Slip Ring elettrici: 5 cose da sapere su spazzole, cali di tensione e attenuazione del rumore

In questo articolo presentiamo cinque cose da sapere sugli Slip Ring (anche detti collettori rotanti elettrici), le loro spazzole, i cali di tensione e l’attenuazione del rumore.

1. Le tre principali tecnologie impiegate per le spazzole nelle diverse varianti di collettori rotanti sono quelle monofilari (single-brush), multifilari (multi-brush) e composite.

Le spazzole composite sono realizzate in grafite di carbonio, talvolta con l’aggiunta di metalli per aumentare la capacità di corrente. Queste spazzole sono simili a quelle impiegate nei motori elettrici a spazzole. Le spazzole composite offrono ottime prestazioni in condizioni di corrente e giri/min più elevati.

Tra le altre opzioni per le spazzole vi è il monofilamento, che si avvolge parzialmente attorno al tamburo del collettore rotante in corrispondenza di un canale ed è realizzato in metalli preziosi come argento, oro o palladio. Questi tipi di spazzole si trovano comunemente in collettori rotanti a bassa corrente che necessitano di una trasmissione dei segnali pulita e di una resistenza di contatto minima.

Anche il multifilamento è realizzato in metalli preziosi e si avvolge parzialmente attorno al tamburo del collettore rotante, ma comprende contatti multipli per ogni canale. Le spazzole a polifilamento presentano una resistenza di contatto e un rumore minimi, caratteristiche che le rendono adatte a trasmettere segnali analogici sensibili o dati ad alta velocità per il controllo in tempo reale.

2. Anche i collettori rotanti più semplici a spazzole e anelli trasmettono potenza, ma la scelta del tipo di spazzola è fondamentale.

I parametri che indicano quale sia la scelta più idonea comprendono corrente, giri/min e temperatura.Nota: nella trasmissione di potenza occorre anche tenere in considerazione il calo di tensione lungo il collettore rotante e l’effettivo flusso di corrente. Qualsiasi calo influisce sulla tensione disponibile in corrispondenza del carico… e sulla dissipazione di potenza all’interno del collettore rotante. Quest’ultimo si riscalda, producendo un effetto significativo sulla temperatura di esercizio.

3. Le velocità dei segnali e della trasmissione dati dei collettori rotanti elettrici aumentano costantemente.

Il modo in cui le spazzole per i dati creano una variazione della resistenza elettrica durante la rotazione riduce la qualità della trasmissione. Questa variazione dipende dalla modalità di contatto delle spazzole e da forza, giri/min e temperatura. Una soluzione per applicazioni avanzate consiste nell’utilizzare contatti multipli per ciascun canale – come nel tipo di spazzole a polifilamento – per ridurre questa variazione di resistenza.

Le espressioni del tasso di errore sui bit (Bit Error Rate – BER) quantificano il rumore e l’affidabilità dei dati attraverso un collettore rotante. Nell’immagine: Il DDR Bus Simulator di Keysight Technologies genera profili del tasso di errore sui bit (BER) per quantificare l’affidabilità. Per approfondire questo argomento visitate il sito testandmeasurementtips.com o keysight.com (INGLESE).

Indipendentemente dalla forma delle spazzole, le velocità e le capacità sono parametri chiave nella trasmissione dei segnali dei collettori rotanti. Numerosi prodotti con connettività Ethernet trasmettono segnali e dati a velocità fino a 10 gigabit (Gbit o semplicemente Gb) al secondo o superiori. I prodotti comunemente disponibili attualmente arrivano a 1 Gb (un riferimento abbastanza standard), anche se i collettori rotanti con questa velocità di trasmissione rappresentano ancora soluzioni piuttosto specializzate.

Naturalmente i fornitori sottolineano che la maggior parte degli OEM non ha bisogno di 1 Gbit e che 100 megabit (Mb) al secondo sono sufficienti. Tuttavia, man mano che il numero di sensori aumenterà e i progetti che utilizzano slip ring diverranno più complessi, le velocità in termini di Gb – in molti casi sotto forma di Gigabit Ethernet (GbE o GigE) – rappresenteranno sempre di più lo standard.

Nota: oltre alla trasmissione dei segnali vi è il movimento dei dati attraverso un collettore rotante, un comune tratto distintivo tra produttori. Questo movimento dei dati consiste nell’invio di informazioni ad alta frequenza per controlli e funzioni operative di livello superiore… spesso tramite Ethernet o uno dei protocolli derivati, come PROFINET o EtherCAT.

Molti di questi protocolli consentono il controllo di vari sottosistemi delle macchine, supportano la funzionalità IIoT e consentono di utilizzare tutti i dati originati dai sensori che proliferano sulle macchine. Alla fine la loro diffusione necessiterà di una maggiore (e più veloce) trasmissione dati attraverso collettori rotanti.

4. La trasmissione dati attraverso gli slip ring elettrici richiede la schermatura e l’attenuazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e del rumore.

L’attenuazione delle EMI è talvolta espressa come compatibilità elettromagnetica o EMC. La trasmissione dei dati necessita di collettori rotanti con una maggiore larghezza di banda e una migliore attenuazione delle EMI rispetto alla trasmissione di potenza. Spesso le EMI viaggiano attraverso la conduzione e l’irradiazione. La prima assume la forma di alte frequenze dannose che si manifestano lungo l’alimentazione della linea elettrica o il segnale. Per contro, le EMI irradiate propagano il rumore elettromagnetico attraverso lo spazio alle apparecchiature vicine. La schermatura delle connessioni dei collettori rotanti contro tali EMI è di importanza fondamentale.Nota: la schermatura delle radiofrequenze (RF) è un’altra caratteristica comune nelle connessioni dei collettori rotanti. Si noti che, anche se sono utilizzati in modo intercambiabile, i termini EMI e RFI hanno significati diversi. Più precisamente, le EMI rappresentano il rumore elettrico di qualsiasi frequenza, mentre le RFI quello compreso tra 20 kHz e circa 300 GHz.

5. La trasmissione dati attraverso collettori rotanti elettrici richiede anche la messa a terra.

Supponiamo che un progettista o un OEM abbia un grosso motore elettrico che fa ruotare l’asse di una macchina. Questo motore avrà una trasmissione, come un VFD, che genera una grande quantità di rumore elettrico. Se vi sono collettori rotanti vicini privi di una corretta messa a terra, questo rumore influirà su di essi; le interferenze originate dalla trasmissione del motore si accoppieranno alle tracce dei collettori rotanti e introdurranno interferenze sulle comunicazioni o sulle linee dei segnali.

Per progetti in cui la EMC è un obiettivo della progettazione, una scatola completamente metallica con una messa a terra dedicata, insieme a cavi solo schermati, è in grado di attenuare la maggior parte delle EMI.Nota: queste misure preventive assumono un’importanza più critica man mano che aumentano le velocità dei dati. Questo perché, con l’aumentare delle frequenze, a un certo punto i segnali dei dati sui fili provenienti dai collettori rotanti divengono a loro volta emittenti.