Juntas rotativas Servotecnica

¿Qué es un Slipring o Junta rotativa eléctrica?

Los Sliprings son dispositivos electromecánicos que permiten la transmisión de energía y señales eléctricas contínuamente desde una parte estática a una rotatoria o viceversa.
Entre los muchos nombres para localizar estos componentes se incluyen: colectores giratorios, juntas rotativas eléctricas, contactos deslizantes etc.
Está claro que esta solución, capaz de rotar continuamente, puede simplificar considerablemente los pasos de montaje y evitar el uso de sistemas articulados con cableados complejos los cuales se dañan fácilmente y se estropean con el tiempo, mucho más rápido que una junta rotativa.

Dependiendo de la tecnología de transmisión, los Sliprings son capaces de administrar energía, datos o ambos en una sola solución combinada. El rango de potencia puede variar desde mili vatios a megavatios según las solicitudes y la configuración de la aplicación. Las señales también pueden ser de E / S digital o analógica, pero también de bus de campo (hasta 1 Gb/s).

Diferentes tipos de anillos colectores

Como resultado de la gran heterogeneidad del uso de anillos deslizantes, a lo largo de los años se han desarrollado diversas tecnologías de contacto que pueden variar en forma y materiales. Actualmente hay 4 tipos de contacto principal disponibles en el mercado.

1. Bloques conductores (bloques conductores)
2. Metales líquidos (metal líquido)
3. Cepillos (cepillo de fibra)
4. Sin hilos (Wireless)

Anillos colectores con tecnología de bloques conductores (bloques conductores)

Un anillo de bloques conductores (también conocido como, junta rotativa de escobillas de carbón) es probablemente el slipring más simple de todos. Se usa principalmente para aplicaciones de baja tecnología, generalmente para transmisión de energía o señales simples. Los cepillos están formados por bloques moldeados que entran en contacto con los anillos. Los materiales de los bloques varían desde el grafito más clásico para la transmisión de potencia hasta las aleaciones de metales preciosos más complejas para la transmisión de señales. Las escobillas suelen cargarse con un resorte para mantener un contacto constante, incluso en caso de choque y vibración compensan el consumo de los bloques a lo largo del tiempo. El alto desgaste de esta tecnología lleva a la necesidad de un mantenimiento regular para evitar el estancamiento del polvo conductor en el anillo colector.

Ventajas

1. Alta densidad de potencia por cada circuito individual
2. Fácilmente personalizable comprando solo los cepillos y anillos por separado, construyendo la mecánica en casa
3. Muy bajo coste

Inconvenientes

1. No es adecuado para señales complejas como codificadores, buses de campo, etc.
2. Mantenimiento continuo
3. Se pueden producir chispas entre circuitos en presencia de polvos
4. Alta variación de resistencia dinámica (ruido)
5. Las dimensiones de los circuitos de contacto son similares a las de la potencia

Sliprings con metales líquidos

Esta junta rotativa ha sido la más utilizada en el pasado gracias a la diversidad de tipos que se pueden conseguir en pequeñas dimensiones con este material. Esta tecnología no requiere el uso de cepillos o anillos. En su lugar, se utiliza un metal líquido que, al ser un conductor, garantiza la transmisión entre la parte estática y la parte giratoria. El metal líquido más utilizado fue el mercurio, ahora sustituido a veces por una aleación de galio (Ga), debido a su alta toxicidad.

Hasta la fecha, esta tecnología se utilizaba en algunos mercados, pero las limitaciones impuestas por la regulación ROHS sobre el uso de metales pesados y su naturaleza tóxica en caso de pérdidas, están obligando, cada vez más, a hacerlas desaparecer.

