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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Schleifkontaktanordnung zur Übertragung
elektrischer Signale mittels Schleifkontakten zwischen gegeneinander
beweglichen Teilen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1
(
JP 2001023748 A ).
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Derartige Übertragungssysteme
werden bevorzugt in linearer Ausführung oder für rotierende Systeme
in zylindrischer Ausführung
eingesetzt. Auf einer Schleifbahn aus elektrisch leitfähigem Material schleift
ein Schleifkontakt oder mehrere Schleifkontakte aus einem ebenfalls
elektrisch leitfähigen
Material. Durch den galvanischen Kontakt zwischen Schleifbahnen
und Kontakt kann elektrischer Strom übertragen werden.
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Derartige
Datenübertragungssysteme
werden beispielsweise in einer linearen Ausführung in Krananlagen oder anderen
Fördersystemen
zur Übertragung
zwischen dem beweglichen Kran und einer stationären Steuereinheit eingesetzt.
Ein anderes Anwendungsgebiet Schleifkontakten in einer kreisförmigen Ausführung ist
die Übertragung
zwischen gegeneinander drehbaren Teilen wie beispielsweise in einen
Computertomographen zwischen dem Rotor, welcher die Röntgenröhre und
den Detektor trägt,
und einer stationären
Auswerteeinheit, welche die Bilddaten verarbeitet und anzeigt.
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Bei
dem Stand der Technik entsprechenden Schleifkontakten wird insbesondere
bei kleinen Bauformen ein Schleifkontakt auf metallischer Basis,
beispielsweise als Draht oder dünnes
Blech eingesetzt.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 49 101 A1 ist ein Stromschienensystem
beschrieben, bei dem der Stromabgriff durch Schleifkontakte, welche
es sowohl lateral als auch rotatorisch beweglich sind. Dieses Stromschienensystem
ist zum Aufbau von Beleuchtungseinrichtungen vorgesehen. Derartige
Beleuchtungseinrichtungen werden in der Regel nur mit Gleichstrom
oder Wechselstrom der Netzfrequenz betrieben. Weiterhin werden die
Beleuchtungskörper
i. d. R. an stationären
Positionen betrieben und nicht mit hohen Geschwindigkeiten bewegt. Die
Kontakte sind daher nur als einfache Federelemente mit einer Sicke
am Ende zur Kontaktierung ausgebildet.
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In
der
JP 2001023748
A ist eine Schleifkontaktanordnung mit mehreren unterschiedlichen
Blattfedern offenbart.
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Eine
Schleifkontaktanordnung, welche für eine kontinuierliche Bewegung
und hohe Lebensdauer ausgelegt ist, ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 17 796 A1 offenbart.
Hierin sind die Schleifkontakte als Kontaktfedern, vorzugsweise
als Drähte
ausgebildet, welche tangential an der Schleifbahn anliegen. Um eine
hohe Übertragungsqualität und eine
hohe Lebensdauer zu erreichen wird durch geeignete Bewegung zwischen
Kontaktfeder und Schleifbahn der Kontaktpunkt laufend verschoben.
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Derartige
mechanische Kontaktsysteme sind zur Übertragung von Gleichstrom
bzw. niederfrequentem Wechselstrom gut geeignet. Allerdings treten
bei der Übertragung
hochfrequenter Signale Probleme auf.
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Diesen
Problemen liegen insbesondere zwei Störgrößen zugrunde. So tritt insbesondere
bei hohen mechanischen Geschwindigkeiten ein nicht mehr zu vernachlässigendes
Kontaktrauschen sowie Kontaktunterbrechungen auf. Diese führen zu
Verzerrungen bzw. Störungen
in den Signalen. Um Kontaktunterbrechungen zu reduzieren werden
oft mehrere Schleifkontakte parallel geschaltet. Solche Anordnungen
sind auch in der
DE
198 17 796 A1 offenbart. Allerdings ist mit derartigen
Kontakten keine Reflexionsfreie Einkopplung mehr möglich, da
das Signal an verschiedenen Punkten eingekoppelt wird und sich auf
verschiedenen Wegen der Schleifbahnen ausbreiten kann. Dies führt zu einer Überlagerung verschiedener
Zeit- bzw. Phasenverschobener Signale.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße mechanische
Kontaktsysteme derart weiterzubilden, dass der Schleifkontakt auch
bei hohen Geschwindigkeiten der Bahn folgt.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Vorrichtung umfasst mindestens eine Schleifbahn und mindestens einen
darauf in mechanischem und galvanischem Kontakt gleitenden Schleifkontakt.
Ein derartiger Schleifkontakt umfasst mindestens zwei mechanisch
parallel miteinander gekoppelte Federelemente.
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Es
weisen die üblicherweise
verwendeten Federmaterialien in Verbindung mit den Massen der Federn
bzw. Kontakte bestimmte mechanische Resonanzfrequenzen auf, auf
denen bei entsprechender Anregung starke mechanische Schwingungen auftreten
können.
