Definition Was ist ein Schleifring?

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Schleifringe sind oftmals die einzige Lösung, sollen Daten und Leistung in bewegten Anwendungen übertragen werden, in denen Verdrahtungen stören oder gar unmöglich sind. Wie funktionieren Schleifringe, wo werden sie eingesetzt? Und welche Vor- und Nachteile haben sie?

Bei einem Schleifring handelt es sich um eine Baugruppe aus dem Bereich der Elektromechanik. Er ermöglicht die Übertragung von Energie, Daten und Signalen zwischen einem stationären und einem rotierenden Teil in einem System. Andere Bezeichnungen für den Schleifring sind u.a. Drehkupplung, elektrische Drehkupplung, elektrisches Drehgelenk, Kollektor oder Schleifkontakt.

Wie funktionieren Schleifringe?

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Schleifringen mit verschiedensten Übertragungskonzepten. Daher werden hier die Komponenten der wohl einfachsten Bauform, dem Kohlebürstenschleifring, beschrieben.

Ein solcher Schleifring bestehen im Wesentlichen aus einer Bürste und einem Ring:

• Die Bürste oder Kohlebürste ist ein feststehender Gleitkontakt, der während der Rotation des Rings einen kontinuierlichen elektrischen Kontakt herstellt und somit eine gleichmäßige Übertragung von Strom und Signalen gewährleistet.

• Der Ring ist das rotierende, leitfähige Bauteil eines Schleifrings und besteht daher meist aus Materialien wie Kupfer, Messing, Bronze oder Edelstahl.

Wo werden Schleifringe eingesetzt?

Schleifringe sind modular aufgebaut und können an unterschiedliche Maschinentypen angepasst werden, was sie vielseitig einsetzbar macht. Sie können auch in Kombination mit anderen Technologien, wie Koaxial- oder Glasfaserübertragungen, verwendet werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.

Im Bereich der Energietechnik werden Schleifringe in vielen rotierenden elektrischen Maschinen wie z. B. Schleifringläufermotoren oder Synchrongeneratoren eingesetzt.

In der Galvanotechnik dienen Schleifkontakte beim Verchromen oder Verzinken von Oberflächen zur Übertragung von elektrischen Strömen.

In der Windenergie werden Schleifringe zum einen zur Übertragung von Strom an der rotierenden elektrischen Maschine, als auch zum Blitzschutz eingesetzt. Hierbei werden die rotierenden Teile über Schleifringe elektrisch mit der fest installierten Erdungsanlage verbunden. Ohne Schleifringe käme es bei einem Blitzeinschlag an den in exponierter Lage befindlichen Rotorblättern zu einem Überschlag oder Lichtbogen im Bereich der mechanischen Lager, die dann zu Lagerschäden oder Schweißverbindungen in zueinander bewegten Maschinenelementen führen würden.

In der Signalübertragung kommen oftmals komplexere Schleifringsysteme mit einer hohen Polzahl zum Einsatz, die auch Schleifringübertrager oder Schleifringkörper genannt werden. Die Übertragung findet hier meist über schleifende Kontakte zwischen einem Stator und Rotor statt, wobei hierzu in einem isolierenden Träger ringförmige Kontaktflächen eingelassen sind, auf denen ein Federkontakt während der Drehung den Stromfluss ermöglicht. Damit das System verschleißarm arbeitet, drückt die Kontaktfeder so schwach wie möglich, aber trotzdem ausreichend stark, um einen sicheren Stromfluss gegen die sich drehende ringförmige Kontaktfläche zu ermöglichen.

In der Robotik sind Schleifringe ebenfalls zur Leistungs- und Signalübertragung zwischen Manipulatoren und Aktoren unverzichtbar. Die Lösungen ermöglichen eine uneingeschränkte 360-Grad-Drehung, was besonders wichtig für die leistungsstarke Kinematik der Roboterarme und anderer rotierender Komponenten ist.

Neben der wachsenden Automatisierungstechnik bieten zudem Krane und Hebezeuge ein breites Anwendungsfeld für Schleifringe. Hinzu kommen die Medizintechnik, die Lebensmittelindustrie und viele weitere Anwendungen.

Welche Eigenschaften zeichnen Schleifringe aus?

Durch ihre Fähigkeit zur kontinuierlichen Drehung vereinfachen Schleifringe die Konstruktion von Lösungen, bei denen Strom oder Signale von einem rotierenden Teil zu einem feststehenden Teil oder umgekehrt übertragen werden müssen. Hierdurch ist eine Verdrahtung bzw. Verbindung beider Teile mit komplexen gelenkigen Verkabelungssystemen nicht mehr erforderlich, wodurch sich das Risiko von Beschädigungen oder Kabelbrüchen, mit denen immer auch ein höherer Wartungsaufwand verbunden ist, minimiert.

