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Wenn die Verbindung auch bei Drehung bestehen bleibt: Kombinationen aus Glasfaser und elektrischen Schleifringen vereinen Gas, Strom, Flüssigkeit und optische Signale in ein und derselben rotierenden Welle

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Unterbrechungsfreie Verbindung während der Drehung | Kombinierter faseroptischer und elektrischer Schleifring, koaxiale Integration von Gas-, Strom-, Fluid- und optischen Signalen

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Kurzmeldung: In Radardrehscheiben, ROV-Triebwerken, medizinischen CT-Scannern und Schwenkplattformen von Baumaschinen gibt es eine unscheinbare Komponente, die darüber entscheidet, ob die gesamte Maschine „während der Drehung Signale übertragen“ kann – den Schleifring. Früher diente er lediglich der Stromübertragung; später kamen Encoder und Ethernet hinzu; heute entwickelt sich die Glasfasertechnik zu einem der zentralen Übertragungskanäle in hochwertigen elektrooptischen Hybrid-Schleifringen. In dieser Ausgabe schauen wir genauer hin: Mit genau wie vielen Arten elektrischer Signale kann ein Glasfaser-Schleifring „zusammenarbeiten“, und wie weit reicht die All-in-One-Integration von „Gas + Strom + Flüssigkeit + Optik“ heute?

I. Warum Glasfaser-Schleifringe im Rampenlicht stehen
Herkömmliche elektrische Schleifringe nutzen Metallbürsten, die über Kupferringe gleiten, um Strom und Signale zu übertragen, haben jedoch mit drei Problemen zu kämpfen:
•Hochgeschwindigkeitsdaten:​ Gigabit-Ethernet, hochauflösendes Video, Radarechos, Camera Link;
•Große Entfernungen:​ Backhaul-Verbindungen über Dutzende bis Tausende von Metern, bei denen die Dämpfung elektrischer Signale unzumutbar wird;
• Starke elektromagnetische Störungen:​ In der Nähe von Frequenzumrichtern, Motoren und Schweißgeräten wirken Kupferdrähte wie Antennen.
Glasfaser-Drehkupplungen (FORJ) nutzen Licht anstelle von Elektrizität zur Datenübertragung. Sie bieten von Natur aus eine hohe Bandbreite, geringe Verluste, EMI-Resistenz und unterstützen die Umschaltung zwischen Singlemode und Multimode. Daher besteht ein gängiger Ansatz bei High-End-Geräten darin, „den elektrischen Schleifring für die Stromversorgung und Signale mit niedriger Geschwindigkeit zu nutzen, während der faseroptische Schleifring die Hochgeschwindigkeitsdaten übernimmt“, wobei beide Systeme auf derselben rotierenden Welle angeordnet sind.

II. Mit welchen „elektrischen Signalen“ lassen sich Glasfasern kombinieren? Eine kurze Übersicht
1. Stromversorgung (der grundlegendste Partner)
•2 A / 5 A / 10 A / 20 A Signal- und Stromringe
•Hochspannung, Hochstrom bis zu 3300 V / 720 A (Thruster-Klasse)
•Niederspannungs-Steuer- und Servostromversorgung mit 24 V / 220 V / 480 V
Typische Kombination: N Glasfaserkanäle + mehrere Stromkanäle, wodurch ein Drehteller einen Pod während der Drehung mit Strom versorgen kann.
2. Industrielles Ethernet und Daten
•100-Mbit-Ethernet (100BaseT)
•Gigabit-Ethernet (1000BaseT)
•Industrielles Ethernet: PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus/TCP
•USB 2.0 / USB 3.0
Glasfaser bildet das „Hochgeschwindigkeits-Backbone“, während elektrische Ringe den „Steuerbefehlskreis“ ergänzen.
3. Feldbusse und serielle Schnittstellen
•RS232 / RS422 / RS485
•CAN / CANopen / CANbus
•ProfibusDP
•DeviceNet / ControlNet / CCLink
•InterBus, Modbus RTU
Wird häufig für Servoantriebe, SPS-Remote-I/O und Encoder-Rückmeldungen verwendet.
4. Servo-/Encoder-/Sensorsignale
•Servo-Encoder-Kabel (kompatibel mit Servosystemen von Yaskawa / Panasonic / Siemens)
•Resolver-Signale, Erregungssignale
•Thermoelemente, Widerstandsthermometer (PT100)
•4–20 mA / 0–10 V analog
•Temperatur-, Druck- und Wägezellen-Sensoren
•SSI, BISS, TTL, SPI, I²C, UART, 1553B, 1394B
Elektrooptische Schleifringe sind häufig als „1–36 Glasfaserkanäle + Dutzende elektrischer Schwachstromkanäle“ konfiguriert.
5. Video / Audio / Hochfrequenz
•CVBS / AHD / CVI / TVI – analog, hochauflösend
•HD-SDI / 3GSDI
•HDMI (19-polig), VGA (9-polig)
•Koaxiale HF-, Mikrowellen- und HF-Drehkupplungen (können separat eingebaut werden)
Üblich in elektrooptischen Modulen, bei Drehscheibenüberwachung und in Übertragungswagen.
6. Sonderoptionen
•Singlemode / Multimode verfügbar (FC / SC / ST / LC / APC)
•Wellenlängenmultiplex, Mehrkanal-Glasfaser (Produkte mit bis zu 120 Kanälen sind bekannt)
•Gold-auf-Gold-Kontakte, IP65–IP68, Edelstahlgehäuse, explosionsgeschütztes Gehäuse

