Контактное кольцо

Контактное кольцо — это электромеханическое устройство, которое позволяет передавать мощность и электрические сигналы от неподвижной к вращающейся конструкции. Контактное кольцо может использоваться в любой электромеханической системе, требующей вращения при передаче мощности или сигналов. Оно может улучшить механические характеристики, упростить работу системы и устранить подверженные повреждениям провода, свисающие с подвижных соединений.

Также называемые вращающимися электрическими интерфейсами , вращающимися электрическими соединителями , коллекторами , вертлюгами или электрическими вращающимися соединениями , эти кольца обычно встречаются в двигателях с контактными кольцами , электрических генераторах для систем переменного тока (AC) и генераторах переменного тока , а также в упаковочных машинах, кабельных барабанах и ветряных турбинах . Их можно использовать на любом вращающемся объекте для передачи мощности, цепей управления или аналоговых или цифровых сигналов, включая данные , например, те, которые находятся на аэродромных маяках , вращающихся танках , экскаваторах , радиотелескопах , телеметрических системах, гелиостатах или колесах обозрения .

Контактное кольцо (в терминах электротехники ) — это метод создания электрического соединения через вращающийся узел. Формально это устройство электропередачи, которое обеспечивает поток энергии между двумя электрическими вращающимися частями, например, в двигателе .

Обычно контактное кольцо состоит из неподвижного графитового или металлического контакта (щетки), который трётся о наружный диаметр вращающегося металлического кольца. Когда металлическое кольцо вращается, электрический ток или сигнал проводится через неподвижную щетку к металлическому кольцу, создавая соединение. Дополнительные узлы кольцо/щетка укладываются вдоль вращающейся оси, если требуется более одной электрической цепи. Либо щетки, либо кольца неподвижны, а другой компонент вращается. ^{[1] [2]} Эта простая конструкция использовалась в течение десятилетий как элементарный метод передачи тока во вращающееся устройство.

Некоторые другие названия, используемые для контактного кольца, — это коллекторное кольцо, вращающийся электрический контакт и электрическое контактное кольцо. Некоторые люди также используют термин коммутатор ; однако коммутаторы несколько отличаются и специализированы для использования на двигателях постоянного тока и генераторах. В то время как коммутаторы сегментированы, контактные кольца непрерывны, и эти термины не являются взаимозаменяемыми. Вращающиеся трансформаторы часто используются вместо контактных колец в высокоскоростных или малофрикционных средах. ^[3]

Скользящее кольцо может использоваться в поворотном соединении для одновременной работы с устройством, обычно называемым поворотным соединением. Скользящие кольца делают то же самое для электроэнергии и сигнала, что поворотные соединения делают для жидких сред. Они часто интегрируются в поворотные соединения для передачи электроэнергии и данных к вращающемуся оборудованию и от него в сочетании с носителями, которые обеспечивает поворотное соединение. ^[4]

Основной принцип контактных колец можно проследить до конца 19 века, когда они впервые использовались в ранних электрических экспериментах и ​​разработке электрических генераторов и двигателей. С приходом промышленной революции и ростом спроса на электроэнергию технология контактных колец начала развиваться. Они стали важными компонентами в крупномасштабных электрических машинах, таких как турбины и генераторы, позволяя передавать мощность и сигналы в машинах, где часть машины должна была вращаться непрерывно. ^[5]

Токосъемные кольца изготавливаются разных типов и размеров; например, одно устройство, предназначенное для театрального сценического освещения, имело 100 проводников. ^[6] Токосъемное кольцо допускает неограниченное вращение подключенного объекта, тогда как провисающий кабель можно скрутить лишь несколько раз, прежде чем он заклинит и ограничит вращение.

Смачиваемые ртутью контактные кольца, известные своим низким сопротивлением и стабильным соединением, используют другой принцип, который заменяет скользящий щеточный контакт на бассейн жидкого металла, молекулярно связанного с контактами. ^[7] Во время вращения жидкий металл поддерживает электрическое соединение между неподвижными и вращающимися контактами. Однако использование ртути может представлять опасность при неправильном обращении, поскольку это токсичное вещество. Устройство контактного кольца также ограничено температурой, поскольку ртуть затвердевает при температуре около -40 °C. ^[8]

В кольцеобразном токосъёмнике ^[9] проводники расположены на плоском диске в виде концентрических колец, центрированных на вращающемся валу. Такая конфигурация имеет больший вес и объём для тех же цепей, большую ёмкость и перекрестные помехи, больший износ щёток и легче собирает продукты износа на своей вертикальной оси. Однако, кольцеобразный токосъёмник обеспечивает меньшую осевую длину для ряда цепей, и поэтому может быть подходящим в некоторых приложениях.

Беспроводные токосъёмные кольца не полагаются на типичные методы контакта металла и угольной щётки на основе трения, которые использовались токосъёмными кольцами с момента их изобретения, например, те, которые были рассмотрены выше. Вместо этого они передают как мощность, так и данные по беспроводной связи через магнитное поле , которое создается катушками, которые помещены во вращающийся приемник, и неподвижный передатчик. ^[10] Беспроводные токосъёмные кольца считаются усовершенствованием — или альтернативой — традиционных токосъёмных колец, поскольку отсутствие у них стандартных механических вращающихся частей означает, что они, как правило, более устойчивы в суровых условиях эксплуатации и требуют меньшего обслуживания. Однако количество мощности, которое может быть передано между катушками, ограничено; обычно традиционное токосъёмное кольцо контактного типа может передавать на порядки больше мощности в том же объёме.

• Видео, демонстрирующее внутреннюю часть контактного кольца в движении