Dies kann beispielsweise bei Vibrationen, denen das gesamte Übertragungssystem ausgesetzt
ist, bei einzelnen Stößen, oder
auch bei Drehzahlen im Falle eines Drehübertragers, die einer solchen
Resonanzfrequenz entsprechen, der Fall sein. Die mechanischen Schwingungseigenschaften der
Schleifkontakte werden überwiegend
durch die Federkonstante, die Masse des Kontakts und eine eventuelle
Bedämpfung
bestimmt. Um nun einen Schleifkontakt derart zu gestalten, dass
er auch bei hohen Geschwindigkeiten der Bahn folgt, muss seine Masse
so klein wie möglich
gehalten werden. Es verbietet sich also hier eine zusätzliche
Masse am Schleifkontakt anzubringen, da dann der Schleifkontakt
schnellen Auslegungen der Schleifbahn nicht mehr folgen kann. Somit
verbleiben zur Optimierung der Schwingungseigenschaften nur die
Federkonstante und eine Bedämpfung.
Durch die Kombination mehrerer Federn mit gleichen oder unterschiedlichen Federkonstanten
lassen sich flachere Verläufe
der Resonanzfrequenzen ausbilden. Dies bedeutet, dass zwar in einem
breiteren Frequenzbereich eine Resonanz möglich ist, die Güte dieser
Resonanz aber geringer ist. Bei geringerer Güte der Resonanz wird auch die
Schwin gungsamplitude geringer. Dadurch können auch die Störungen reduziert
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Ausgestaltung mit einer mechanischen Kopplung
zwischen den Federelementen, welche eine vorbestimmte Dämpfung aufweist.
Durch diese Dämpfung
können
die Amplituden mechanische Schwingungen der Schleifkontakte weiter
reduziert werden. Diese Dämpfung
kann auf einfache Weise durch einen Reibschluss zwischen den Federelementen
erreicht werden. Die Höhe
des Reibungskoeffizienten bestimmt die Dämpfung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur
mechanischen Kopplung der Federelemente ein Dämpfungselement, vorzugsweise aus
Gummi oder einem Gummiähnlichen
Material vorgesehen. Gerade mit Gummiähnlichen Materialien können bei
kleiner Bauformen und mit geringer Masse hohe Dämpfungen erreicht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, dass
mindestens zwei der mechanisch miteinander gekoppelten Federelemente
an unterschiedlichen Punkten einer Haltevorrichtung des Schleifkontakts
aufgehängt
sind. Durch eine solche Aufhängung
an mehreren Punkten lässt
sich eine besonders große
Federkonstante in einer Vorzugrichtung parallel zu einer Achse,
welche durch zwei Punkte einer Aufhängung verläuft, erreichen. Ebenso lässt sich
dieser Achse durch entsprechende Anordnung eines Dämpfungsmaterials
eine besonders hohe Dämpfung
erreichen.
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Ein
einfacher Schleifkontakt aus einem typischerweise eingesetzten runden
Goldfederdraht weist in alle Richtungen die gleiche Federkonstante auf.
Welche Auswirkungen eine zusätzliche
Abstützung
im Falle eines Drehübertragers
hat, soll folgendes Beispiel zeigen:
Durch eine zusätzliche
Abstützung
mittels eines zweiten Goldfederdrahtes, welcher an einem Punkt einer
Aufhängung
liegt, der auf einer parallel zur Drehachse der Schleifbahn verlaufenden
Achse liegt, bleibt die Federkonstante in radialer Richtung der Schleifbahn
unverändert,
während
sich in Richtung der Drehachse der Schleifbahn eine sehr hohe Federkonstante
ergibt. Damit ergibt sich eine sehr steife Abstützung für seitliche Auslenkungen des
Schleifkontakts.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens
zwei Schleifkontakte an einer Schleifbahn angeordnet. Durch eine
solche Anordnung mehrerer Schleifkontakte kann die Strombelastung
einzelner Schleifkontakte verringert werden. Ebenso kann durch Parallelschaltung
das Kontaktrauschen reduziert werden. Durch eine höhere Anzahl
von Kontakten kann der Effekt entsprechend erhöht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Schleifkontakte
mit unterschiedlichen Federelementen vorgesehen. Dadurch besitzen
die einzelnen Schleifkontakte unterschiedliche Schwingungseigenschaften.
