DE19957621A1 - Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale zwischen bewegten Teilen mit verringerter Wegezahl - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen, bestehend aus mindestens zwei der Trajektorie der Bewegung angepassten elektrischen Leitern auf dem ersten Teil und mit diesen Leitern in galvanischem oder zumindest kapazitivem bzw. induktivem Kontakt befindlichen weiteren Teilen. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der elektrischen Leiter durch ein Filter galvanisch mit dem Schutzleiter verbunden ist, so dass er die Ableitfunktion des Schutzleiters wahrnehmen kann.

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 galvanischen oder zumindest kapazitiven bzw. induktiven 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 Schutzleiter bezieht sich hier auch auf Masseleiter.

In der Praxis eingesetzte Übertragungssysteme besitzen in der Regel einige Wege zur Leistungsversorgung der beweglichen Einrichtung, sowie mehrere Wege zur Übertragung von Steuersignalen. In der Regel erfolgt die Energie­ zuführung durch Netzspannungsleitungen, welche mit dem örtlichen Energieversorgungsnetz (230 V, 400 V) verbunden sind. Immer häufiger werden galvanisch mit dem Netz verbundene Gleichspannung zwischen­ kreise verwendet. Hierbei wird das Wechselstromnetz mit Hilfe eines Boost­ konverters, welcher der Leistungsfaktorkorrektur dient, in ein Gleichspan­ nungsnetz übertragen. Sowohl das Wechselspannungsnetz als auch der Gleichspannungszwischenstromkreis benötigen aus Sicherheitsgründen eine Schutzleiterverbindung zwischen dem beweglichen und, dem feststehenden Anlagenteil. Die Stromtragfähigkeit der Schutzleiterverbindung und damit deren Leiter- bzw. Schleifbahnquerschnitt muss den Querschnitten der Energieversorgungsbahnen entsprechen. Die Energieversorgungsbahnen selbst sind häufig für hohe Ströme ausgelegt und besitzen daher hohe Querschnitte und eine hohe Anzahl von Kontaktfedern bzw. Kohlen. Allein der Materialaufwand für die Schutzleiterbahn sowie deren Kontaktmedien verursacht einen nicht unerheblichen Kostenaufwand. Zudem wird zusätzlicher Platz für diese Bahn benötigt. Im einfachsten Falle eines Zweileitersystems mit Schutzleiter verursacht dieser Schutzleiterweg 50% Mehrkosten bei einem um 50% höheren Platzbedarf. Im Sinne einer platzsparenden und kostengünstigen Übertragungstechnik wäre es daher wünschenswert, die Schutzleiterfunktion zu realisieren, ohne jedoch hierfür einen gesonderten Übertragungsweg zu benötigen.

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 kapazitiven bzw. induktivem Kontakt stehen, derart weiterzubilden, dass die elektrische Sicherheit der Anordnung gewährleistet werden kann, ohne einen diskreten Weg für die ausschließliche Funktion des Schutzleiters zu verwenden.

