DE19708035A1

DE19708035A1 - Rotatable coupling for contactless radio and microwave transmission

Info

Publication number: DE19708035A1
Application number: DE19708035A
Authority: DE
Inventors: Peter Killer; Heinrich Siebert; Hans Sterflinger
Original assignee: Spinner GmbH
Current assignee: Spinner GmbH
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1997-10-30

Abstract

The coupling includes a closed circular waveguide conductor (1) which is located in a radial plane of a stator (10). The circular conductor forms a first directional coupler (3) with a stationary coupling line (2). A second coupling line (4) which is located at a opposite plane of a rotor (11) forms a second directional coupling (5) with the circular conductor. Preferably, the circular conductor has an electrical length of n* lambda , where n is integer. The coupling lines terminate at a terminating resistor (R) which is embedded in the stator or rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkupplung zur berührungs freien Übertragung von elektromagnetischen Wellen zwischen einem Stator und einem Rotor.The invention relates to a rotary coupling for contact free transmission of electromagnetic waves between a stator and a rotor.

Im Stand der Technik bekannte Drehkupplungen zur Übertragung von hoch- und höchstfrequenten Signalen beruhen auf dem Prinzip der sog. kapazitiven Kontakte, häufig in Form sog. chokes, also koaxialer λ/4-Kurzschlußleitungen. Daher liegt der maximale Durchmesser des Rotors in der Größenordnung der Grenzwellenlänge der jeweiligen Koaxialleitung. In der Praxis werden jedoch auch Drehkupplungen mit einem im Ver hältnis zur Wellenlänge der zu übertragenden elektromagneti schen Wellen großen lichten Innendurchmesser des Rotors zur Aufnahme oder zur Durchführung von mechanischen, optischen oder elektrischen Komponenten benötigt.Rotary couplings for transmission known in the prior art of high and very high frequency signals are based on the Principle of so-called capacitive contacts, often in the form of so-called chokes, i.e. coaxial λ / 4 short-circuit lines. Therefore lies the maximum diameter of the rotor in the order of magnitude Limit wavelength of the respective coaxial line. In the However, rotary couplings with one in Ver Ratio of the wavelength of the electromagnetic to be transmitted shafts large inner diameter of the rotor Recording or to carry out mechanical, optical or electrical components needed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkupplung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, deren Durch messer nicht durch die Wellenlänge der zu übertragenden elektromagnetischen Wellen beschränkt ist.The invention has for its object a rotary coupling to create the genus mentioned, whose through knife by the wavelength of the transmitted electromagnetic waves is limited.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Ring leitung in einer Radialebene des Stators, die zusammen mit einer stationären Koppelleitung einen ersten Richtkoppler und zusammen mit einer in einer gegenüberliegenden Fläche des Rotors angeordneten Koppelleitung einen zweiten Richt koppler bildet. Da die Ringleitung (innerhalb vernünftiger Grenzen) beliebig lang sein kann, ermöglicht dieses Prinzip den Bau von Drehkupplungen mit im Verhältnis zur Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen sehr großem Durchmesser. Die Ringleitung und die Koppelleitungen können als Koaxiallei tungen oder als Leitungen beliebigen anderen Typs ausgebil det sein.According to the invention, this object is achieved by a ring line in a radial plane of the stator, which together with a stationary coupling line a first directional coupler and together with one in an opposite surface the coupling line arranged a second direction forms coupler. Since the ring line (within reasonable Limits) can be of any length, this principle enables the construction of rotary couplings with in relation to the wavelength of very large diameter electromagnetic waves. The Ring line and the coupling lines can be used as coaxial lines lines or trained as lines of any other type det be.

Um eine möglichst verlustarme Kopplung zu erzielen, soll die Ringleitung eine elektrische Länge von n·λ (n ganzzahlig) haben (Anspruch 2).In order to achieve the lowest possible loss, the Ring line an electrical length of n · λ (n integer) have (claim 2).

Vorzugsweise endet die jeweilige Koppelleitung an einem in den Stator bzw. den Rotor eingebetteten Abschlußwiderstand (Anspruch 3).The respective coupling line preferably ends at an in the terminator embedded in the stator or the rotor (Claim 3).