Welche Typen von Schleifringen gibt es?

Es gibt eine Vielzahl von Schleifringen, die sich durch ihren Aufbau, den verwendeten Materialien und ihre Funktionsweise unterscheiden. Nachfolgend werden einige der wohl bekanntesten Technologien vorgestellt.

• Bürstenschleifringe

• Hybrid-Schleifringe

• Pancake-Schleifringe

• Quecksilber-Schleifringe

• Drahtlose/Berührungslose Schleifringe

• Faseroptische bzw. Lichtwellenleiter-Schleifringe (FORjs - Fiber Optic Rotary Joints)

Definition

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– Bürstenschleifringe

stellen im Grunde die klassischen Bauformen von Schleifringen dar. Hierzu gehören vor allem Kohlenbürstenschleifringe, deren Hauptkomponenten bereits zu Beginn des Beitrags beschrieben wurden.

Solche Schleifringe werden zumeist in Anwendungen eingesetzt, in denen Energie und Signale übertragen werden müssen, ohne einen besonders hohen technologischen Anspruch an die Lösung zu stellen. Die Bürsten bestehen zumeist aus Grafit zur Stromübertragung oder komplexeren Edelmetalllegierungen zur Signalübertragung, die so geformt sind, dass sie die Ringe permanent berühren. Damit der Kontakt u.a. bei Stößen oder Vibrationen aufrechterhalten bleibt, sind die Bürsten in der Regel federbelastet.

Schleifringe mit Faserbürsten sind weit verbreitet. Sie sind sehr flexibel einsetzbar und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Übertragung hoher Leistungen bis hin zu Hochfrequenzsignalen.

Die Bürsten können aus einer Monofaser für kleine Kapselschleifringe oder aus einer Multifaser für größere Schleifringe bestehen. Multifaserbürsten bestehen aus einem Bündel dünner Metallfäden, die aufgrund ihrer Flexibilität eine hohe Kontaktqualität bieten und über einen geringen Verschleiß verfügen. Wie bei Schleifringen mit Kohlefaserbürsten, können auch hier die Kontaktmaterialien variieren, um die Leistung zu optimieren. Für die Stromübertragung werden in der Regel Legierungen aus Stahl und anderen gängigen Metallen verwendet, während die Signalübertragung meist über gehärtete Goldlegierungen erfolgt.

– Hybrid-Schleifringe

sind hochentwickelte Lösungen, die gleichzeitig Strom, Daten sowie Flüssigkeiten und Gasen übertragen können. Die Komponenten von Hybrid-Schleifringen kombinieren die Funktionalität traditioneller Schleifringe mit zusätzlichen Fähigkeiten, wie z. B. der Übertragung von bestimmten Medien.

Hybrid-Schleifringe sind nicht zuletzt aufgrund ihrer Modularität in der Lage, sich an technologische Fortschritte anzupassen, was sie zu einer vielseitigen Komponente für zukünftige Innovationen macht.

– Pancake-Schleifringe

zeichnen sich, wie es der Name schon vermuten lässt, im Gegensatz zur eher zylindrischen Form herkömmlicher Schleifringe durch ihre flache, scheibenartige Form aus. Dieses Design bietet den entscheidenden Vorteil, dass solche Schleifringe auch in beengte Räume passen, die in ihrer Länge begrenzt sind.

Bei Pancake-Schleifringen sind mehrere leitende Ringe eng aneinander angeordnet, wobei jeder Ring einem separaten Schaltkreis zugeordnet ist. Die Bürsten gleiten über die Oberfläche dieser Ringe und halten somit die elektrische Verbindung aufrecht, während sich das Gerät dreht. Die flache Form verringert die axiale Länge des Schleifrings, vergrößert jedoch dessen Durchmesser.

– Quecksilber-Schleifringe

verwenden leitfähiges Quecksilber, um elektrische Signale und Strom zwischen statischen und rotierenden Komponenten zu übertragen. In einem Quecksilber-Schleifring stellt das flüssige Metall einen permanenten Kontakt zwischen den rotierenden und stationären Komponenten sicher. Allerdings wird diese Technologie aufgrund der RoHS-Richtlinien der Europäischen Union und der Tatsache, dass es bei Quecksilber um ein giftiges Metall handelt, nur noch in wenigen Märkten eingesetzt.

