WO2001041316A2

WO2001041316A2 - Anordnung zur übertragung elektrischer signale zwischen bewegten teilen mit verringerter wegezahl

Info

Publication number: WO2001041316A2
Application number: PCT/DE2000/004263
Authority: WO
Inventors: Georg Lohr
Original assignee: Schleifring Und Apparatebau Gmbh
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2001-06-07
Also published as: WO2001041316A3; US20030016182A1; DE19957621C2; DE19957621A1; EP1252717A2

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. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der elektrischen Leiter, der gleichzeitig zur Übertragung von Steuer- und/oder Datensignalen dient, durch ein Filter galvanisch mit dem Schutzleiter verbunden ist, so dass er auch die Ableitfunktion des Schutzleiters wahrnimmt.

Description

Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale zwischen bewegten Teilen mit verringerter

Wegezahl

B E S CHRE I BUNG

Technisches Gebiet

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

Stand der Technik

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 Energiezuführung durch Netzspannungsleitungen, welche mit dem örtlichen Energieversorgungsnetz (230V, 400V) verbunden sind. Immer häufiger werden galvanisch mit dem Netz verbundene Gleichspannungszwischenkreise verwendet. Hierbei wird das Wechselstromnetz mit Hilfe eines Boost-konverters, welcher der Leistungsfaktorkorrektur dient, in ein Gleichspannungsnetz 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 so- wie 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.

Stand der Technik

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 bzw. Bewegungsbahn 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 Un- teransprüche .

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 Schutzleiters wahrnehmen kann. Dazu wird der Schutzleiteranschluss durch ein Filter mit den Übertragungswegen verbunden. Die Aufgabe des Filters ist die niederfrequente Verkuppelung des Schutzleiters mit den Übertragungswegen 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 Gleichstromanteile und insbesondere die niederfrequenten, der Netzfrequenz entsprechenden 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 hochfrequenten 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 Schleifkontakten zwi- sehen den Leistungsübertragungswegen und den Signalwegen gleich dem doppelten Nominal-Isolationsabstand. Werden nun erfindungsgemäß 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 Schleifkontakt gewährleistet. Damit ist auch im Fehlerfalle nicht auszuschließen, dass durch eine KontaktStörung, welche durch Korrosion, Kontaktprellen oder einen mechanischen Defekt hervorgerufen werden kann, die Schutzleiterfunktion nur schlecht oder gar nicht vorhanden ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung verteilt sich die Schutzleiterfunktion auf mehrere Schleifkontaktanordnungen, so dass mit großer Wahrscheinlichkeit zu-mindest eine oder mehrere dieser Schleifkontaktanordnungen den Ableitstrom übernehmen können. Damit besitzt die erfindungsgemäße Anordnung eine wesentlich höhere Sicherheit. Zudem besitzt in der Regel eine erfindungsgemäße Schleifkontaktanordnung eine wesentlich höhere Strombelastbarkeit, als ein üblicher Schutzleiterkontakt und bietet damit im Fehlerfall 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 Schleifringes für einen Computertomographen habe zwei Wege zur Energieübertragung mit einer maximaler Strombelastbarkeit von 80 A sowie vier weitere Signalwege zur paarweisen Übertragung von Steuersignalen. Zur Stromübertragung werden herkömmliche Silbergraphitkohlen mit einem Querschnitt von 5 x 4 mm² auf Messingbahnen eingesetzt. Die Strombelastbarkeit einer solchen Silbergraphitkohle beträgt 20 A. Für die Leistungsbahnen 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 Verringerung des Kontaktrauschens und damit eine Verbesserung der Signalübertragungsqualität 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 konventionellen Regeln ausgelegtes System, bei dem eine zusätzliche Schutzleiterbahn mit 6 Silbergraphitkohlen vorgesehen ist. Sehr ähnlich ist die Dimensionierung auch bei den meisten anderen, dem Stand der Technik entsprechenden 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 ausgestattet. Die Steuersignalquellen bzw. -senken werden direkt mit den Signalwegen verbunden. Eine solche Anordnung ist besonders kostengünstig realisierbar und ermöglicht dennoch eine störsichere Signalübertragung. 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 Signal - Störungen der Steuersignale. Lediglich im Störfall der Anlage, in dem ein Ableitstrom über den Schutzleiter fließt, können nennenswerte Stromstärken 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 schmal- bandig den Übertragungsfrequenzbereich der Steuersignale durchlassen und die Störfrequenzbereiche des Kontaktrauschens bzw. der niederfrequenten Netzspannungen sperren.

