スリップリングは、ブラシスタイルと機械的構造に基づいて、多くの種類があります。それぞれのデザインは、特定の専門応用に適します。あるモデルは他のものよりも人気があります。この記事では、各タイプの長所と短所について説明します。

ブラシ・テクノロジー

ブラシは、スリップリングの可動部材に電流を流す装置です。可動部材は通常、リング状の導体です。スリップリングの設計では、以下のブラシ/接点のスタイル/材質を使用するのがよく見られます。すべての問題を解決できる単一のスタイル/材質はありません。ほとんどのメーカーは、さまざまな業界の複雑なニーズに対応するために、1 つのデバイスに複数の材料 / スタイル、またはそれらの混合物を提供しています。

パッド・ブラシ・オン・リング（銀黒鉛）:
黒鉛粒子は銀のマトリックス中に分散されています。銀は通常、グラファイト同士を結合し、電圧降下の少ない連続した高導電性の経路を形成する。黒鉛はアーク放電の際に燃え尽きてしまいます。銀は耐酸化性があり、ダウンタイム中もきれいな接触面を維持できます。これらの特性により、銀黒鉛ブラシは高電流密度条件下で優れた性能を発揮しています。

ブラシパッドは通常小さな長方形で、接触面は円筒形になっており、マッチングリングとの完璧なインターフェースを提供します。接触圧は、パッドがはんだ付けされた弾力性のある金属リーフまたは圧縮スプリングから得られます。ペアリングの材質は通常コインシルバーです。円筒形の接触界面により、このデザインは接触面が大きく、大電流応用に適します。

フィラメント／ワイヤー・ブラシ・オン・リング（ゴールド・オン・ゴールド）:
もうひとつの選択肢は、ゴールド合金を組み合わせてモノ・フィラメントまたはマルチ・フィラメント・ブラシを形成する方法。マッチング・リングの素材も金ベースの合金です。シングルフィラメント/ワイヤーブラシは、マッチングリングとの接触面が比較的小さい。これを克服するために、メーカーはしばしばリングに円形の溝を形成します。これによって接触面が1点からアーチ状になり、接触面積が大幅に増える。それでも、電流容量は比較的小さい（数アンペア以下）。

この設計は製造コストが極めて低く、低電力や信号伝送によく使用される。

複数のフィラメント／ワイヤーを束ねてブラシを形成すると、表面接触が大幅に増加する。より大きな電流を流すことができます。円形の溝は接触面を大きくするだけでなく、ワイヤーが軌道から外れるのを防ぎます。この構造は、低コストと高性能の両立という利点から、近年多くのユーザーに支持されている。また、摩耗粉の発生が少ないため、メンテナンスが少なくて済むという報告もある。

ブラシレス/ロール・リング:
リングとブラシの間のスライド運動に頼る代わりに、フレクシャー・リングがアウター・リングとインナー・リングの橋渡しをする。フレクシャーリングはボールベアリングのボールのように動くため、回転界面（転がり接触）を通じて電力と信号を伝達することができ、低ノイズでパーティクルの発生を抑えることができます。この設計により、摩擦と摩耗が大幅に減少します。そのため、より高速で動作し、より長寿命です。このようなスリップリングは、ブラシレススリップリン グまたはロールリングスリップリングと呼ばれています。

水銀コンタクト：
このデザインでは、リングの代わりに液体水銀が使われている。ブラシは電極以外の何物でもない。摩擦がほとんどなく、ブラシの磨耗がなく、ノイズが極めて少なく、接触抵抗が低い（ブラシ／リング・タイプでは10～20ミリオームであるのに対し、1ミリオーム）。寿命もはるかに長い（数百万～数千万回転のスリップリングに対し、10億回転以上）。主な欠点は、材料の毒性である。特別な取り扱いが必要である。

非接触（誘導）：
これは、回転部材と固定部材の間に物理的な接触を必要としない唯一の設計である。この装置では、非接触の回転界面を横切って、信頼性が高く効率的な電力伝達を行うために誘導部品が使用されます。誘導部品は変圧器と非常によく似た動作をするが、一次コイルと二次コイル間の相対回転を可能にする。2つのコイルは、渦電流と熱損失を最小限に抑えるため、層状ケイ素鋼で構成された外側と内側のコアによって結合されています。この配置により、静止フレームと回転フレーム間で の信頼性の高い高効率な電力伝達が実現します。スリップリングは、回転コイルの位置や回転速度 に関係なく、一定レベルの電力を伝達します。

誘導給電のもう一つの利点は、アーク放電をなくし、可燃性ガスの存在下でも装置を安全にすることである。水銀設計と同様、摩擦がほとんどなく、コイル間の摩 耗もありません。従来のスリップリングよりもはるかに長寿命です。

