NL8303426A

NL8303426A - APPARATUS FOR NON-CONTACT ELECTRICAL POWERING OF EQUIPMENT ATTACHED TO A ROTATABLE AXLE.

Info

Publication number: NL8303426A
Application number: NL8303426A
Authority: NL
Original assignee: Nederlandse Gasunie Nv
Priority date: 1983-10-06
Filing date: 1983-10-06
Publication date: 1985-05-01
Also published as: DE3512824A1

Description

V . * . WR/FHJ/WP/mjh N.V. NEDERLANDSE GASUNIE Uitvinder: Peter H. Burrie te Haren 1 PN 3499V. *. WR / FHJ / WP / mjh N.V. DUTCH GASUNIE Inventor: Peter H. Burrie te Haren 1 PN 3499

INRICHTING VOOR HET CONTACTLOOS ELEKTRISCH VOEDEN VAN öP EEN ROTEERBARE AS BEVESTIGDE APPARATUURAPPARATUS FOR NON-CONTACT ELECTRICAL SUPPLY OF EQUIPMENT ATTACHED TO A ROTATABLE AXLE

De uitvinding heeft betrekking op een Inrichting voor het contactloos elektrisch voeden van op een roteerbare as bevestigde apparatuur voorzien van een voedingstransformator waarvan de primaire wikkeling is aangebracht op een vast staande kern met een spleet en 5 die meerdere secundaire wikkelingen heeft die in de vorm van platte spoelen in omtreksrichting achter elkaar zijn aangebracht op een ringvormige schijf die loodrecht op de as bevestigd is en in de spleet van de kern steekt.The invention relates to a device for contactless electric power supply of equipment mounted on a rotatable shaft, comprising a power transformer, the primary winding of which is arranged on a fixed core with a slit and which has a plurality of secondary windings which are in the form of flat circumferential coils are arranged one behind the other on an annular disc mounted perpendicular to the axis and inserted into the slit of the core.

Een dergelijke inrichting is bekend uit de ter inzage gelegde 10 Nederlandse Octrooiaanvrage nr. 69 19 165. De bekende inrichting is voorzien van meerder vast staande kernen met primaire wikkelingen, die zodanig verdeeld langs de omtrek van de schijf zijn opgesteld, dat steeds een primaire wikkeling kan samenwerken met een secundaire wikkeling in iedere willekeurige hoekstand van de as, ook als de as 15 stil staat. Afhankelijk van de hoekstand van de as wordt daarbij door een systeem van schakelaars die primaire wikkeling ingeschakeld, die bij die bepaalde hoekstand optimaal met een secundaire wikkeling kan samenwerken.Such a device is known from the Netherlands Patent Application No. 69 19 165 laid open to public inspection. The known device is provided with several fixed cores with primary windings, which are arranged such that they are distributed along the circumference of the disc, that a primary winding always can cooperate with a secondary winding in any angular position of the shaft, even when the shaft 15 is stationary. Depending on the angular position of the shaft, a system of switches turns on the primary winding, which can optimally cooperate with a secondary winding at that particular angular position.

De bekende inrichting is gecompliceerd en daardoor 20 storingsgevoelig. De uitvinding heeft tot doel een inrichting van het aangegeven type te verschaffen die dit bezwaar niet vertoont. De Inrichting volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat elkaar op de schijf in omtreksrichting opvolgende secundaire wikkelingen elkaar gedeeltelijk overlappen en bij rotatie van de as beurtelings 25 samenwerken met de primaire zijde van de voedingstransformator. Daar de secundaire wikkelingen elkaar gedeeltelijk overlappen is er steeds tenminste een secundaire wikkeling die met de primaire zijde van de voedingstransformator samenwerkt, zodat volstaan kan worden met een enkele vaststaande kern met luchtspleet.The known device is complicated and therefore susceptible to malfunction. The object of the invention is to provide a device of the indicated type which does not have this drawback. The device according to the invention is characterized in that secondary windings successively on the disk in the circumferential direction partly overlap each other and co-operate alternately with the primary side of the supply transformer when the shaft rotates. Since the secondary windings partially overlap, there is always at least one secondary winding which cooperates with the primary side of the power transformer, so that a single fixed core with air gap is sufficient.

λ V Λ, « .· .«> O w t. s Ό « 2λ V Λ, «. ·.«> O w t. s 2 «2

Bij voorkeur is iedere secundaire wikkeling aangesloten op een gelijkrichter en zijn de uitgangen van de gelijkrichters parallel geschakeld. De gelijkgerichte spanning dient tot voeding van de op de as bevestigde apparatuur.Preferably, each secondary winding is connected to a rectifier and the outputs of the rectifiers are connected in parallel. The rectified voltage supplies power to the equipment mounted on the shaft.