III. „Gas + Strom + Flüssigkeit + Optik“ All-in-One: Die ultimative Lego-ähnliche Form von Schleifringen
„Optik + Elektrik“ allein ist nichts Neues mehr; die eigentliche Herausforderung besteht darin, auch „Gas- und Flüssigkeitswege“ zu kombinieren, ohne dass es zu einer Kreuzkontamination der Medien kommt.
Liste der integrierbaren Medien
Medientyp Übliche Inhalte Anmerkungen
Elektrisch​ Strom + Signal + Ethernet + Bus Hoch-/Niederspannungsmodule, galvanisch getrennt
Optisch​ Singlemode-/Multimode-Faser, HF-Faser Erweiterbar von 1 auf 120 Kanäle
Gas​ Druckluft, Stickstoff, Vakuum, Wasserdampf Vakuumleitungen zählen als ein Kanal
Flüssigkeit​ Hydrauliköl, Kühlmittel, Wasser, Schmieröl, Heißöl, Reinigungsflüssigkeit Druckgrenze hängt von der Dichtungsstufe ab
Hochfrequenz​ HF, Mikrowelle, SDI-Drehdurchführungen Oft wird zwischen Glasfaser und anderen Medien gewählt oder beides wird gemeinsam verwendet
Typische All-in-One-Konstruktionen
•Gestapelte Bauweise:​ Elektrischer Schleifring + Glasfaserring + pneumatischer/hydraulischer Rotor, in Abschnitten gestapelt für eine einfache modulare Wartung
•Koaxial verschachtelt:​ Zentrale Durchgangsbohrung für die Welle, pneumatische/hydraulische Anschlüsse am Umfang verteilt
•Getrennte Bauweise:​ Glasfaser-Drehdurchführung (FORJ) physisch getrennt, jedoch koaxial zum elektrischen Schleifring
•Durchgangsbohrung mit großem Durchmesser:​ Innendurchmesser 500–1000 mm, geeignet für die Verlegung von Kabeln und Rohren (Top-Drives, Winden)

IV. Typische Anwendungsszenarien
•Meeresingenieurwesen / ROV / Triebwerke:​ 3300 V + 720 A Stromversorgung + 6-Kanal-Glasfaser + 100 M Ethernet + 10-Kanal-Gas/Flüssigkeit, IP68 + 316L-Gehäuse
•Militärradar / elektrooptischer Pod:​ Gigabit-Ethernet + HDSDI + Servo-Encoder + Singlemode-Glasfaser, Umweltprüfung nach GJB150A
•Medizinische CT / Operationsarm:​ Niedrige Geschwindigkeit, hohe Kanalanzahl, elektrische + optische + Encoder-Signale, rauscharme Edelmetallkontakte
•Schwenkvorrichtung für Baumaschinen:​ Stromversorgung 20 A × N + Steuerventilsignale + Druckluft zum Entstauben + Glasfaservideo
•Verpackungs- / Druck- / Halbleiter-Drehteller:​ Ethernet + Bus + Servo + Gasleitung für Vakuum-Saugdüse
•Öl-Top-Drive / Coiled Tubing:​ Hohe Stromstärken + Hydraulik + Glasfaser + Hochfrequenz, vibrations- und salzsprühbeständig

V. Zusammenfassung: Schleifringe entwickeln sich von „Komponenten“ zu „rotierenden Endsystemen“
Frühe Schleifringe = leitfähige Ringe;
Später = leitfähig + Encoder;
Heutige High-End-Ausführung = optisch (FORJ) + elektrisch (Leistung/Bus/Gigabit) + Gas + Flüssigkeit + Hochfrequenz, gestapelt und integriert entsprechend den Betriebsbedingungen des Drehtellers.
Für Gerätehersteller geht die Bedeutung über den „Verzicht auf Kabel“ hinaus; sie bedeutet:
•Zentralisierte und kontrollierbare Fehlerquellen am Wellenende
•Höhere Gesamt-Schutzart
•Geringere Verkabelungskosten bei großen Systemen
•In Anwendungsbereichen wie Tiefsee, Militär und Medizintechnik sind inländische Alternativen mittlerweile wettbewerbsfähig