この設計は、電力や低周波信号の伝送に適している。高周波信号には不向きである。

どのような設計でも、接点での電力損失は、伝達電流の二乗と接点抵抗の積となる。水銀接点は最も接触抵抗が低い。その他のブラシ素材には、カーボングラファイトや銅グラファイトがある。

ドラム

中央の回転シャフトが個々のコンタクトリングを保持する。ブラシには、パッド、フィラメント、ロ ールリングがあります。このブラシオンリング設計は、市販されているすべ りリングの大半を占めています。このドラム設計は、拡張性が高く、低コストで保守が 容易であり、さまざまな要件に対応するための構成が 簡単です。類似または異種のリングを多数積み重ねること で、非常に大きな回路数を実現できます。

基本的なドラムまたはスタック設計により、各用途の実際の要件に合わせて、さまざまな電圧と定格電流の回路を混在させることができます。回路数に関係なく、リングは1つずつスタックされます。このため、スリップリングは、用途の要件に合 わせたり、カスタマイズしたりすることができます。カスタムデバイスは、標準の既製リング/ブラ シ部品を使用して製造することができます。構造が比較的単純なため、スリップリングの修理や保守 を、通常納期がかかる製造会社に依頼せずに、お客様自身で行 われる場合もあります。

この設計の小さな欠点は、ブラシの中心がずれていることだ。その結果、直径が多少膨らんでしまう。

パンケーキ

一対の円形回路基板は、一方が同心円状のリングト ラックを持ち、もう一方がリングに一致するブラシを持 ち、所定の間隔/圧力で互いに配置される。一方の基板は、スリップリングの回転部材を形成するローターシャフトによって運ばれる。

ドラムとは異なり、パンケーキ・スリップ・リングには中心から外れた部分がありません。通常、同じ数のリングを使用したドラムに比べ、重量と体積が小さくなります。また、軸方向の長さも短くなります。回路基板は大量生産が可能であり、組み立てにかかる労 働コストも低いため、大量生産が必要な場合、応用 パンケーキデザインは、非常に低コストのデバイスを提供できます。多くの場合、空想的で独創的なリングパターンは、カスタム性能を達成するための追加コストをほとんど、あるいは全くかけずに実現できます。ドラム・スタイルで1つのデバイスに2組以上のパンケーキを積み重ねることも可能で、設計をスケーラブルにすることができる。また、1つのデバイスに異なる回路定格を混在させる柔軟性もメーカーに提供します。

パンケーキ・デザインのテントは、静電容量とクロストークが大きく、ブラシの磨耗が大きく、ゴミが溜まりやすい。リングが同心円状になっているため、最も外側のリングの磨耗が激しくなります。基板上のメッキ銅の厚みが制限され、電流容量が制限されるため、大電流には不向きです。容量を増やすために幅の広いトレースや複数のトレースを追加すると、直径を過度に拡大することなく1枚の基板に配置できるリングの数は限られる。また、全体の直径は、回転中のブラシの接触圧力を均一に保つために、回路基板を平坦に保つために物理的に制約される。

全高が低いという利点を維持するために、パンケーキ スリップリングは、長さ/トラベルが制限されたブラシ を使用する必要があります。メーカーは、接点が直接はんだ付けされたリーフ 型スプリングに頼ることがよくあります。このため、接触圧が低くなり、振動や衝撃、通電時に接触圧が低下しやすくなります。

ハイブリッド（電気/光学）ロータリージョイント

シングルモード光ファイバは、1本で双方向に毎秒1兆ビッ トを超えるデジタル信号を伝送することができます。イーサネットのような最新のデータプロトコルは、双方向でチャネルあたり毎秒ギガビットの速度を要求することができ、上記のスリップリングの能力をはるかに上回ります。そのため、光ファイバロータリジョイント（FORJ） と共にファイバを使用したデータ伝送がますます一般 的になってきています。光ファイバロータリジョイントと、効率的な電力伝送が可能なスリップリングを組み合わせたハイブリッドスリップリング/ロータリジョイントは、最新の移動機器や回転機器において強力な組み合わせとなります。Princetel では、設計が複雑化する市場に対応するため、両方のタイプのスリップリングを組み込んだ既製の設計を多数用意しています。

ウォータープルーフ

スリップリングの中には、船舶、石油掘削装置、鉱山など、屋外 の過酷な環境で使用されるものがあります。損傷や故障を防止するためには、IP等級65以上のシールが必要です。IP 定格の定義を参照して、さまざまなレベルを比較 してください。発注時に、スリップリングベンダーに環境に関する詳細を伝え ることが重要です。残念ながら、これは無視されがちな要素です。すべ てのスリップリングは、屋外や湿気の多い環境には適し ていません。