5 Een met het oog op gemakkelijke montage en demontage zeer geschikte uitvoeringsvorm verkrijgt men, als volgens de uitvinding de genoemde schijf is opgebouwd uit tenminste twee elkaar in omtreksrichting opvolgende delen met elkaar overlappende uiteinden, welke uiteinden delen van secundaire wikkelingen bevatten die in gemonteerde toestand 10 van de schijf elkaar overlappen.A very suitable embodiment with a view to easy assembly and disassembly is obtained, if according to the invention said disc is built up of at least two circumferentially successive parts with overlapping ends, which ends comprise parts of secondary windings which are mounted in mounted condition. of the disc overlap.

De inrichting volgens de uitvinding kan toegepast worden voor het voeden van iedere gewenste soort op de as bevestigde elektrische apparatuur. Een bijzondere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is zo ingericht dat de secundaire wikkelingen zijn ver-15 bonden met aan de as bevestigde apparatuur die bestaat uit een signaalopwekkend deel en een signaalzender. Bij voorkeur is de signaalzender op de schijf bevestigd; hij kan echter ook afzonderlijk aan de as bevestigd zijn.The device according to the invention can be used to power any type of shaft-mounted electrical equipment. A special embodiment of the device according to the invention is arranged such that the secondary windings are connected to shaft-mounted equipment consisting of a signal generating part and a signal transmitter. Preferably, the signal transmitter is mounted on the disk; however, it can also be individually attached to the shaft.

Volgens de uitvinding kan de signaalzender met voordeel als 20 optische signaalzender zijn uitgevoerd. Zeer geschikt is gebleken een optische signaalzender die bestaat uit een aantal in omtreksrichting op ongeveer gelijke afstand van elkaar op de schijf geplaatste bronnen van optische straling, bij voorkeur infrarode straling, die een uit impulsen of impulsreeksen bestaand optisch signaal kunnen uitzenden.According to the invention, the signal transmitter can advantageously be designed as an optical signal transmitter. It has proved very suitable to have an optical signal transmitter consisting of a number of circumferentially equidistant sources of optical radiation, preferably infrared radiation, which can emit an optical signal consisting of pulses or pulse series.

25 Het gebruik van infrarode straling heeft het voordeel dat de signaaltransmissie minder gevoelig is voor zich op de apparatuur afzettend vet en vuil en een grotere afstand kan overbruggen dan bij gebruik van straling in het zichtbare gebied. Geschikte stralingsbronnen zijn met name infrarood-LED's (Licht Emitterende Diodes). Het uit 30 impulsen of impulsreeksen bestaande signaal kan zowel analoog (bij voorbeeld frequentie-proportioneel) als digitaal zijn.The use of infrared radiation has the advantage that the signal transmission is less sensitive to fat and dirt deposited on the equipment and can cover a greater distance than when using radiation in the visible area. Suitable radiation sources are in particular infrared LEDs (Light Emitting Diodes). The signal consisting of 30 pulses or pulse series can be either analog (e.g. frequency proportional) or digital.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding öZ ƒ) " ƒ. V r‘i 0 ^ (i -t /.The invention will be elucidated with reference to the drawing, in which an embodiment of the device according to the invention is ZZ ƒ) "ƒ. V r" i 0 ^ (i -t /.

3 schematisch is weergegeven bij wijze van niet-beperkend voorbeeld. De afzonderlijke figuren stellen het volgende voor:3 is shown schematically by way of non-limiting example. The individual figures represent the following:

Fig. 1: een vereenvoudigd perspektisch overzicht van een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding;Fig. 1: a simplified perspective overview of an embodiment of the device according to the invention;

Fig. 2: een aanzicht van een segment van een op een as te bevestigen schijf met secundaire wikkelingen, die samenwerkt met een vast staande kern met een primaire wikkeling, zoals die in de in fig. 1 weergegeven uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding toegepast wordt;Fig. 2: a view of a segment of a shaft to be mounted on a shaft with secondary windings, which interacts with a fixed core with a primary winding, as used in the embodiment of the device according to the invention shown in fig. 1;

Fig. 3: doorsnede van een dergelijk segment volgens III-III in fig. 2; Fig. 4: een principeschema van het elektrische deel van een inrichting volgens de uitvinding.Fig. 3: section of such a segment according to III-III in fig. 2; Fig. 4: a schematic diagram of the electrical part of a device according to the invention.