Bei einer verbesserten Ausführungsform ist die Ringleitung an einer Stelle des Umfangs aufgetrennt und die beiden Enden sind an die stationäre Koppelleitung im Stator über eine Leitungsschleife herangeführt, die einen zu der Koppellei tung parallelen Abschnitt der Länge λ/4 sowie eine Gesamt länge von n·λ (n ganzzahlig) hat (Anspruch 4). hierdurch werden Amplitudenschwankungen vermieden, die andernfalls in derjenigen Stellung der Drehkupplung auftreten können, in der der erste Richtkoppler und der zweite Richtkoppler an der gleichen Stelle stehen.In an improved embodiment, the ring line is separated at one point on the circumference and the two ends are connected to the stationary coupling line in the stator via a Line loop introduced that one to the coupling egg tion parallel section of length λ / 4 and a total has a length of n · λ (n integer) (claim 4). hereby amplitude fluctuations are avoided, which otherwise in that position of the rotary coupling can occur in the first directional coupler and the second directional coupler stand in the same place.

Im Prinzip kann die Ringleitung in einer innenliegenden, den Rotor umschließenden Zylindermantelfläche des Stators lie gen. Die im Rotor angeordnete Koppelleitung befindet sich dann auf oder in dessen äußerer Zylindermantelfläche. Bevor zugt liegen jedoch die Ringleitung im Stator und die Koppel leitung im Rotor in voneinander über einen Spalt beabstande ten Radialebenen (Anspruch 5). Dies ermöglicht es, die Drehkupplung als kompakten Modul auszubilden, vor allem dann, wenn der Anschluß der stationären Koppelleitung radial aus dem Stator und der Anschluß der im Rotor angeordneten Koppelleitung radial in den Innenraum des Rotors herausge führt werden. Ein derartiger Drehkupplungsmodul kann dann mit weiteren, gleichartigen Modulen hintereinander längs der Drehachse zusammengebaut werden und ergibt eine Drehkupplung mit mehreren, elektrisch voneinander unabhängigen Übertra gungswegen.In principle, the ring line in an internal, the Rotor enclosing cylindrical surface of the stator lie gen. The coupling line arranged in the rotor is then on or in its outer cylinder surface. Before however, the ring line lies in the stator and the coupling line in the rotor at a distance from each other through a gap th radial planes (claim 5). This enables the To design the rotary coupling as a compact module, above all then when the connection of the stationary coupling line is radial from the stator and the connection of those arranged in the rotor Coupling line radially out in the interior of the rotor leads. Such a rotary coupling module can then with further, similar modules in a row along the Axis of rotation are assembled and results in a rotary coupling with several, electrically independent transmissions ways.

Bevorzugt bestehen die Ringleitung im Stator und die Koppel leitung im Rotor jeweils aus einer in ein Dielektrikum eingebetteten Streifen- oder Bandleitung (Anspruch 6).The ring line in the stator and the coupling preferably exist cable in the rotor from one to a dielectric embedded strip or ribbon line (claim 6).

Die Zeichnung erläutert das Prinzip der Drehkupplung nach der Erfindung und umfaßt ein schematisch vereinfachtes Ausführungsbeispiel. Es zeigt:The drawing explains the principle of the rotary coupling of the invention and includes a schematically simplified Embodiment. It shows:

Fig. 1 das Grundprinzip, Fig. 1 the basic principle,

Fig. 2 eine verbesserte Ausführungsform, ebenfalls in schematischer Darstellung, Fig. 2 shows an improved embodiment, also in a schematic representation;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel im Längsschnitt Fig. 3 shows an embodiment in longitudinal section

Fig. 4 einen Querschnitt entsprechend der Linie A-A in Fig. 3, Fig. 4 is a cross section along the line AA in Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend der Linie B-B in Fig. 3, Fig. 5 is a cross section along the line BB in Fig. 3,

Fig. 6 einen Querschnitt entsprechend der Linie C-C in Fig. 3, Fig. 6 shows a cross section along line CC in Fig. 3,

