Übertragungsvorrichtung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von in wenigstens eine Wechselspannungskomponente zerlegbaren Signalen zwischen einem Rotor und einem Stator von einer Sendeeinheit auf einer Empfangseinheit mit Hilfe von Ringspulenpaaren, deren Spulenwindungen Teile der Sende- bzw. Empfangseinheit bilden und die unter induktiver Kopplung koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet sind.

[0002] In vielen technischen Aufgabenstellungen, beispielsweise bei dem Analysenverfahren unter Verwendung einer Ultrazentrifuge nach der DE-A-29 43 942 ist es erforderlich, elektrische Signale, die als analoge oder digitale Werte vorliegen, nach entsprechender Zwischenverstärkung von einem Rotor auf einen Stator zu übertragen und dort anzuzeigen oder weiterzuverarbeiten. In Gegenrichtung wird auch in manchen Fällen die Übertragung von Steuer- oder Schaltbefehlen durch elektrische Signale vom Stator auf den Rotor verlangt.

[0003] Bekannt ist die Verwendung von Schleifringanordnungen, die jedoch bei relativ geringen Spannungen der zu übertragenden Signale und insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors auf prinzipielle Schwierigkeiten stößt. Zum Stande der Technik gehören ferner die in der Elektroakustik bekannten verschiedenen magnetischen, elektrostatischen und Lichtabtastsysteme, mit denen die auf einem bewegbaren Träger z.B. einer Bildplatte gespeicherten Signale durch Abtastung auf eine feststehende Empfangseinheit übertragen werden.

[0004] Eine besondere Schwierigkeit bei der Signalübertragung liegt im allgemeinen dann vor, wenn mit dem Rotor ein oder mehrere Meßvorrichtungen rotieren, deren zeitlich veränderliche Meß- bzw. Ausgangswerte auf eine feststehende Empfangseinheit übertragen werden sollen.

[0005] In der DE-A-28 46 583 ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Meßsignalen über einen Übertrager von einer Rotor- auf eine Statorseite und zum Übertragen einer Versorgungsspannung über den gleichen Übertrager von der Stator- auf die Rotorseite beschrieben. Dies erfolgt dadurch, daß auf der Statorseite zum Erzeugen der Versorgungsspannung ein Leistungsoszillator mit niedriger Ausgangsimpedanz vorgesehen ist, der eine wesentlich höhere Frequenz als die frequenzmodulierten Meßsignale aufweist, wobei der Oszillator über einen Kondensator an den Übertrager gekoppelt ist, und bei dem zwischen dem Kondensator und der Übertragungsspule die Auskopplung der Meßsignale an einem unter den Übertragungsbedingungen hochohmigen Punkt erfolgt, wobei auf der Rotorseite eine Gleichrichteranordnung für die Versorgungsspannung und ein Signalerzeuger für die Meßsignale angeordnet ist und die Meßsignale in einem Punkt zwischen dem Gleichrichter und der Übertragungsspule einkoppelbar sind. Eine solche Doppelausnutzung der als Ringspulen ausgebildeten Teilspulen des Übertragers bereitet schaltungstechnische Schwierigkeiten.

[0006] Zum Stande der Technik gehört ferner eine Anordnung zur Temperaturmessung an umlaufenden Wellen aus der DE-A-958 600. Dabei sind zwei induktive Übertrager in Verbindung mit einer Brückenschaltung vorgesehen, in deren einen Zweig ein Widerstandsthermometer eingeschaltet ist. Die Brücke erhält ihre Speisespannung über das Ringspulensystem des einen Übertragers, während das andere Ringspulensystem eines weiteren Übertragers den Meßwert an das Anzeigeinstrument weitergibt.

[0007] Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß zwischen einem Rotor und einem Stator eine berührungslose Übertragung von Meßwerten und Energie in Verbindung mit einer drehzahlabhängigen Auswertung oder Weiterverarbeitung erreicht werden kann. Dabei soll insbesondere auch die Signalübertragung bei mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise oberhalb von 5000 U/min, rotierenden Rotoren ermöglicht werden.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist durch die Kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erläutert.