In fig· 1 is met 1 een roteerbare as aangegeven, waarop een meetscha-keling 2 bevestigd is. Het bij de meetschakeling 2 behorende meetele-ment 3 kan ieder gewenst meetelement zijn, bij voorbeeld een rekstrookjesbrug voor het meten van het askoppel, een verplaat-singsopnemer voor het meten van onderlinge verplaatsing van twee met de as draaiende onderdelen, een thermokoppel, etc.In Fig. 1 a rotatable shaft is indicated by 1, on which a measuring circuit 2 is mounted. The measuring element 3 associated with the measuring circuit 2 can be any desired measuring element, for example a strain gauge bridge for measuring the shaft torque, a displacement sensor for measuring mutual displacement of two shaft rotating parts, a thermocouple, etc.

Op de as 1 is verder een schijf 4 bevestigd, die bij voorbeeld is vervaardigd van met glasvezel versterkte kunststof. Zoals hieronder aan de hand van fig. 2 nog nader toegelicht zal worden is de schijf 4 opgebouwd uit twee delen en is in de schijf 4 een aantal platte spoelen ingebed, die elkaar in omtreksrichting overlappen. Deze platte spoelen vormen een reeks secundaire transformatorwikkelingen die bij het draaien van de as 1 beurtelings samenwerken met een primaire wikkeling 5 op een vast staande ferrietkem 6 die een luchtspleet heeft waar de schijf 4 in draait. De primaire wikkeling 5 wordt gevoed met een voedingsapparaat 7, dat een wisselspanning opwekt van bij voorbeeld ca 80 kHz. Een dergelijke hoge frequentie heeft, zoals bekend, het voordeel dat het vereiste aantal windingen per volt van de primaire en secundaire wikkelingen kleiner is dan bij lagere frequentie. Door het ontbreken van schakelaars kan de inrichting, mits het maximale vermogen van het voedingsapparaat 7 beperkt gehouden wordt, voor gebruik in gasgevaarlijke ruimtes explosieveilig uitgevoerd worden.A disc 4 is further mounted on the shaft 1, which is for instance made of glass-fiber reinforced plastic. As will be explained in more detail below with reference to Fig. 2, the disc 4 is composed of two parts and a number of flat coils are embedded in the disc 4, which overlap in the circumferential direction. These flat coils form a series of secondary transformer windings which, in rotation of the shaft 1, alternate with a primary winding 5 on a stationary ferrite core 6 which has an air gap into which the disc 4 rotates. The primary winding 5 is supplied with a power supply 7, which generates an alternating voltage of, for example, about 80 kHz. As is known, such a high frequency has the advantage that the required number of turns per volt of the primary and secondary windings is smaller than at a lower frequency. Due to the absence of switches, the device can be explosion-proof for use in gas-hazardous areas, provided the maximum power of the power supply 7 is kept limited.

- . -> j Λ . \-. -> j Λ. \

o Vo V

44

Op de schijf 4 is een krans van infrarood-LED’s 8 aangebracht, die het door de meetschakeling 2 opgewekte signaal optisch uitzenden en bij het draaien van de as 1 beurtelings samenwerken met een infrarood-ontvanger 9.A ring of infrared LEDs 8 is provided on the disc 4, which optically emit the signal generated by the measuring circuit 2 and which co-operate in turn with an infrared receiver 9 when the shaft 1 is rotated.

5 In fig. 2 en 3 is een van de segmenten waaruit de schijf 4 is opgebouwd nader weergegeven. In dit voorbeeld is de schijf 4 opgebouwd uit twee van zulke segmenten; het aantal kan ook groter dan twee tijn.Fig. 2 and 3 show one of the segments from which the disc 4 is built up. In this example, the disk 4 is composed of two such segments; the number may also exceed two.

