DE19627628B4

DE19627628B4 - Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen relativ zueinander bewegliche Teilen unter Zuhilfenahme einer induktiven Komponente zur Reduzierung von Störungen

Info

Publication number: DE19627628B4
Application number: DE1996127628
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Lohr
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: DE19627628A1

Abstract

Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen, mit mindestens zwei der Trajektorie der Bewegung angepaßten elektrischen Leitern mit jeweils einer, einen Strompfad aufweisenden Zuleitung, die auf einem ersten Teil vorgesehen sind, und mit weiteren Teilen, die mit den Leitern des ersten Teils in galvanischem, kapazitivem und/oder induktivem Kontakt stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
– an beliebiger Stelle im Strompfad der Zuleitung für die elektrischen Leiter oder unmittelbar vor der Last eine induktive Komponente angeordnet ist, sodass
– alle zu einem Signal und/oder Energiepfad (Kanal) gehörenden Leiter mittels der induktiven Komponente miteinander verkoppelt sind, und sich durch die Verkopplung die Magnetfelder aller hin- und rücklaufenden Ströme eines jeden Signal- und/oder Energiepfades im Falle gleich hoher hin- und rücklaufender Ströme in der induktiven Komponente gegenseitig aufheben und im Falle ungleich hoher Ströme die induktive Komponente eine Induktivität darstellt,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen bewegten Teilen, die entlang einer beliebigen Trajektorie angeordnet sein können und miteinander in galvanischem oder zumindest kapazitiven bzw. induktivem Kontakt stehen.

Elektrische Signale bzw. elektrische Energie muß häufig zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen übertragen werden. Ein gängiges Verfahren dazu stellen Schleifbahnen und Schleifringe dar. Hier wird das Signal bzw. die Energie welche auf einem linearen oder auch kreisförmig angeordneten Leiter zugeführt wird, mittels eines beweglichen Abgriffes abgeleitet. Derartige Abgriffe können aus Kontaktfedern oder auch Kohlen bestehen, die einen guten galvanischen Kontakt ermöglichen.

Ebenso ist es möglich, wie in der deutschen Patentanmeldung P 28 45 438 beschrieben, Signale bzw. Energie kapazitiv bzw. induktiv zu übertragen. In den nachstehenden Ausführungen wird der Klarheit halber anstelle der Begriffe "Signale bzw. Energie" nur noch auf den Begriff Signal bzw. Signalübertragung Bezug genommen. Weiterhin bezieht sich der Begriff Kanal auf einen kompletten Signalkanal, der in der Lage ist eine Information gleichzeitig zu übertragen und damit zumindest aus einem Hinleiter und einem Rückleiter besteht. Mehrere Kanäle können durchaus einen gemeinsamen Rückleiter besitzen. Wesentlich ist, daß ein Stromfluß zwischen der Signalquelle und der Last bzw. Signalsenke zustande kommt. Der Begriff Schirmweg bezieht sich hier auch auf Masseweg.

Bei der Signalübertragung spielt das Übersprechen zwischen den verschiedenen Kanälen eine wichtige Rolle. So wird gerade in der Meß- und Nachrichtentechnik häufig eine hohe Übersprechdämpfung zwischen den einzelnen Signalen gefordert. Eine hohe Übersprechdämpfung läßt sich bei der oben beschriebenen Anordnung nur schwer erreichen. So werden Schirmwege (Schirmbahnen) zwischen den Signalbahnen eingeführt. Damit kann aber in der Regel keine vollständige Umschließung der Bahnen erreicht werden, da diese noch für den beweglichen Abgriff zugänglich sein müssen. Somit verbleibt immer eine kapazitive Komponente zwischen den Signalwegen. Aufgrund des undefinierten Strompfades in solchen Anordnungen ist es zudem kaum möglich, Geometrien zu finden, die auch die magnetische Verkopplung zwischen den Signalwegen optimiert.