In einer weiteren vorteilhaften ausgestatteten Erfindung enthält der Signalpfad 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 Differenzsignale eine besonders hohe Induktivität und damit eine besonders hohe Filterwirkung, während für ein gemeinsames Signal, wie dem Schutzleiterableitstrom, 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 Symmetrieübertrager. Dieser sorgt für eine breitbandige hohe Unterdrückung von unsymmetrischen Signalen, wie sie z. B. im Falle eines hohen Ableitstromes durch den Schutzleiter 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 Schutzleiterzuleitungen entweder einzeln oder, im Falle einer symmetrischen Signalübertragung, im gegenläufigen Sinne umschließt.

Beschreibung der Abbildungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispielmit einer linearen Schleifbahnstrecke ,

Fig. 2 die Platz- und Kosteneinsparung durch eine erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 3 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4-7 weitere Ausführungsformen. Darstellung von Ausführungsbeispielen

Figur 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. Die Schleifbahnstrecke 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 Signalübertragung 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) angeschlossen. 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. Figur 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 Energieübertragung und (3 ... 6) zur Signalübertragung enthält, sowie ein entsprechendes 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 Abbildungen wird sofort der geringere Materialeinsatz durch Wegfall der Schutzleiterbahn sowie ein wesentlich geringerer Trägermaterialverbrauch deutlich.

Figur 3 zeigt eine besonders günstige Anordnung, bei der der erste Filterblock zwischen dem Schutzleiteran- schluss 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 Steuersignal- quellen bzw. -senken werden hier galvanisch ausgeführt.

Figur 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Anordnung, in der zusätzlich zum vorhergehenden Beispiel die Signal- pfade zwischen den Signalquellen und -senken sowie den Signalwegen durch Kapazitäten (83 ... 85) entkoppelt sind. Ebenso ist selbstverständlich eine Entkoppelung durch Übertrager möglich. Figur 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 Steuersignalwegen wird nun zumindest für jeden dieser symmetrischen Signalübertragungswege ein Übertrager (83, 84) verwendet, bei dem beide Wicklungen gegensinnig gewickelt werden. Dieser Übertrager bietet eine besonders hohe Unterdrük- kung symmetrischer Signale. Gleichzeitig wird in diesem Beispiel dargestellt, wie eine besonders hohe Störunterdrückung der Steuersignale erreicht werden kann. Dazu ist für jeden der Steuersignalwege 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.

Figur 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 Erfin- dungsgegenstand entspricht, zeigt, dass zwischen den beiden Leistungswegen (1, 2) sowie dem Signalweg (3) nur der reguläre Isolationsabstand (92) einzuhalten ist .

Figur 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

PATENTANSPRÜCHE

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, der gleichzeitig zur Übertragung von Steuer- und/oder Datensignalen dient, durch ein Filter galvanisch mit dem Schutzleiter verbunden ist, so dass er auch die Ableitfunktion des Schutzleiters wahrnimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrische Leiter, von denen mindestens einer zur Übertragung von Steuer- und/oder Datensignalen dient, durch Filter galvanisch mit dem Schutzleiter verbunden sind, so dass sie die Ableitfunktion des Schutzleiters wahrnehmen Können.

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

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.

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

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.