So kann dann bei einer äußeren Anregung,
welche einen der Kontakte zu einer mechanischen Schwingung und damit
zu einer Unterbrechung des Stromfluss veranlasst, ein weiterer Kontakt
mit anderen Schwingungseigenschaf ten, welcher zu keine Schwingung
angeregt wird, den Stromfluss aufrechterhalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schleifkontakte
unmittelbar parallel geschaltet. Grundsätzlich sind auch Anordnungen
sinnvoll, bei denen mehrere Schleifkontakte an einer Schleifbahn
betrieben werden und jeder dieser Schleifkontakte weiteren Schaltungskomponenten,
wie beispielsweise Stromversorgungen zugeordnet ist. Das höchste Maß an Störunterdrückung und
Redundanz ergibt sich jedoch bei unmittelbarer Parallelschaltung der
Schleifkontakte. Dadurch wird das Kontaktrauschen reduziert und
im Falle von Unterbrechungen tritt eine vollständige Unterbrechung des Stromflusses
nur in dem seltenen Fall auf, in dem alle Schleifkontakte gleichzeitig
den Kontakte zur Schleifbahn verloren haben. Werden die Schleifkontakte
vorzugsweise in unterschiedlichen Richtungen bzw. an unterschiedlichen
Positionen der Schleifbahnen angeordnet, so wird die Wahrscheinlichkeit
der gleichzeitigen Unterbrechung aller Schleifkontakte weiterhin
reduziert. Dies trifft insbesondere bei Drehübertragern zu, da diese rotationssymmetrisch
sind. Ein Stoß in
einer Achse wird kaum zu einer Unterbrechung von Kontakte senkrecht
oder schräg
zu dieser Achse führen.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mehrere Schleifbahnen mit zugeordneten Schleifkontakten zu einer
Einheit zusammengefasst sind. Auch diese können vorteilhafter Weise zur
Reduzierung der Kontaktstörungen
parallel geschaltet werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mindestens einem ersten Schleifkontakt mindestens ein zweiter Schleifkontakt zugeordnet
ist. Beide Schleifkontakte sind an einem Verbindungspunkt zur elektrischen
Verbindung, der sich vorzugsweise an der Aufnahme der Schleifkontakte
befindet, parallel geschaltet. Die Länge der Verbindungen zwischen
Kontaktfedern und dem Verbindungspunkt sind derart gestaltet, dass
die elektrischen Weglängen
zwischen Verbindungspunkt und Kontaktpunkt einer jeden Kontaktfeder
mit der Schleifbahn gleich lang sind. Der Begriff der elektrischen
Weglängen
bezieht sich hier auf die Laufzeit der Signale. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit
einer elektromagnetischen Welle eine Funktion der dielektrischen
Eigenschaften des Umfelds eines Leiters ist, muss dies mit berücksichtigt
werden. Wesentlich für
die Funktion der Erfindung ist, dass die Signale Phasengleich in
die Schleifbahn eingespeist werden.
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Um
weiterhin die Übertragungsqualität zu verbessern
sieht eine Ausgestaltung der Erfindung einen Abstand der Kontaktpunkte
parallel geschalteter Schleifkontakte mit der Schleifbahn kleiner
als eine Wellenlänge
des übertragenen
Signals vor.
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Besonders
vorteilhaft ist es, den Abstand der Kontaktpunkte auf kleiner 1/10
der Wellenlänge
des übertragenen
Signals zu verringern, so dass die Phasenfehler in den überlagerten
Signalen auf der Schleifbahn nahezu vernachlässigbar sind.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt
beispielhaft eine Ausführungsform
mit zwei parallel angeordneten Schleifkontakten.
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3 zeigt
beispielhaft eine Ausführungsform
mit zwei S-förmig
gebogenen Schleifkontakten.
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4 zeigt
beispielhaft eine Ausführungsform
mit zwei C-förmig
gebogenen Schleifkontakten.
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft
abgebildet. Eine Schleifkontaktanordnung umfasst hier beispielhaft
eine Schleifbahn (1), über
der sich ein Schleifkontakt (2) bewegt. Die Schleifbahn
selbst kann jede beliebige gerade oder auch Kurvenförmige bzw.
gekrümmte
Bahn haben. Durch geeignete Führungen
wird sichergestellt, dass der Schleifkontakt dem Verlauf der Schleifbahn folgen
kann. Selbstverständlich
sind auch mehrere Schleifkontakte bzw. mehrere Schleifbahnen einsetzbar.
Der Schleifkontakt weist mehrere (mindestens zwei) mechanisch miteinander
gekoppelte Federelemente (3a, 3b, 3c)
auf. Diese sind beispielhaft durch ein Verbindungselement (5)
miteinander verbunden. Ein solches Verbindungselement kann beispielsweise
ein zusätzliches
mechanisches Bauteil wie eine Hülse
oder aber auch eine Verbindung wie eine Lötstelle oder eine Punktschweissung
sein.
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2 zeigt
eine Anordnung, bei der parallel zur ersten Kontaktfeder (2a)
eine zweite Kontaktfeder (2b) angeordnet ist. Beide Kontaktfedern
werden vorzugsweise derart gespeist, das die elektrischen Signale
am Kontaktpunkt mit der Schleifbahn phasengleich sind.
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In 3 ist
eine Anordnung mit zwei gegenläufig
angeordneten Kontaktfedern (2a, 2b), welche S-förmig gebogen
sind dargestellt. Gegenläufige Kontaktfedern
bieten insbesondere bei wechselnden Drehrichtungen gleichförmige Kontaktierungseigenschaften.
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Eine ähnliche
Ausgestaltung, jedoch mit C-förmig
gebogenen Kontaktfedern ist in 4 dargestellt.
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- 1
- Schleifbahn
- 2
- Schleifkontakt
- 3a
- Federelement
- 3b
- Federelement
- 3c
- Federelement
- 4
- Haltevorrichtung
- 5
- Verbindungselement