Het weergegeven segment 10 is in dit voorbeeld vervaardigd 10 van met glasvezel versterkte kunststof, waarin platte spoelen 11, 12, 13 en 14 ingegoten zijn. Opeenvolgende spoelen overlappen elkaar; voor de duidelijkheid is de buitenomtrek van de spoelen 11 en 13 in korte streeplijnen en die van de spoelen 12 en 14 in lange streeplijnen aangegeven. Het segment 10 is voorzien van lippen 15 en 16 die bij de 15 gemonteerde schijf overeenkomstige lippen van het aansluitende segment overlappen. De spoelen 11 en 14 strekken zich tot in de lippen 15 en 16 uit, zodat eveneens deze spoelen de overeenkomstige spoelen in het aansluitende segment gedeeltelijk overlappen.The segment 10 shown in this example is made of glass-fiber reinforced plastic, into which flat coils 11, 12, 13 and 14 are cast. Successive coils overlap; for clarity, the outer circumference of coils 11 and 13 is shown in short dashed lines and that of coils 12 and 14 in long dashed lines. The segment 10 is provided with lips 15 and 16 which overlap the corresponding lips of the adjacent segment with the mounted disk. The coils 11 and 14 extend into the lips 15 and 16, so that these coils also partially overlap the corresponding coils in the adjacent segment.

Op het segment 10 is voorts een aantal infrarood-LED’s 8 20 'bevestigd voor de optische signaaltransmissie.In addition, a number of infrared LEDs 8 20 'are attached to segment 10 for optical signal transmission.

De afzonderlijke segmenten 10 van een schijf 4 kunnen met alle geëigende bevestigingsmiddelen, zoals schroeven, bevesti-gingsstrips, klembanden etc· aan elkaar en op de as 1 bevestigd worden.The individual segments 10 of a disc 4 can be attached to each other and on the shaft 1 with all suitable fasteners, such as screws, fastening strips, clamping bands, etc.

25 De spoelen 11-14 zijn in fig. 2 en 3 aangegeven als platte gewikkelde spoelen, zoals in fig. 3 in doorsnede te zien is. Eventueel kan men ook gebruik maken van spoelen die als vlakke spiraal op een printplaat geprint zijn, eventueel aan weerskanten van de plaat. De printplaat of -platen kan (kunnen) op dezelfde wijze als gewikkelde 30 platte spoelen in het kunststofsegment 10 ingebed zijn; ook kan het segment 10 zelf als dikke printplaat uitgevoerd zijn, waarbij de elkaar overlappende spiraalspoelen om en om aan weerskanten van het segment geprint zijn.The coils 11-14 are shown in Fig. 2 and 3 as flat wound coils, as can be seen in section in Fig. 3. Optionally, it is also possible to use coils printed as a flat spiral on a printed circuit board, possibly on both sides of the plate. The printed circuit board or plates can be embedded in the plastic segment 10 in the same manner as wound flat coils; the segment 10 itself can also be designed as a thick printed circuit board, wherein the overlapping spiral coils are alternately printed on either side of the segment.

—, «, r—r r ,—* 5-, «, r — r r, - * 5

In fig. 4 is het elektrische deel van de inrichting schematisch weergegeven. Het hierin aangegeven voedingsapparaat 7 en de daardoor met een 80 kHz wisselspanning gevoede primaire wikkeling 5 zijn reeds genoemd bij de bespreking van fig. 1; het voedingsapparaat 5 7 wordt zelf, bij voorbeeld, gevoed uit het elektrisch net. De secun daire wikkelingen 11 t/m 14 zijn reeds genoemd bij de bespreking van fig. 2 en 3; 11’ t/m 14’ zijn de overeenkomstige secundaire wikkelingen, die zijn ingegoten in een tweede segment, dat tesamen met het afgeheelde segment 10 de volledige schijf 4 vormt. De secundaire 10 wikkelingen 11 t/m 14 en 11' t/m 14' zijn aangesloten op gelijkrichters 18, waarvan de uitgangen parallel geschakeld zijn en via een plusgeleider 19 en een mingeleider 20 de meetschakeling 2 voeden. De door de afzonderlijke secundaire wikkelingen met bijbehorende gelijkrichters gevormde spanningsbronnen kunnen alleen 15 energie afgeven en niet van elkaar opnemen.Fig. 4 shows the electrical part of the device schematically. The power supply device 7 indicated herein and the primary winding 5 fed by an 80 kHz AC voltage thereby have already been mentioned in the discussion of Fig. 1; the power supply device 5 7 itself is, for example, powered from the electrical network. Secondary windings 11 through 14 have already been mentioned in the discussion of Figures 2 and 3; 11 through 14 are the corresponding secondary windings, which are cast in a second segment, which together with the sectioned segment 10 forms the complete disc 4. The secondary windings 11 to 14 and 11 'to 14' are connected to rectifiers 18, the outputs of which are connected in parallel and supply the measuring circuit 2 via a plus conductor 19 and a minus conductor 20. The voltage sources formed by the individual secondary windings with associated rectifiers can only emit energy and cannot absorb from each other.