– Drahtlose/berührungslose Schleifringe

sind eine echte Alternative zu den bisher genannten Lösungen, da sie elektromagnetische Felder nutzen, um Strom und Daten ohne direkten physischen Kontakt über eine rotierende Schnittstelle zu übertragen. Diese Systeme bestehen in der Regel aus einem Sender und einem Empfänger. Der Sender wandelt elektrische Signale in ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld, das vom Empfänger am rotierenden Teil erfasst und wieder in elektrische Signale oder Strom umgewandelt wird.

Berührungslose Schleifringe sind verschleißfrei, da sie z. B. keine Bürsten für die Übertragung zwischen beweglichen und statischen Komponenten verwenden.

– Faseroptische bzw. Lichtwellenleiter-Schleifringe (FORJs)

sind die optischen Entsprechungen von elektrischen Schleifringen. Ein faseroptisches Drehgelenk besteht aus einem Stator (stationäres Teil) und einem Rotor (rotierendes Teil). Der Stator enthält die Eingangs- und Ausgangsfasern bestehend aus Lichtleitern, während der Rotor Linsen oder Spiegel hat, die das Lichtsignal von der Eingabefaser zur Ausgabefaser umleiten. Auf diese Weise wird das Lichtsignal während der Rotorbewegung kontinuierlich übertragen. FORJs bieten die Möglichkeit, Signale über rotierende Schnittstellen zu übertragen, insbesondere wenn große Datenmengen übertragen werden müssen, wobei die speziellen Vorteile der Glasfaser (verlustfreie Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit) über den gesamten Übertragungsweg hinweg erhalten bleiben.

Definition

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Welche Vorteile haben Schleifringe?

Schleifringe haben mehrere Vorteile insbesondere in Anwendungen, die eine kontinuierliche Rotation erfordern:

• So ermöglichen Schleifringe eine ununterbrochene 360-Grad-Drehung, ohne auf irgendeine Verkabelung achtgeben zu müssen. Hierbei sorgen sie für eine stabile und kontinuierliche Übertragung von Leistung und Daten, wodurch oftmals auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Systems mit einem Schleifring verbessert wird.

• Schleifringe sind in der Lage, nicht nur Signale und Energie zu übertragen, sondern auch Flüssigkeiten, was sie für den Einsatz in vielen Anwendungen prädestiniert. Im Vergleich zu anderen elektrischen Übertragungsmethoden erzeugen Schleifringe weniger Wärme und haben eine längere Lebensdauer. Spezielle Schleifringe wie z. B. Ethernet-Schleifringe ermöglichen die Übertragung von Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten über rotierende Schnittstellen mit minimalem Datenverlust.

• Die Kombination von Schleifringen für die Stromversorgung mit gleichzeitiger drahtloser Lösung zur Datenkommunikation kann kostengünstiger sein als Systeme, die beides separat mittels Schleifringe übertragen.

Welche Nachteile haben Schleifringe?

• Bei Schleifringen, die nicht kontaktlos arbeiten, kann es mit der Zeit zu einem mechanischen Verschleiß zwischen Bürsten und Ringen kommen, was die Lebensdauer eines Schleifrings verkürzt.

• Viele Schleifringen benötigen regelmäßige Wartungen, um sicherzustellen, dass die Leistungs- und Signalübertragung einwandfrei funktioniert.

• Schleifringe können überdies anfällig gegenüber Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit oder Staub sein. Daher sind mitunter zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich, wie z. B. spezielle Gehäusekapselungen oder Beschichtungen, etwa auf den Ringen.

• Bestimmte Schleifringtypen, wie etwa Pancake-Schleifringe, sind in ihrer Rotationsgeschwindigkeit begrenzt, was sie für schnell rotierende Anwendungen ungeeignet macht.

Vor dem Einsatz von Schleifringen sollten daher die Vor- und Nachteile dieser Komponenten für eine Applikation sorgfältig abgewogen werden, um zu gewährleisten, dass Schleifringe den spezifischen Anforderungen einer Anwendung gewachsen sind.

Anbieter von Schleifringen

• B-Command

• Cavotec

• Ceno

• Deublin

• DSTI

• Henze & Streng

• Jinpat

• KMO

• Kübler

• Molex

• Moog GAT

• Schleifring

• Servotecnica

• Spinner

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Wikipedia; Wikipedia; Grand; Servotecnica; Moog; Rotarx; Wind Sourcing; Schleifring; Orbinexus; B-Command; Reddit; Rotarx; Schildknecht; Ceno Electronics; Coretigo

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