[0009] Die auf dem Rotor bzw. am Stator angeordnete Sende- bzw. Empfangseinheit kann dabei in verschiedener Weise ausgebildet sein. Im allgemeinen werden mit elektronischen Bauteilen bestückte Rotor- bzw. Statorplatinen verwendet.

[0010] Lassen sich auf dem Rotor zunächst nur relativ schwache elektrische Signale geringer Spannung bzw. von geringer Energie erzeugen, so besteht die Möglichkeit, einen Vorverstärker unmittelbar am Entstehungsort der Signale, beispielsweise in unmittelbarer Nähe einer Meßvorrichtung, auf der Rotorplatine anzuordnen und die bereits verstärkten Signale über die Sendeeinheit zur feststehenden Empfangseinheit zu übertragen.

[0011] Im einzelnen sind die verschiedensten Ausbildungen und Schaltungsmöglichkeiten für die Sende- und Empfangseinheit je nach der gegebenen Problemstellung möglich. Wesentlich in jedem Falle die Erzeugung eines die Spulenpaare verkettenden drehzahlunabhängigen magnetischen Flusses.

[0012] Die Übertragung von Signalen kann dabei sowohl vom Rotor auf den Stator, als auch umgekehrt erfolgen. Es ist ferner möglich, über mindestens ein Ringspulenpaar Signale zwischen relativ zueinander in Drehrichtung befindlichen Teilen zu übertragen. Die Übertragung kann in beiden Richtungen auch intermittierend ausgeführt werden.

[0013] In weiterer Ausbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, mindestens ein weiteres Ringspulenpaar zur Übertragung von Schalt- bzw. Steuersignalen vorzusehen, welche bei auf dem Rotor angeordneten Bauteilen Schaltvorgänge auslösen.

[0014] Eine zweckmäßige Ausführungsform der oben beschriebenen elementaren Vorrichtung kann darin bestehen, daß die Ringspulen den Ausnehmungen eines Teilkerns liegen, wobei der Abstand der beiden Teilkerne einen Luftspalt bildet. Eine solche Ausbildung ist an sich bei magnetischen Speichervorrichtungen durch die EP-A-0 133 802 bekannt. Die Teilkerne können vorteilhaft als zum Spalt hin einseitig offene Kreisscheibenkerne ausgebildet sein. Als Material für die Teilkerne lassen sich die verschiedensten in der Übertragertechnik bekannten Spulenkernmaterialien, z.B. Ferrite verwenden, wobei sich die Materialauswahl im wesentlichen nach den zu übertragenden Frequenzbereichen richtet.

[0015] Nach dem beschriebenen Grundprinzip lassen sich elektrische Signale, beispielsweise auf dem Rotor abgenommene Meßgrößen, bei entsprechender Vorverstärkung ab 4µV einwandfrei übertragen.

[0016] Im allgemeinen erscheint die Signalübertragung im Hochfrequenzbereich oberhalb von 30 kHz zweckmäßig. Die zu übertragenden elektrischen Signale können dabei vorteilhaft als Codierung bzw. als Modulation einer Trägerfrequenz übertragen werden. Dabei lassen sich beispielsweise Meßwerte als digitales Signal seriell mit einer Trägerfrequenz von ca. 200 kHz codiert und mit einem 8 bit Datencode mit Start- und Stoppbit und einem Paritätsprüfungsbit von der Rotorplatine auf die Statorplatine über die gekoppelten Ringspulen induktiv übertragen.

[0017] In der Statorplatine erfolgt eine Frequenzidentifikation, und es kann gegebenenfalls zweckmäßig eine Umwandlung der Signale in eine normierte computerlesbare Schnittstellencodierung erfolgen.

[0018] Eine zusätzliche Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß zwischen zwei benachbarten Ringspulen am Rotor bzw. Stator ein Abschirmring aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus gut leitfähigen metallenen Werkstoffen, z.B. aus Kupfer oder Aluminium angeordnet ist. Dadurch wird eine unerwünschte Signalübertragung zwischen den einzelnen Übertragungspfaden vermieden. Durch Zwischenschaltung eines Abgleichpotentiometers oder dergleichen läßt sich ein solcher Abschirmring über eine Veränderung der Dämpfung vorteilhaft zur Frequenzfeinabstimmung der Sende- bzw. Empfangseinheit benutzen (Mittenfrequenzabgleich des Trägers).