Ventajas

1. Circuitos de alta densidad de corriente
2. Económico

Inconvenientes

1. Limitado por la ROHS
2. Alta toxicidad en caso de pérdidas o rotura
3. Configuración compleja con más de 10 circuitos
4. Producto NO disponible en Servotecnica por su alta peligrosidad

Cepillos de alambre (cepillo de fibra)

Este tipo es actualmente el más utilizado por la flexibilidad intrínseca de uso en una amplia gama de aplicaciones, desde la transmisión de altas potencias a las de señales de alta frecuencia. Los cepillos pueden ser mono filares para muy pequeñas capsulas de Sliprings (con carcasa) o multifilares para anillos deslizantes más grandes. La tecnología de Sliprings con escobillas de múltiples hilos es la más indicada en términos de calidad y durabilidad de los contactos; el desgaste y el polvo son limitados debido a la poca fricción entre los contactos.

Los cepillos multicapa se componen de un haz de finos filamentos metálicos para garantizar un contacto de calidad y un desgaste limitado gracias a su alto grado de flexibilidad. También en este caso, en cuanto a la tecnología de bloques conductores, se pueden usar diferentes materiales de contacto y sustratos para garantizar un mejor rendimiento. Por lo general, las aleaciones de acero u otros metales pobres se utilizan para la transmisión de potencia y se usa una aleación de oro templado para la transmisión de señales eléctricas. Esta diferencia en el uso de los materiales se debe básicamente a las mejores propiedades conductoras del oro a lo largo del tiempo, ya que no sufre oxidación.

Ventajas

1. Excelente relación volumen-corriente
2. No requiere mantenimiento
3. Transmisión de señales eléctricas de alta frecuencia hasta 10 GHz
4. Sin límite de ROHS
5. Poca variación de la resistencia dinámica (ruido)
6. No producen chispas ni acumulación de polvo
7. Posibilidad de configuraciones complejas de hasta cientos de circuitos
8. Disponible en Servotecnica

Inconvenientes

1. Sujeto a desgaste (incluso si es mínimo)
2. Precio un poco más alto que aquellos con bloques conductivos o líquidos

Anillos deslizantes inalámbricos (Wireless) o sin contacto (Contactless)

Los anillos deslizantes inalámbricos son un nuevo tipo en el mercado. El principio básico es el acoplamiento capacitivo o inductivo para la transmisión de potencia y señales por bobinas energizadoras a través del suministro de alta frecuencia, sin contacto entre la parte giratoria y la parte estática, que, si es necesario, también se puede mantener separado de materiales específicos. En general, la eficiencia es menor en comparación con otras tecnologías y es directamente proporcional a la distancia entre las dos partes. Sin duda, esta tecnología aún no conoce un grado tan alto de desarrollo en el mercado, la principal ventaja es la ausencia de desgaste y la posibilidad de tener un alto grado de sellado / protección. Las desventajas son la baja potencia de hasta 150 W, la baja eficiencia y la necesidad de instalar una electrónica activa capaz de excitar la bobina. La transmisión de buses de campo generalmente se obtiene a través de un módulo wifi o bluetooth integrado en la electrónica. Esto significa que para cada Bus de campo se necesita un módulo dedicado, que, de no estar disponible, debería desarrollarse. Este tipo de Slipring se puede utilizar en mercados  caracterizados por altas velocidades de rotación y mantenimiento difícil.

Ventajas

1. No tiene desgaste
2. No requiere mantenimiento
3. Alto grado de protección

Inconvenientes

1. Baja potencia
2. Baja eficiencia
3. Electrónica activa
4. No se puede customizar

Juntas Rotativas de fibra óptica (o FORJ – Fiber Optic Rotary Joints)

Una junta rotativa de fibra óptica es el equivalente óptico de un anillo deslizante eléctrico. Estos dispositivos permiten una rotación continua de una o más fibras ópticas, manteniendo inalteradas las señales transmitidas a lo largo del eje de transmisión de la fibra. Los FORJ se usan ampliamente en sistemas médicos (OCT) y en otras aplicaciones diferentes donde es esencial que las fibras ópticas no se entrelacen.