Durch diese Unzulänglichkeit sind Schleifringe bzw. Schleifbahnen bezüglich des Übersprechens und der Abstrahlung hochfrequenter Energie kritische Bauteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale und/oder Energie zwischen bewegten Teilen zu schaffen, die entlang einer beliebigen Trajektorie angeordnet sein können und miteinander in galvanischem oder zumindest kapazitivem bzw. induktivem Kontakt stehen, derart weiterzubilden, daß eine hohe Übersprechdämpfung erreicht wird.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß des Anspruchs 1 derart ausgebildet, daß in die Zuleitung an beliebiger Stelle eine induktive Komponente angeordnet ist. Diese induktive Komponente verkoppelt alle zu einem Kanal gehörigen Leiter magnetisch miteinander, so daß die Magnetfelder der durch diese Leiter hinfließenden Ströme entgegengesetzt zu den Magnetfeldern der zurückfließenden Ströme verläuft. Damit geht im Idealfall ohne Übersprechen, wenn die Summe der hin- und rückfließenden Ströme gegen Null geht, auch der magnetische Fluß des verkoppelten Feldes gegen Null.
Im Falle eines Übersprechens würde ein Teil des hinfließenden Stromes einen anderen Weg zurück zur Signalquelle nehmen. Damit würden sich die verkoppelten Magnetfelder der Leiter nicht mehr gegenseitig aufheben, denn der rückfließende Strom ist z.B. kleiner als der hinfließende Strom. Damit besitzt die induktive Komponente eine hohe Induktivität und damit eine hohe Impedanz für Signalanteile mit Frequenzen größer als Null. Diese würde für den Strom einen Widerstand darstellen. Daher bevorzugt der Strom den Weg durch die induktive Komponente derart, daß sich die Magnetfelder aufheben und die Impedanz wieder gegen Null geht.
Die Funktionsweise soll nachstehend am Beispiel einer einfachen, abgeschlossenen Koaxialleitung erläutert werden. Selbstverständlich funktioniert das Prinzip auch bei symmetrischen Leitungen oder auch bei Leitungssystemen mit mehreren Leitern. Das Kabel stelle hier selbst die induktive Komponente dar und sei um einen Kern aus ferromagnetischen Material gewickelt. Zunächst wird angenommen, daß ideale Verhältnisse ohne Übersprechen benachbarter Kanäle vorliegen. Dies bedeutet, daß der durch den Innenleiter hinfließende Strom ein Magnetfeld erzeugt und der durch den Außenleiter zurückfließende Strom ebenfalls ein Magnetfeld gleicher Feldstärke, jedoch umgekehrter Polarität erzeugt. Von außen betrachtet heben sich hier die beiden Felder gegenseitig auf. Dadurch besitzt das Koaxialkabel nach außen keine Induktivität und ist beliebig breitbandig. Fließt nun aufgrund einer kapazitiven bzw. induktiven Verkopplung ein Teil des Stromes aus dem Innenleiter über den Schirm eines benachbarten Weges zurück (Übersprechen), so heben sich nun die Magnetfelder des hinfließenden Stromes und des zurückfließenden Stromes in der Koaxialleitung nicht mehr auf, da nun der zurückfließende Strom etwas kleiner ist. Das Kabel würde in diesem Fall eine hohe Induktivität besitzen. Da dieser Fall für einen Wechselstrom einen erhöhten Widerstand darstellen würde, fließt dieser oder zumindest ein nennenswerter Anteil, wieder über den Schirm des ersten Koaxialkabels zurück.
Je höher die Induktivität ist, um so geringer ist im Falle eines möglichen Übersprechens die Differenz zwischen hin- und rückfließendem Strom und um so geringer ist das Übersprechen.
Durch die beschriebene Maßnahme wird das Signal selbst nicht beeinflußt, es wird lediglich das Übersprechen und die Abgabe hochfrequenter Energie nach außen verringert.
Messungen haben ergeben, daß sich mit einer solchen Anordnung die Schirmdämpfung eines Schleifringübertragers mit 100 mm Durchmesser von ca. 40 dB auf ca. 60 dB erhöhen läßt. Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auch Übertragungsstrecken mit hoher Übersprechdämpfung realisieren, bei denen mehrere Kanäle mehrere Signalwege aber nur einen gemeinsamen Schirmweg besitzen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht die induktive Komponente im Rufbau einer Gleichtaktdrossel. Dies bedeutet, daß die Wicklungen für den hin- und rücklaufenden Strom gleichsinnig oder sogar bifilar angeordnet sind. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Gleichtaktdrosseln besteht jedoch im ferromagnetischen Material. Bei Gleichtaktdrosseln soll eine hohe Dämpfung von Gleichtaktstörungen erreicht werden. Um Resonanzen zu vermeiden, sind solche Drosseln mit einem ferromagnetischen Material aufgebaut, welches hohe ferromagnetische Verluste aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung soll dagegen die magnetische Verkopplung möglichst groß sein. Damit ist hier ein ferromagnetisches Material mit einer möglichst hohen Permeabilität und geringsten Verlusten einzusetzen.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Zuleitung, bestehend aus allen Leitern für die hin- und rücklaufenden Ströme eines Signalpfades selbst ein oder mehrmals gewunden wird, um eine Luftspule zu erhalten.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Zuleitung, bestehend aus allen Leitern für die hin- und rücklaufenden Ströme eines Signalpfades selbst ein oder mehrmals um einen Kern aus ferromagnetischem Material gewunden wird, um eine Spule mit höherer Induktivität zu erhalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 lineare Schleifbahnstrecke mit drei Leitern und
2 mehrere Schleifwege mit kapazitiver Kopplung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung am Beispiel einer linearen Schleifbahnstrecke.
Selbstverständlich kann das Prinzip der Erfindung auch auf einen rotationssymmetrischen Schleifring oder auch eine Übertragungsstrecke mit beliebiger Trajektorie angewendet werden. Ebenso kann anstelle der hier gezeigten Anordnung mit einem Signalweg und zwei Schirmwegen jede beliebige andere Anordnung, die zumindest einen geschlossenen Strompfad aufweist, realisiert werden. Der Kanal besteht hier aus einem Signalweg (1) welcher mittels der beiden Schirmwege (2) und (3) seitlich abgeschirmt ist. Der bewegliche Schlitten (4) dient zur Halterung der Schleifkontakte. Das Signal des Signalweges (1) wird vom Schleifkontakt (5) abgegriffen und der Last (8) zugeführt. Der Strom fließt dann von der Last (8) wieder mittels der miteinander verbundenen Schleifkontakte (6) und (7) über die Schirmwege (2) und (3) zurück. Eine Signalquelle (10) speist über die induktive Komponente (9) den Signalweg (1) sowie die beiden Schirmwege (2) und (3). Die induktive Komponente (9) kann ebenso im Strompfad unmittelbar vor der Last (8) angeordnet werden.
2 stellt schematisch die verschiedenen kapazitiven Kopplungen mehrerer Schleifwege dar, die zu einem Übersprechen führen können. Hierbei besteht beispielhaft der erste Kanal aus dem Signalweg (1) und den beiden Schirmwegen (2) und (3). Der zweite Kanal besteht aus dem Signalweg (11) und den beiden Schirmwegen (12) und (13). Grundsätzlich bestehen bedingt durch den mechanischen Aufbau zwischen jeweils zwei Wegen parasitäre Kapazitäten. Je länger diese Signalbahnen sind, desto größer sind auch diese parasitären Kapazitäten. Während die zwischen den Signal- und Schirmwegen eines Kanals befindlichen Kapazitäten (14) und (15) lediglich zu einer Fehlanpassung führen, verringern alle parasitären Kapazitäten zwischen den Leitungen unterschiedlicher Kanäle (16), (17), (18) die Übersprechdämpfung. Sollen mit einer derartigen Anordnung bei einer Frequenz von 10 MHz Schirmdämpfungen von z.B. 40 dB erreicht werden, so muß die parasitäre Kapazität (17) zwischen den Kanälen kleiner als 3 pF sein. Solche geringe Werte sind bei langen Signalwegen kaum mehr zu erreichen. In einem solchen Fall sorgt die induktive Komponente (9) dafür, daß der über den Signalweg (1) hinfließende Strom nahezu ausschließlich über die beiden Schirmwege (2) und (3) desselben Kanals und nicht durch die parasitären Kapazitäten über einen anderen Kanal zurückfließen. Dadurch wird das Übersprechen wesentlich verringert.