[0019] Durch die Merkmale der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Signalen bzw. Spannungen geschaffen, welche eine Darstellung bzw. Auswertung der auf dem Rotor vorgegebenen Meßwerte in Verknüpfung mit der Rotordrehzahl auch bei hohen Drehzahlen und raschen Signaländerungen ermöglicht.

[0020] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt, aus dem sich weitere Erfindungsmerkmale ergeben; es zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch eine Übertragungsvorrichtung,

Fig. 2

eine Draufsicht auf den als einseitig offener Kreisscheibenkern ausgebildeten Stator aus Fig. 1,

Fig. 3

ein Funktionsschema einer Übertragungsvorrichtung unter Benutzung der in Fig. 1 dargestellten Übertragungsvorrichtung.

[0021] In Figur 1 und 2 ist eine Übertragungsvorrichtung gezeigt, welche elektrische Signale zwischen einem Rotor und einem Stator und umgekehrt überträgt. Der Rotor enthält einen kreisscheibenförmigen Teilkern 1, welcher mit einer Drehlagerung 2 versehen ist und dessen Antrieb über in der Zeichnung nicht dargestellte Antriebselemente erfolgt. Koaxial zu dem drehbaren kreisscheibenförmigen Teilkern 1 ist ein weiterer kreisscheibenförmiger feststehender Teilkern 3 angeordnet. Die beiden Teilkerne 1 und 3 bestehen aus Ferrit.

[0022] Zwischen den Teilkernen 1 und 3 ist ein freier Luftspalt 4 (es wäre auch ein Vakuumspalt bzw. ein Flüssigkeitsspalt möglich!) von etwa 1 mm vorhanden. In den beiden Teilkernen 1,3 befinden sich ringförmige Nutenausnehmungen 5,7,9 und 11 sowie 6,8,10 und 12, in denen induktiv gekoppelte koaxiale Ringspulen 13,15,17 und 19 sowie 14,16,18 und 20 liegen.

[0023] Die Ringspulen des Rotors 13,15,17 und 19 sind wie angedeutet mit einer elektronische Schalt- bzw. Meßelemente enthaltenden Rotorplatine 21 verbunden.

[0024] Die Ringspulen des Stators 14,16,18 und 20 stehen mit entsprechenden ortsfesten Bauelementen 22,23,24,25 zur Signalanzeige bzw. Signalverarbeitung in Verbindung. Dabei kann es sich um beliebige Anordnungen zur digitalen oder analogen Signalverarbeitung und Anzeige handeln, die gegebenenfalls wenigstens teilweise in einer Statorplatine zusammengefaßt sind.

[0025] Zwischen den Ringspulen des Rotors 13,15,17,19 und des Stators 14,16,18,20 sind jeweils in das Material der Teilkerne 1,3 eingebettete Abschirmringe 26,27,28 und 29,30,31 eingelegt, welche als Kurzschlußringe dienen und ein unerwünschtes Übersprechen zwischen den einzelnen Systemen verhindern.

[0026] In Figur 3 ist ein Funktionsschema einer Meßeinrichtung dargestellt. Dabei dient das innerste Ringspulenpaar 13,14 zur Spannungsübertragung von einer Wechselspannungsquelle 32 des Stators auf eine Gleichrichtereinheit 33 des Rotors, welche die Betriebsspannung für eine Rotorplatine 21 liefert.

[0027] Ein weiteres Ringspulenpaar 15,16 ist zur Übertragung einer Hilfsspannung aus einer Wechselspannungsquelle 34, auf eine Gleichrichtereinheit 35 vorgesehen. Diese Hilfsspannung kann mit Hilfe eines Schalters 36 eingeschaltet werden.