Fig. 7 einen Querschnitt entsprechend der Linie D-D in Fig. 3. Fig. 7 is a cross section along line DD in Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch das Prinzip der Übertragung von elektromagnetischen Wellen zwischen dem Stator und dem Rotor einer Drehkupplung, die einen schraf fiert dargestellten Innenraum I umschließt, dessen Durch messer groß im Vergleich zur Wellenlänge der elektromagneti schen Wellen ist. Hierzu ist der Stator mit einer Ringlei tung 1 versehen. Die Ringleitung 1 hat eine Länge von n·λ, wobei λ die Wellenlänge in dem jeweiligen Ausbreitungsmedium ist, das von Luft verschieden sein kann. Ein Abschnitt der Ringleitung 1 bildet zusammen mit einer stationären, also ebenfalls in dem Stator angeordneten Koppelleitung 2 einen ersten Richtkoppler 3. Der Anfang der stationären Koppellei tung 2 ist mit einem herausgeführten Anschluß E verbunden, das Ende mit einem Abschlußwiderstand R. Figs. 1 and 2 schematically show the principle of transmission of electromagnetic waves between the stator and the rotor of a rotary coupling which encloses an interior I shown hatched fiert, of which the diameters large compared to the wavelength of the electromagnetic waves rule. For this purpose, the stator is provided with a ring device 1 . The ring line 1 has a length of n · λ, where λ is the wavelength in the respective propagation medium, which can be different from air. A section of the ring line 1 forms a first directional coupler 3 together with a stationary coupling line 2 , which is also arranged in the stator. The beginning of the stationary coupling line 2 is connected to a lead E, the end with a terminating resistor R.

Der durch den Pfeil P symbolisierte Rotor ist mit einer zweiten Koppelleitung 4 versehen, die zusammen mit dem jeweils gegenüberliegenden Abschnitt der Ringleitung 1 einen zweiten Richtkoppler 5 bildet. Der Anfang der zweiten Kop pelleitung 4 ist mit einem herausgeführten Anschluß A ver bunden, das Ende mit einem Abschlußwiderstand R.The rotor symbolized by the arrow P is provided with a second coupling line 4 , which together with the respectively opposite section of the ring line 1 forms a second directional coupler 5 . The beginning of the second Kop pelleitung 4 is connected to a lead A ver connected, the end with a terminating resistor R.

Bei dieser Anordnung können unerwünschte Amplitudenschwan kungen auftreten, wenn der Richtkoppler 5 an der gleichen Stelle wie der Richtkoppler 3 steht. Dies läßt sich mit der verbesserten Anordnung gemäß Fig. 2 vermeiden. Hier ist die Ringleitung 1 an der Stelle x aufgetrennt und mit der sta tionären Koppelleitung 2 im Stator über eine Leitungs schleife 6 verbunden, deren elektrische Länge einschließlich des zu der stationären Koppelleitung 2 parallelen Leitungs abschnitts der Länge λ/4 insgesamt n λ beträgt.In this arrangement, undesirable amplitude fluctuations can occur when the directional coupler 5 is in the same place as the directional coupler 3 . This can be avoided with the improved arrangement according to FIG. 2. Here, the ring line 1 is separated at the point x and connected to the sta tionary coupling line 2 in the stator via a line loop 6 , the electrical length including the parallel to the stationary coupling line 2 line section of length λ / 4 is a total of n λ.

Die Fig. 3 bis 7 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel einer Drehkupplung nach dem Prinzip der Fig. 2. Die Dreh kupplung ist modular aufgebaut und umfaßt einen Stator 10, in dem ein Rotor 11 mit im Vergleich zu der der vorgegebenen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge großem lichten Innendurchmesser über die angedeuteten Wälzlager drehbar gelagert ist. Der Rotor 11 hat eine Ringschulter 11.1, die berührungslos von einer Ringnut in dem Stator 10 umschlossen wird. FIGS. 3 to 7 illustrate an embodiment of a rotary coupling according to the principle of Fig. 2. The rotary coupling is of modular construction and comprises a stator 10 in which a rotor 11 with large in comparison to the corresponding one of the predetermined operating frequency wavelength clear internal diameter of about the indicated roller bearing is rotatably mounted. The rotor 11 has an annular shoulder 11.1 , which is enclosed in a contactless manner by an annular groove in the stator 10 .