圧力補償

遠隔操作車両（ROV）は、水中（海水を含む。そのような乗り物に取り付けられるスリップリングには、流体充填と、内部と外部の圧力を等しくする圧力補償機構が必要です。定格圧力は、深海条件では690バールまたは10,000psi（水深6,850m）を超えることがあります。水中圧力は水深1,000mごとに101.5バール（1,473psi）増加する。つまり、海洋で最も深い地点（マリアナ海溝）（11,034m）では、圧力は1110バール（16,250psi）に達する。言い換えれば、20,000psiのFORJがあれば、海洋のどこにでも潜水することができるということだ。

最も単純な圧力補正器は、キャップ付きの短い弾性 チューブ（外部）をスリップリング本体に接続し、同じ流体 で満たしたものです。チューブ内の流体量は、必要な圧力によって決まります。大まかな経験則では、10,000 psi の圧力ごとに、総流体量の 10% 以上が必要となります。より高度な設計には、ダイヤフラム、ピストン、ブラ ダ、内部弾性チューブなどがあります。

防爆

石油、ガス、鉱業、および一部の軍事用応用 では、スリップリングなどのデバイスに防爆性が要求されます。要件は、ゾーン、製品グループ、防爆グループ、および 温度クラスに分かれています（下記参照）。

ゾーン：
爆発の可能性のある区域は、爆発性の雰囲気が存在する時間的、局所的な確率に従って、6つのゾーンに分けられる。可燃性ガス、ミスト、蒸気、可燃性粉塵は区別される。ガス、ミスト、蒸気は、ゾーン2、1、0の順に配置される。ゾーン22、21、20は、高い順に粉塵用である。

製品グループ：
グループはグループ I とグループ II に分かれている。グループIは「地下」採掘、グループIIはその他すべての応用 のガス・粉塵爆発防止を扱う。製品グループは、どのゾーンに機器を設置すべきかを決定する。今回も6つのカテゴリーがあります。カテゴリー1G、2G、3Gは、ガス爆発防止（G = ガス）のための分類であり、ゾーン0、1、2には1Gの機器、ゾーン1と2には2Gの機器、ゾーン2には3Gの機器が適しています。カテゴリー1D、2D、3Dは粉塵防爆（D = Dust）の分類で、ゾーン20、21、22では1Dの機器、ゾーン21、22では2Dの機器、ゾーン22では3Dの機器が適しています。

爆発グループ:
ガス、ミスト、蒸気用の防爆機器は、使用される保護タイプに応じて3つの爆発グループ（IIA-IIB-IICの順）に分けられます。爆発グループは、ガスの発火能力を測定する手段です。

温度クラス:
Exエリア内に設置される防爆機器は、6つの温度クラス（T1～T6（450℃、300℃、200℃、135℃、100℃、85℃の順））に分けられます。温度クラスは、どの表面エリアでも+40℃の周囲温度に対する機器の最大許容表面温度であり、いかなる時も超えてはならない。最高表面温度は、常に周囲の媒体の発火温度以下に保たれなければならない。

高地

通常、高地（低圧）では、ほとんどの標準的なス リップリングに問題は生じません。ただし、水銀コンタクトのような密閉型設計の場合、定格圧 力がある場合があります。メーカーに確認することをお勧めします。

高速

ほとんどのスリップリングは、数百 rpmで動作します。高速ロータ試験など、一部の応用 では、100,000 rpm という高速回転が必要です。そのためには、装置の寿命を大幅に犠牲にしなけ ればなりません。一般的な高速スリップリングの回転速度は、数千 rpm です。直径が小さいほど、ブラシとリングの接触部の線速 が低下するため、発熱や摩耗が少なくなります。ドラム型スリップリングのブラシブロックの中には、 対称でないものもあります。そのため、高速でステーターを回転させるのは限界を超えています。対称的なブラシブロックの設計であっても、数百rpm以上の高速回転では、完全にバランスが取れていない場合があります。

結論

スリップリングは、風力タービン、ロボット車両、砲塔、機械、レーダー、カメラ、セキュリティシステム、ウインチ、ヘリコプター、採掘機、石油掘削機、テザーエアロスタットにおいて重要な部品です。市場には、特定の技術的課題に対処するための膨大な数の製品がある。ほとんどはオーダーメイドで、いくつかは既製品の標準品である。ほとんどの工業国には、焦点を絞った技術や対象とする産業を持つ数多くのメーカーが存在する。スリップリングメーカーが最も集中している国/地 域は、次のとおりです：Princetel 。 ドラム型およびパンケーキ型スリップリングのスリップリングを提供しています。通常、お客様の性能要件、作業環境、寸法の制約、 予算、数量、および適合する光ファイバロータリジョイントに 基づいて選択されます。

参考文献

1: 非接触磁気スリップリングhttp://www.zyn.com/flcfw/fwtproj/Contactl.html
2：パンケーキ vs ドラム: http://www.ien.com/article/slip-ring-technologies/7636
3：爆発分類: http://www.schischek.com/fire-protection_classification.htm

最終更新日2011年10月30日