[0028] Für die Übertragung der auf dem Rotor in einer Meßvorrichtung zu messenden Größen wird das Ringspulenpaar 17,18 benutzt. Die von einem beliebigen Meßgerät stammende Meßspannung U_M wird in der Rotorplatine 21 durch eine Verstärkerschaltung verstärkt und in dem A/D-Umsetzer 37 digitalisiert. Die digitalen gegebenenfalls einer Trägerfrequenz aufmodulierten Signale werden über das Ringspulenpaar 17,18 zur Empfängerplatine 38 übertragen.

[0029] Damit auf der Rotorplatine 21 entsprechende Schaltvorgange ausgelöst werden können, -beispielsweise kann eine Umschaltung des Verstärkungsgrades des Meßverstärkers zur Anpassung an unterschiedliche Meßbereiche zweckmäßig sein- ist ein zusätzliches Ringspulenpaar 19,20 zur Übertragung von Schaltbefehlen vorgesehen. Ein Drucktaster 39 gibt über ein Impulsgerät 40 einen Schaltimpuls in eine rotorseitige Schalteinrichtung 41, welche beispielsweise den Verstärkungsgrad des Meßverstärkers auf der Rotorplatine 21 stufenweise verändert.

[0030] Von der Statorplatine 38 werden die von der Rotorplatine 21 übertragenen Signale zur direkten Computerverarbeitung an einen Computer 42 weitergeleitet.

[0031] Zur Überwachung der Drehzahl des Rotors ist ein beispielsweise durch einen rotorseitigen Permanentmagneten betätigtes Sensorelement 43 vorgesehen, welches der Drehzahl entsprechende Signale in eine Anzeigeeinheit 44 eingibt. Die Anzeigeeinheit 44 steht mit der Statorplatine 38 in Verbindung und ermöglicht über einen angeschlossenen Plotter 45 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Meßspannung U_M in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl.

[0032] Die Vorrichtung aus dem oben angegebenen Ausführungsbeispiel wurde speziell für die Durchführung eines Analysenverfahrens nach DE-A-29 43 942 entwickelt.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Übertragung von in wenigstens eine Wechselspannungskomponente zerlegbaren Signalen zwischen einem Rotor hoher Drehzahl, oberhalb von 5000 U/min, und einem Stator,von einer Sendeeinheit auf eine Empfangseinheit mit Hilfe von Ringspulen, deren Spulenwindungen Teile der Sende- bzw. Empfangseinheit bilden und die unter induktiver Kopplung koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet sind, wobei zur Spannungsversorgung von Bauteilen auf dem Rotor mindestens ein Ringspulenpaar vorgesehen ist, und mit mindestens einem weiteren Ringspulenpaar für die Übertragung der auf dem Rotor mit einer Meßvorrichtung zu messenden Größen vom Rotor zum Stator, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspulen des zur Übertragung der auf dem Rotor mit einer Meßvorrichtung zu messenden Größen vorhandenen Ringspulenpaares (17,18) mindestens ein Ringspulenpaar (13,14; 15,16) zur Spannungsversorgung von Bauteilen auf dem Rotor umschließen, daß die Ringspulen (13 - 18) ferner in Ausnehmungen (5 - 10) von kreisscheibenförmigen Teilkernen (1,3) liegen, wobei der Abstand der beiden Teilkerne einen Spalt (4) zwischen Rotor und Stator bildet, daß zur Abtastung der Rotordrehzahl ein Sensorelement (43) vorgesehen ist, und daß eine Schalteinheit (44) vorhanden ist, mit deren Hilfe die mit der Rotordrehzahl verknüpften Meßwerte weiter verarbeitet bzw. angezeigt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Ringspulenpaar (19,20) zur Übertragung von Schalt- bzw. Steuersignalen vorgesehen ist, welches bei auf dem Rotor angeordneten Bauteilen (21) Schaltvorgänge auslöst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisscheibenförmigen Teilkerne (1,3) als zum Spalt (4) hin einseitig offen ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Ringspulen (z.B. 13,15) ein Abschirmring (26) aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschirmring (26) ein Abgleichpotentiometer zur Frequenzfeinabstimmung der Sende- bzw. Empfangseinheit zwischengeschaltet ist.