Die Radialebene A-A (bzw. B-B) in Fig. 3 stellt die Koppel ebene dar. Statorseitig von der Koppelebene befindet sich die Ringleitung 1 mit der Länge n·λ, eingebettet in ein Di elektrikum 1.1. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, hat die Rin gleitung 1 an der Stelle X eine Unterbrechung. Beidseits der Unterbrechung ist die Leitungsschleife 6 angeschlossen, die die axial verlaufenden Abschnitte 6.1 (vergl. Fig. 3) sowie die in Fig. 6 zu erkennenden, in der Radialebene C-C liegen den Abschnitte 6.2 und 6.3 umfaßt. Die elektrische Gesamt länge dieser Leitungsschleife beträgt n·λ. Dem Leitungs schleifenabschnitt 6.3 in der Radialebene C-C liegt in geringem Abstand in der Radialebene D-D die stationäre λ/4-Koppelleitung 2 gegenüber, deren eines Ende gemäß Fig. 7 mit einem radial herausgeführten Koaxialanschluß E verbunden ist, während ihr anderes Ende über den Abschlußwiderstand R, der in das angedeutete Dielektrikum eingebettet ist, mit Nasse, also mit dem Metallkörper des Stators 10, verbunden ist. Die Koppelleitung bildet zusammen mit dem Leitungs schleifenabschnitt 1.5 den ersten Richtkoppler 3.The radial plane AA (or BB) in FIG. 3 represents the coupling plane. On the stator side of the coupling plane there is the ring line 1 with the length n · λ, embedded in a dielectric 1.1 . As seen from Fig. 5, the Rin has slip 1 at the location X interruption. On both sides of the interruption, the line loop 6 is connected, which comprises the axially extending sections 6.1 (see FIG. 3) and the sections 6.2 and 6.3 which can be seen in FIG. 6 and lie in the radial plane CC. The total electrical length of this line loop is n · λ. The line loop section 6.3 in the radial plane CC lies at a short distance in the radial plane DD opposite the stationary λ / 4 coupling line 2 , one end of which is connected to a radially guided coaxial connection E according to FIG. 7, while its other end via the terminating resistor R , which is embedded in the indicated dielectric, is connected to the wet, that is to the metal body of the stator 10 . The coupling line forms, together with the line loop section 1.5, the first directional coupler 3 .

Rotorseitig von der Koppelebene A-A (bzw. B-B) ist in die korrespondierende Ringfläche des Rotors 10 die zweite λ-/4-Koppelleitung 4 in ein Dielektrikum eingebettet, vergl. auch Fig. 4. Das eine Ende dieser Koppelleitung 4 ist über einen Leitungsabschnitt 4.1 mit einem im Innenraum I des Rotors liegenden Koaxialanschluß A verbunden. Das andere Ende ist in entsprechender Weise wie dasjenige der stationären Kop pelleitung 2 über den Abschlußwiderstand R mit dem Metall körper des Rotors 11 verbunden. Die zweite Koppelleitung 4 bildet mit dem entsprechenden Abschnitt der Ringleitung 1 den zweiten Richtkoppler 5.On the rotor side of the coupling plane AA (or BB), the second λ / 4 coupling line 4 is embedded in a dielectric in the corresponding ring surface of the rotor 10 , cf. also FIG. 4. One end of this coupling line 4 is via a line section 4.1 connected to a coaxial connection A located in the interior I of the rotor. The other end is connected in a manner corresponding to that of the stationary coupling line 2 via the terminating resistor R with the metal body of the rotor 11 . The second coupling line 4 forms the second directional coupler 5 with the corresponding section of the ring line 1 .

Claims

1. rotary coupling for the contact-free transmission of electromagnetic waves between a stator ( 10 ) and a rotor ( 11 ), characterized by a ring gin ( 1 ) in a radial plane of the stator ( 10 ) together with a stationary coupling line ( 2 ) a first Directional coupler ( 3 ) and together with a second coupling line ( 4 ) arranged in an opposite surface of the rotor ( 11 ) forms a second directional coupler ( 5 ).

2. Rotary coupling according to claim 1, characterized in that the ring line ( 1 ) has an electrical length of n · λ (n integer).

3. Rotary coupling according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling lines ( 2 , 4 ) at an in the stator ( 10 ) or the rotor ( 11 ) embedded from the terminating resistor (R) ends.

4. Rotary coupling according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ring line ( 1 ) is separated at one point (X) of its circumference and at the ends to the stationary coupling line ( 2 ) in the gate ( 10 ) via a Line loop ( 6 ) are introduced, which has a section ( 6.2 ) of length λ / 4 parallel to the coupling line ( 2 ) and a total length of n · λ (n integer).

5. Rotary coupling according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ring line ( 1 ) in the stator ( 10 ) and the second coupling line ( 4 ) in the rotor ( 11 ) in radial planes spaced from one another via a gap (see. AA) lie.

6. Rotary coupling according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ring line ( 1 ) and the white direct coupling line ( 4 ) in the rotor ( 11 ) each consist of a strip or ribbon line embedded in a dielectric.