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

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass zumindest ein Weg zur Übertragung von Steuer- und/oder Datensignalen die Sicherheitsfunktion des Schutz­ leiters wahrnehmen kann. Dazu wird der Schutzleiteranschluss durch ein Filter mit den Übertragungswegen verbunden. Die Aufgabe des Filters ist die niederfrequente Verkoppelung des Schutzleiters mit den Übertragungs­ wegen und die Entkopplung der Steuersignale von dem Schutzleiter. Dazu besitzt das Filter in dem Strompfad zwischen den Übertragungswegen und dem Schutzleiter selbst eine Tiefpasscharakteristik, welche Gleichstrom­ anteile und insbesondere die niederfrequenten, der Netzfrequenz ent­ sprechenden Anteile, passieren lässt. In diesem Frequenzbereich muss das Filter so niederohmig sein und eine derartige Strombelastbarkeit aufweisen, dass es den einschlägigen Sicherheitsvorschriften entspricht. In dem anderen Pfad zwischen den Signalwegen und den Signalquellen bzw. - senken besitzt das Filter eine Charakteristik, welche die meist hoch­ frequenten Steuersignale ungehindert passieren lässt. Die Filter zwischen den Signalwegen und dem Schutzleiter haben die Aufgabe, die einzelnen Signalwege für die Steuersignale voneinander zu entkoppeln und für niederfrequente Ableitströme, welche über den Schutzleiter fließen, zu verkoppeln. Daher müssen sie so dimensioniert werden, dass sie für die den Steuersignalen entsprechenden Frequenzen eine hinreichend hohe Dämpfung aufweisen. Zudem sollen diese Filter verhindern, dass hochfrequente Anteile aus den Steuersignalen in den Schutzleiter des Netzversorgungssystems gelangen und durch diesen unerwünschter Weise abgestrahlt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die weitere Platzersparnis gegenüber schutzisolierten Systemen. Bei derartigen schutzisolierten Systemen ist der Isolationsaufwand auf den Schleif­ kontakten zwischen den Leistungsübertragungswegen und den Signalwegen gleich dem doppelten Nominal-Isolationsabstand. Werden nun erfindungs­ gemäß die Signalwege direkt mit dem Schutzleiter verbunden, so kann dieser Abstand wieder auf seinen Nominalwert, d. h. auf die Hälfte des Wertes bei einer Schutzisolation, reduziert werden. Dadurch ergibt sich eine weitere Platzeinsparung und durch den geringeren Materialverbrauch eine Verschleißreduktion.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die erhöhte Redundanz. Bei einem Schleifkontaktsystem üblicher Bauweise ist niemals mit 100%iger Sicherheit ein niederohmiger Übergang durch den Schleif­ kontakt gewährleistet. Damit ist auch im Fehlerfalle nicht auszuschließen, dass durch eine Kontaktstörung, welche durch Korrosion, Kontaktprellen oder einen mechanischen Defekt hervorgerufen werden kann, die Schutz­ leiterfunktion nur schlecht oder gar nicht vorhanden ist. Bei der erfindungs­ gemäßen Anordnung verteilt sich die Schutzleiterfunktion auf mehrere Schleifkontaktanordnungen, so dass mit großer Wahrscheinlichkeit zu­ mindest eine oder mehrere dieser Schleifkontaktanordnungen den Ableit­ strom übernehmen können. Damit besitzt die erfindungsgemäße Anordnung eine wesentlich höhere Sicherheit. Zudem besitzt in der Regel eine erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung eine wesentlich höhere Strom­ belastbarkeit, als ein üblicher Schutzleiterkontakt und bietet damit im Fehler­ fall eine niedrigere Berührspannung an dem defekten Anlagenteil. Die höhere Strombelastbarkeit ergibt sich aus der üblichen Dimensionierung von Schleifkontaktanordnungen.

Dies soll an einem einfachen Beispiel verdeutlicht werden:

Eine typische Schleifkontaktanordnung im Falle eines einfachen Schleif­ ringes für einen Computertomographen habe zwei Wege zur Energieüber­ tragung mit einer maximaler Strombelastbarkeit von 80 A sowie vier weitere Signalwege zur paarweisen Übertragung von Steuersignalen. Zur Strom­ übertragung werden herkömmliche Silbergraphitkohlen mit einem Quer­ schnitt von 5 × 4 mm² auf Messingbahnen eingesetzt. Die Strombelast­ barkeit einer solchen Silbergraphitkohle beträgt 20 A. Für die Leistungs­ bahnen werden aus Sicherheitsgründen jeweils 6 dieser Silbergraphitkohlen eingesetzt. Für die Steuersignalbahn verwendet man 4 solcher Kohlen, parallel geschaltet pro Bahn, um durch die Parallelschaltung eine Ver­ ringerung des Kontaktrauschens und damit eine Verbesserung der Signal­ übertragungsqualität zu erreichen. Als positiver Nebeneffekt erhöht sich dadurch die Strombelastbarkeit der Bahn auf ca. 80 A pro Bahn. Werden nun nach einer erfindungsgemäßen Anordnung diese 4 Steuersignalbahnen zur Wahrnehmung der Schutzleiterfunktion parallel geschaltet, so besitzt diese neue Gesamtschutzleiteranordnung eine Strombelastbarkeit von 240 A und einen entsprechend niedrigen Übergangswiderstand. Damit bietet dieses System eine wesentlich höhere Sicherheit, als ein nach konventionel­ len Regeln ausgelegtes System, bei dem eine zusätzliche Schutzleiterbahn mit 6 Silbergraphitkohlen vorgesehen ist. Sehr ähnlich ist die Dimensio­ nierung auch bei den meisten anderen, dem Stand der Technik ent­ sprechenden kontaktierenden Systemen, wie Goldfederdrahtkontakten oder auch Silberbandkontakten.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden lediglich im Filter die Signalzweige zwischen dem Schutzleiter und den Signalwegen mit der zuvor beschriebenen Tiefpasscharakteristik aus­ gestattet. Die Steuersignalquellen bzw. -senken werden direkt mit den Signalwegen verbunden. Eine solche Anordnung ist besonders kosten­ günstig realisierbar und ermöglicht dennoch eine störsichere Signalüber­ tragung. Werden über Schleifbahnen gleichstrom- oder niederfrequente Signale höherer Stromstärke übertragen, so verursacht das Kontaktrauschen der Schleifkontakte einen nicht zu vernachlässigenden hochfrequenten Spannungsabfall auf diesen Bahnen. In umfangreichen Versuchsreihen konnten hier am Amplituden bis in den Voltbereich bei Frequenzen bis zu 200 MHz nachgewiesen werden. Diese Signale überlagern sich mit den Steuersignalen. Der Vorteil der hier beschriebenen Anordnung ist aber, dass in der Regel über den Schutzleiter kein oder nur ein sehr geringer Strom fließt. Dadurch verursachen auch die Spannungsabfälle, welche durch das Kontaktrauschen hervorgerufen werden, keine nennenswerten Signalstörungen der Steuersignale. Lediglich im Störfall der Anlage, in dem ein Ableitstrom über den Schutzleiter fließt, können nennenswerte Strom­ stärken und damit nicht zu vernachlässigende Spannungsabfälle an den Signalwegen auftreten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befinden sich zusätzlich in dem Signalzweig des Filters zwischen den Steuersignalsenken und -quellen bzw. den Signalwegen Filterkomponenten, welche schmalbandig den Übertragungsfrequenzbereich der Steuersignale durchlassen und die Störfrequenzbereiche des Kontaktrauschens bzw. der niederfrequenten Netzspannungen sperren.

In einer weiteren vorteilhaften ausgestatteten Erfindung enthält der Signal­ pfad des Filters zwischen dem Schutzleiteranschluss und den Signalwegen mindestens eine Induktivität, welche mindestens zwei Wicklungen enthält, die gegensinnig gewickelt sind, so dass sich für Schutzleiterströme die Magnetfelder der Wicklungen gegenseitig aufheben. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn symmetrische Signale (Differenzsignale) auf zwei Signalwegen übertragen werden. Dadurch ergibt sich für die Differenz­ signale eine besonders hohe Induktivität und damit eine besonders hohe Filterwirkung, während für ein gemeinsames Signal, wie dem Schutzleiter­ ableitstrom, die wirksame Induktivität gegen Null geht und damit die Leiter breitbandig zur Ableitung von Schutzleiterströmen geeignet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich im Pfad des Filters zwischen den Signalwegen und Signalquelle bzw. -senke im Falle der symmetrischen Signalübertragung ein Symmetrietrieübertrager. Dieser sorgt für eine breitbandige hohe Unterdrückung von unsymmetrischen Signalen, wie sie z. B. im Falle eines hohen Ableitstromes durch den Schutz­ leiter auf den Schleifbahnen auftreten. Ebenso werden durch das Kontaktrauschen hervorgerufene Spannungsabfälle breitbandig unterdrückt, da diese auch nur als unsymmetrische Signale auftreten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Filter zwischen dem Schutzleiter und den Schleifkontakten als wesentliches Filterelement einen einfachen Ferrit- bzw. Eisenkern, welcher die Schutz­ leiterzuleitungen entweder einzeln oder, im Falle einer symmetrischen Signalübertragung, im gegenläufigen Sinne umschließt.

Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung am Beispiel einer linearen Schleifbahnstrecke. Selbstverständlich kann das Prinzip der Erfindung auch auf einen rotationssymmetrischen Schleifring oder auch eine Übertragungs­ strecke mit beliebiger Trajektorie angewendet werden. Die Schleifbahn­ strecke besteht aus den Schleifbahnen (1 ... 6) mit den entsprechenden Schleifkontakten (11 ... 16). Dabei sind in der hier beispielhaft dargestellten Anordnung die Schleifbahnen (1, 2), sowie die zugehörigen Schleifkontakte (11, 12) mit besonders hoher Spannungsfestigkeit und besonders hoher Stromtragfähigkeit zur Leistungsübertragung ausgestattet. Alle anderen Schleifbahnen und Schleifkontakte sind ausschließlich zur Signalüber­ tragung für Steuersignale ausgelegt. Die Schleifbahnen für die Steuersignale sowie die Schleifkontakte werden über die Filtereinheiten (40) bzw. (41) angeschlossen. Das erste Filter (40) enthält einen Filterblock (50), welches den Schutzleiteranschluß (27) mit den Signalwegen verbindet. Weiterhin enthält es einen zweiten Filterblock (51), welcher die Signalwege mit den entsprechenden Anschlüssen für die Steuersignale (23 ... 26) verbindet. An diesen sind dann beliebige Signalquellen bzw. -senken (27, 28) angeschlos­ sen. Eine ähnliche Anordnung befindet sich auf der anderen Seite der Schleifkontaktanordnung. Hier ist das Filter (41) mit einer ersten Filtereinheit (52) zur Verbindung des Schutzleiteranschlusses (37) mit den Signalwegen und einer zweiten Filtereinheit (53) zur Verbindung der Signalquellen bzw. -senken (37, 38) über die Ausgänge (33 ... 36) mit den Schleifbahnen zur Signalübertragung vorgesehen.

Fig. 2 dient zur Verdeutlichung der Platz- und Kosteneinsparung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Sie zeigt im Querschnitt ein typisches Schleifkontaktmodul (60) welches die Schleifbahnen (1, 2) zur Energie­ übertragung und (3 ... 6) zur Signalübertragung enthält, sowie ein ent­ sprechendes Schleifbahnmodul (61) bei dem ein zusätzlicher Schutzleiter (7) zu den Leistungsbahnen (1, 2) bzw. Signalbahnen (3 ... 6) vorgesehen ist. Um bei dem durch die zusätzliche Schutzleiterbahn verbreiterten Modul (61) auch eine hinreichende mechanische Stabilität zu erreichen, muss auch die Dicke des Moduls größer sein. Aus dem Größenvergleich der beiden Ab­ bildungen wird sofort der geringere Materialeinsatz durch Wegfall der Schutzleiterbahn sowie ein wesentlich geringerer Trägermaterialverbrauch deutlich.

Fig. 3 zeigt eine besonders günstige Anordnung, bei der der erste Filter­ block zwischen dem Schutzleiteranschluss und der Signalbahn lediglich Induktivitäten (73 ... 76) zur Entkoppelung der Signalbahn voneinander und der Signalbahnen vom Schutzleiter enthält. Die Verbindungen zwischen den Signalpfaden und den Steuersignalquellen bzw. -senken werden hier gal­ vanisch ausgeführt.

Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Anordnung, in der zusätzlich zum vorhergehenden Beispiel die Signalpfade zwischen den Signalquellen und senken sowie den Signalwegen durch Kapazitäten (83 ... 85) entkoppelt sind. Ebenso ist selbstverständlich eine Entkoppelung durch Übertrager möglich.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung, die besonders vorteilhaft bei einer Übertragung symmetrischer Signale über die Signalwege eingesetzt werden kann. Hier werden beispielhaft über die Wege 3 und 4 ein erstes, sowie über die Wege 5 und 6 ein weiteres symmetrisches Signal übertragen. In der Filtereinheit (50) zwischen dem Schutzleiteranschluss und den Steuer­ signalwegen wird nun zumindest für jeden dieser symmetrischen Signalüber­ tragungswege ein Übertrager (83, 84) verwendet, bei dem beide Wicklungen gegensinnig gewickelt werden. Dieser Übertrager bietet eine besonders hohe Unterdrückung symmetrischer Signale. Gleichzeitig wird in diesem Beispiel dargestellt, wie eine besonders hohe Störunterdrückung der Steuersignale erreicht werden kann. Dazu ist für jeden der Steuersingnal-wege ein Symmetrieübertrager (85) bzw. (86) einzusetzen. Diese Symmetrieübertrager unterdrücken, wie zuvor beschrieben, alle unsymmetrischen Signalanteile, welche durch niederfrequente Ableitströme des Schutzleiters oder auch durch Kontaktrauschen verursachte Spannungsabfälle entstehen.

Fig. 6 veranschaulicht noch die Platzeinsparung der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber einem System mit Schutzisolation. In der ersten Abbildung ist zwischen den beiden Leistungswegen (1, 2) sowie dem Signalweg (3) ein erhöhter Sicherheitsabstand (91), welcher in der Regel dem doppelten Isolationsabstand entspricht, vorzusehen. Die zweite Anordnung, welche dem Erfindungsgegenstand entspricht, zeigt, dass zwischen den beiden Leistungswegen (1, 2) sowie dem Signalweg (3) nur der reguläre Isolationsabstand (92) einzuhalten ist.

Fig. 7 zeigt noch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Übertragers (83) zur Koppelung des Schutzleiters an die Signalwege. In diesem Falle wird ein Eisen- bzw. Ferritkern, welcher im einfachsten Falle aus einem Ringkern (90) besteht, von wenigen Windungen des Schutzleiterkabels umschlossen.

Claims (5)

1. Anordnung zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen bestehend aus mindestens zwei der Trajektorie der Bewegung angepaßten elektrischen Leitern auf dem ersten Teil und mit diesen Leitern in galvanischem oder zumindest kapazitivem bzw. induktivem Kontakt befindlichen weiteren Teilen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der elektrischen Leiter durch ein Filter galvanisch mit dem Schutzleiter verbunden ist, so dass er die Ableitfunktion des Schutzleiters wahrnehmen kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Induktivität zur Kopplung des Schutzleiters an zumindest einen der elektrischen Leiter enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter für jeden elektrischen Leiter, der zur Übertragung des Schutzleiterstromes verwendet werden soll, zumindest eine Induktivität enthält, welche an einem Ende mit dem elektrischen Leiter und am anderen Ende mit dem Schutzleiter verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität zur Ankopplung des Schutzleiters aus einem Ferrit.- bzw. Eisenkern um den Schutzleiter besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität zur Ankopplung des Schutzleiters im Falle einer symmetrischen Differenzsignalübertragung auf den zur Übertragung des Schutzleiterstromes verwendeten Leitern aus einer Induktivität mit zwei gegensinnig gewickelten Wicklungen besteht.