Existen cientos de patentes para la administración de FORJ con 2 o más canales, pero solo algunas se pueden obtener a costes aceptables en el mercado.

Los FORJ son, por lo tanto, componentes pasivos con una función precisa: garantizar que la transmisión en la fibra óptica se realice de la mejor manera posible, con pérdidas mínimas mientras uno de los dos extremos esté girando. Para evaluar la calidad de un FORJ hay parámetros fundamentales que deben tenerse en cuenta, en este caso:

Pérdida de inserción (IL): las pérdidas por inserción, como en todas las líneas de transmisión, habrá una pérdida de potencia (medida en dB) causada por el acoplamiento de los diversos materiales (incluidos los fluidos de acoplamiento) o las tolerancias mecánicas del FORJ. Como es fácil de imaginar, un buen FORJ pretende minimizar esta pérdida. El valor de IL para un FORJ excelente, está alrededor de un valor de 0.5-1 dB para el canal único y de aproximadamente 3 dB para los canales multicanal.

Variación de pérdida de inserción (wow): es la variación de IL con respecto a una rotación completa del rotor FORJ con respecto a su estator. un buen FORJ puede tener una variación en el giro de +/- 0.25 dB. El wow también se puede usar como un parámetro de diagnóstico del FORJ.

Return Loss (RL): esa es la medida de la potencia de la señal reflejada (desde el FORJ hasta la fuente en el caso específico). Al igual que los parámetros anteriores, el RL también es de fundamental importancia; esto se debe a que casi todos los láseres son sensibles a las reflexiones ópticas que causan variaciones en el espectro de emisión y, en consecuencia, la fluctuación de fase de potencia.

Los parámetros de RL típicos para una buena construcción FORJ son aproximadamente 60 dB en fibras SM y 40 dB en fibras MM.

Para FORJ de un solo canal (que es SM o MM), la estructura mecánica muy simple permite tener dimensiones muy compactas, altas velocidades de rotación (típicamente hasta 10.000 RPM) y una alta fiabilidad con una degradación del rendimiento prácticamente inexistente.

La estructura mecánica de los FORJs multicanal, es mucho más compleja y requiere alineaciones ópticas que normalmente se realizan manualmente.

Una posible falta de señal óptica entre los canales puede ser debido a una alineación incorrecta, produciendo efectos indeseables de orden secundario como son pérdidas por IL o RL fuertemente dependiendo de la longitud de onda de la onda transmitida. Otros problemas típicos en este tipo de junta son los de PMD (polarización modular dispersiva) problemas de diafonía, interferencia entre los diversos canales ópticos etc.

Normalmente, es posible aceptar diferencias de 0.5-1 dB en la IL para longitudes de onda de 1310 nm a 1550 nm. Del mismo modo, el PMD es la medida del alargamiento de un impulso, debido a la diferente velocidad de transmisión de los modos de polarización ortogonal. El PMD no se considera si la banda de transmisión es inferior a 1 Gbit/s.

Otro parámetro importante al elegir en un FORJ es definitivamente su tamaño. El FORJ es un componente que normalmente se integra en otros dispositivos giratorios (anillos de deslizamiento, unidades rotativas de radiofrecuencia, etc.) que ocupan el centro del sistema giratorio. El tamaño del FORJ por lo tanto afectará significativamente las dimensiones finales del sistema terminado. Un FORJ más pequeño afectará positivamente en el coste del sistema final.

Los FORJ también se pueden usar en aplicaciones submarinas, donde se requiere compensación por el aumento de presión debido a la profundidad. El mismo líquido de llenado puede usarse como líquido lubricante para ajustar los coeficientes en la interfaz rotor/estator.

Ventajas

1. Transmisión confiable sin pérdidas
2. Muy alta frecuencia
3. Muy alta velocidad de rotación 10.000RPM
4. Muy compacto
5. Disponible en Servotecnica

Inconvenientes

1. Muy caro

Muchas gracias por leernos.

Saludos