Claims

Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen, mit mindestens zwei der Trajektorie der Bewegung angepaßten elektrischen Leitern mit jeweils einer, einen Strompfad aufweisenden Zuleitung, die auf einem ersten Teil vorgesehen sind, und mit weiteren Teilen, die mit den Leitern des ersten Teils in galvanischem, kapazitivem und/oder induktivem Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß – an beliebiger Stelle im Strompfad der Zuleitung für die elektrischen Leiter oder unmittelbar vor der Last eine induktive Komponente angeordnet ist, sodass – alle zu einem Signal und/oder Energiepfad (Kanal) gehörenden Leiter mittels der induktiven Komponente miteinander verkoppelt sind, und sich durch die Verkopplung die Magnetfelder aller hin- und rücklaufenden Ströme eines jeden Signal- und/oder Energiepfades im Falle gleich hoher hin- und rücklaufender Ströme in der induktiven Komponente gegenseitig aufheben und im Falle ungleich hoher Ströme die induktive Komponente eine Induktivität darstellt, und – mehrere Kanäle mehrere Signalwege und einen gemeinsamen Schirmweg besitzen.
Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Komponente dem Aufbau einer Gleichtaktdrossel entspricht.
Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung, die Leiter für alle hin- und rücklaufenden Ströme enthält, ein- oder mehrmals gewunden ist, um eine Luftspule zu erhalten.
Schleifbahnstrecke oder rotationssymmetrischer Schleifring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung, die Leiter für alle hin- und rücklaufenden Ströme enthält, ein- oder mehrmals um einen Kern aus ferromagnetischem Material gewunden ist, um eine höhere Induktivität zu erhalten.