio, come i robot e i cobot (robot collaborativi), così come numerosi sistemi non industriali. Grazie ai loro vantaggi sull’asse verticale, i collettori rotanti pancake sono adatti a posizioni di montaggio in cui è presente un solo albero di lunghezza ridotta, ma è disponibile uno spazio trasversale sufficiente.

Le limitazioni

I collettori rotanti pancake presentano una serie di svantaggi. Per esempio, per garantire un’altezza ridotta è d’obbligo l’utilizzo di spazzole con una lunghezza limitata. Inoltre, l’utilizzo di molle a lamelle con contatti saldati direttamente comporta di solito una debole pressione di contatto durante gli urti o le vibrazioni, o quando la corrente elettrica passa attraverso le lamelle.

I collettori rotanti Pancake generano anche una maggiore diafonia del segnale durante il funzionamento, mentre le spazzole su questa varietà di collettore rotante possono usurarsi in modo difforme rispetto agli slip ring “drum”.

Un ulteriore svantaggio è che i collettori rotanti pancake di solito possono trasmettere solo circa 10/15A poiché la larghezza dell’anello è limitata, riducendo la capacità di corrente. Di conseguenza, questi tipi di collettori rotanti sono adatti solo per la trasmissione di segnali, non di potenza. Inoltre, poiché in genere è possibile ottenere solo un sottile rivestimento degli anelli, le varianti pancake spesso si usurano più rapidamente sui loro anelli più esterni.

Avendo una struttura piuttosto larga, i collettori rotanti pancake sono meno adatti alle alte velocità di rotazione. Ad alta velocità, la forza centrifuga e le vibrazioni aumentano così tanto che gli anelli di scorrimento pancake possono spesso subire danni, motivo per cui la maggior parte è limitata ad una velocità massima di circa 300 rpm e ad un numero limitato di circuiti. Questi vincoli li rendono inadatti per alte velocità di rotazione, come le macchine avvolgitrici o flowpack. Quindi, più grande sarà, maggiore sarà la sua sensibilità alle alte velocità.

Questo design di solito comporta anche più peso e volume per lo stesso numero di circuiti, e una maggiore possibilità di raccogliere detriti provenienti dall’usura dei componenti.

Scegliere correttamente

Oltre alla scelta della tipologia di collettore rotante, sia essa drum o pancake, ci sono molti altri fattori da considerare oltre alle dimensioni, allo spazio e alla configurazione del design. Per esempio, l’alta conduttività caratterizza i collettori rotanti con rivestimento in metalli preziosi. Infatti, a differenza del bronzo, i metalli preziosi hanno resistenza di contatto molto più stabile e uniforme.

Un altro importante criterio di selezione è lo scopo; in altre parole, scegliere sempre i collettori rotanti per la trasmissione di potenza, dati o entrambi. La trasmissione di potenza, in particolare ad alte tensioni, necessita di conduttori che possano resistere al calore e ad altre condizioni associate a questa funzione essenziale.

La trasmissione di dati/segnali richiede meno prestazioni della trasmissione di potenza. Tuttavia, la diafonia e il rumore possono essere un problema se non gestiti correttamente.

A titolo informativo, la trasmissione simultanea di dati e potenza richiede l’uso di più circuiti. In questo caso, il cablaggio e la progettazione di ogni circuito del collettore devono essere eseguiti nel modo corretto.

Supporto di esperti

Ogni progetto e applicazione è naturalmente diverso, quindi per essere certi della scelta dei collettori rotanti drum o pancake, è sempre bene farsi consigliare da un’azienda con una comprovata esperienza di successo nella progettazione e produzione di questi prodotti innovativi. In definitiva, non c’è nulla che possa sostituire il know-how e l’esperienza quando si tratta di tecnologie di nicchia come i collettori rotanti e la loro applicazione ottimale.