Claims

1. Apparatus for transmitting signals that can be broken down into at least one AC voltage component, between a high-speed rotor, above 5000 rpm, and a stator, from a sender unit to a receiver unit, with the help of annular coils, the coil windings of which form parts of the sender or receiver unit and which are arranged coaxially to the axis of rotation of the rotor and which are inductively coupled, at least one pair of annular coils being provided for supplying voltage to components on the rotor, and with at least one further pair of annular coils for transmitting the values to be measured on the rotor with a measuring apparatus from the rotor to the stator, characterised in that the annular coils of the pair of annular coils (17, 18) provided for transmitting the values to be measured on the rotor with a measuring apparatus include at least one pair of annular coils (13, 14; 15, 16) for supplying voltage to components on the rotor, that the annular coils (13-18) furthermore lie in recesses (5 - 10) of core elements (1, 3), in the form of annular disks, the distance between the two core elements forming a gap (4) between the rotor and the stator, that a sensor element (43) for sampling the rotor speed is provided, and that a switching unit (44) is provided, with the aid of which the measured values associated with the rotor speed are further processed and/or displayed.

2. Apparatus according to claim 1, characterised in that at least one further pair of annular coils (19, 20) is provided for transmitting switching and/or control signals, which triggers switching operations in components (21) arranged on the rotor.

3. Apparatus according to claim 1, characterised in that the core elements (1, 3), in the form of annular disks, are designed to be open on one side facing the gap (4).

4. Apparatus according to claim 1, characterised in that a shielding ring (26) made of an electrically conductive material is arranged between two adjacent annular coils (e.g. 13, 15).

5. Apparatus according to claim 4, characterised in that a balancing potentiometer for fine-tuning the frequency of the sender or receiver unit is interposed in the shielding ring (26).

Revendications

1. Dispositif de transmission de signaux décomposables en une composante de tension alternative, au moins, entre un rotor d'une vitesse de rotation élevée, au-delà de 5000 t/min, et un stator, d'une unité d'émission à une unité de réception à l'aide de bobines toroïdales, dont les spires font partie de l'unité d'émission et/ou de réception, et qui sont disposées d'une manière coaxiale par rapport à l'axe de rotation du rotor, avec un couplage inductif, une paire de bobines toroïdales au moins étant prévue pour l'alimentation en tension de composants sur le rotor, et avec une autre paire de bobines toroïdales au moins pour la transmission des grandeurs, à mesurer sur le rotor à l'aide d'un dispositif de mesure, du rotor au stator, caractérisé en ce que les bobines toroïdales de la paire de bobines (17, 18), disponibles pour la transmission des grandeurs à mesurer sur le rotor par un dispositif de mesure, enveloppent une paire de bobines toroïdales (13, 14; 15, 16), au moins, pour l'alimentation en tension de composants sur le rotor, en ce que les bobines toroïdales (13 - 18) se situent dans des évidements (5 - 10) de noyaux partiels (1, 3) en forme de disque de cercle, l'écartement des deux noyaux partiels formant un entrefer (4) entre le rotor et le stator, en ce qu'un élément de capteur (43) est prévu pour la lecture de la vitesse de rotation du rotor, et en ce qu'une unité de couplage (44), prévue, permet de traiter et/ou d'afficher les valeurs de mesure combinées à la vitesse de rotation du rotor.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par une autre paire de bobines toroïdales (19, 20), au moins, pour la transmission de signaux de commutation et/ou de commande, qui déclenche des opérations de couplage pour les composants (21) disposés sur le rotor.

3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les noyaux partiels (1, 3), en forme de disque de cercle, présentent une ouverture d'un côté en direction de l'entrefer (4).

4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une bague antiparasite (26) en matériau électriquement conducteur est disposée entre des bobines toroïdales adjacentes (13, 15, par exemple).

5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par l'interposition, dans la bague antiparasite (26), d'un potentiomètre d'équilibrage pour l'accord fin des fréquences de l'unité d'émission et/ou de réception.

Zeichnung