De meetschakeling 2 bestaat uit een aantal onderdelen 21-24. Het deel 21 is een brugversterkerschakeling, die een rekstrookjesbrug 3 voor meting van het askoppel voedt en daarvan het brugsignaal ontvangt. De brugversterker zet het brugsignaal om in een blokspanning 20 met een met het brugsignaal evenredige frequentie van bij voorbeeld 0-140 Hz. Deze blokspanning wordt toegevoerd aan een ingang van een EN-poort 23, waarvan de andere ingang verbonden is met een hoogfrequent impulsgenerator 22, die een impulsspanning met een frequentie van bijvoorbeeld 42 kHz opwekt. De afzonderlijke blokken van de door 25 de brugversterker 21 opgewekte blokspanning worden aldus omgezet in impulsreeksen, die, versterkt door versterker 24, worden toegevoerd aan de infrarood-LED’s 8. De LED’s 8 zijn volgens fig· 4 in een aantal groepen geschakeld. De LED’s van iedere groep kunnen zodanig over de schijf 4 verdeeld geplaatst zijn, dat bij het uitvallen van een enkele 30 groep de signaaltransmissie intact blijft.The measuring circuit 2 consists of a number of parts 21-24. The part 21 is a bridge amplifier circuit, which feeds a strain gauge bridge 3 for measuring the shaft torque and receives the bridge signal therefrom. The bridge amplifier converts the bridge signal into a block voltage 20 with a frequency proportional to the bridge signal of, for example, 0-140 Hz. This block voltage is applied to an input of an AND gate 23, the other input of which is connected to a high-frequency pulse generator 22, which generates a pulse voltage with a frequency of, for example, 42 kHz. The individual blocks of the block voltage generated by the bridge amplifier 21 are thus converted into pulse series, which, amplified by amplifier 24, are applied to the infrared LEDs 8. The LEDs 8 are connected in a number of groups according to Fig. 4. The LEDs of each group can be distributed over the disk 4 in such a way that in the event of a single group failure, the signal transmission remains intact.

De infrarood-ontvanger 9 is afgestemd op de frequentie (42 kHz) van impulsgenerator 22 en Is daardoor ongevoelig voor statische warmtestraling en omgevingslicht. Na demodulatie krijgt men het door brugversterker 21 opgewekte blokspanningssignaal terug (0-140 Hz), dat 35 via frequentie-spannings conversie geschikt is voor, bijvoorbeeld, registratie op een schrijvende meter.The infrared receiver 9 is tuned to the frequency (42 kHz) of impulse generator 22 and is therefore insensitive to static heat radiation and ambient light. After demodulation, the block voltage signal generated by bridge amplifier 21 is recovered (0-140 Hz), which is suitable via frequency-voltage conversion for, for example, recording on a writing meter.

Claims

1. Apparatus for contactless electrically feeding of equipment mounted on a rotatable shaft, comprising a power transformer whose primary winding is arranged on a fixed core with a slit and which has a plurality of secondary windings which are in the form of flat coils in the circumferential direction behind are arranged on an annular disc which is mounted perpendicular to the shaft and protrudes into the slit of the core, characterized in that secondary windings which follow each other in the circumferential direction overlap partially and cooperate in rotation when the shaft is rotated with the primary side of the power transformer.

Device according to claim 1, characterized in that each secondary winding is connected to a rectifier and the outputs of the rectifiers are connected in parallel.

Device as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the disc is composed of at least two parts which follow each other in the circumferential direction with overlapping ends, which ends comprise parts of secondary windings which overlap in the mounted state of the disc.

Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the secondary windings are connected to shaft-mounted equipment consisting of a signal generating part and a signal transmitter.

5. Device according to claim 4, characterized in that the signal transmitter is mounted on the disc.

Device according to claim 4 or 5, characterized in that the signal transmitter is an optical signal transmitter.

7. Device as claimed in claim 6, characterized in that the optical signal transmitter consists of a number of sources of optical radiation placed approximately equidistantly from each other on the disc in the circumferential direction.

Device according to claim 6 or 7, characterized in that the signal transmitter can emit infrared radiation. 8303426

Device according to claims 7 and 8, characterized in that the sources of optical radiation are infrared LEDs.

10. Device as claimed in any of the claims 6-9, characterized in that the optical signal transmitter can emit an optical signal consisting of pulses or pulse series 5.

11. Device for contactless electrical supply of equipment mounted on a rotatable shaft as described and explained with reference to the drawing. WR / FHJ c «* · '