JP2000501190A - 測定電気量及び／又は電気エネルギーを回転子と固定子との間で無接触で誘導的に伝送する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 従来装置は回転子上に配置された少なくとも１つの回転子コイル（ＲＳ）および固定子（ＳＴ）上に配置された少なくとも１つの固定子コイル（ＳＳ）を備えており、回転子コイル（ＲＳ）および固定子コイル（ＳＳ）はそれぞれ少なくとも１ターン（ＷＩ）を持っており、回転子コイル（ＲＳ）と固定子コイル（ＳＳ）との間は磁気的に結合されている。このような装置により、例えばトルクを無接触で測定するために、回転子（ＲＯ）上に配置された測定装置（ＭＡ）からの測定信号を伝送することができる。回転子（ＲＯ）のその時々の角度位置及び／又はその時々の角速度（ω）を付加的な費用を伴うことなく付加的に検出するために、回転子コイル（ＲＳ）または固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＳＩ）を形成する導体の形状変化及び／又は材料変化が、磁気結合度（ＫＧ）の周期的変動を生じ、かつ時間変調または周波数変調された測定信号の振幅（ＡＭ）の変動結果からまたは伝送エネルギーの変動結果から回転子（ＲＯ）のその時々の角度位置及び／又はその時々の角速度（ω）が導出されるように、ターン（ＷＩ）の全周にわたって局部的にかつ好ましくは周期的に構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 測定電気量及び／又は電気エネルギーを回転子と固定子との間で 無接触で誘導的に伝送する装置 本発明は、回転子上に配置された少なくとも１ターンを有する少なくとも１つ の回転子コイルと、固定子上に配置された少なくとも１ターンを有する少なくと も１つの固定子コイルとを備え、回転子コイルと固定子コイルとの間が磁気的に 結合されている、測定電気量量及び／又は電気エネルギーを回転子と固定子との 間で無接触で誘導的に伝送する装置に関する。 発生トルクつまり回転する軸の機械的動力を無接触で正確に測定することは、 今日、エネルギー技術および自動化技術における緊急緊要の課題である。その適 用分野は駆動装置の監視および制御、さらにはエネルギー変換設備の効率最適化 にある。回転する軸のトルクを無接触で測定するためのコンデンサ型変換器を有 する測定装置は欧州特許第０３５４３８６号明細書により公知である。この測定 装置は、少ない製造コストと少ない軸方向必要空間のもとで、軸を介して伝送さ れるトルクつまりは機械動力を１％以下の誤差で正確に検出し、トルクに比例す る電気信号を発生することができる。 トルクの無接触測定のために一般的には回転子コイルと固定子コイルとからな るコイルシステムが設けられ、これを介してセンサつまり測定装置からの測定信 号及び／又は装置への電気エネルギーが伝送される。対応する回転式の誘導型伝 送システムにおいては、電源領域における磁界の不均一性から回転数の信号を導 出することが知られており、かつ技術的に近い。 ドイツ国特許出願公開第４１１６０８５号明細書により、回転する軸の周期的 な絶対位置の測定方法が知られている。この測定方法においては、回転子を介し て軸を駆動する三相同期電動機の相巻線に、電動機出力をもたらす供給電圧の他 に、別の周波数の基準信号が導入される。回転子の回転によって発生される個々 の巻線の磁束変動、およびそれによって引き起こされる測定信号の振幅変動が通 常の復調手段およびフィルタ手段によって本来の基準信号周波数から分離され検 出される。それは互いに９０゜の位相差を有し、回転子つまり軸のその時々の位 置を表す２つの正弦波から発生される。しかし、軸上に配置されたセンサないし 測定装置からの測定電気量の同時伝送をこのような装置によって行うことは不可 能である。 本発明の課題は、測定電気量及び／又は電気エネルギーを回転子と固定子の間 で無接触で誘導的に伝送する装置において、付加的な費用をかけることなく、高 分解能の回転角検出装置を実現し、それによって回転子のその時々の角度位置及 び／又はその時々の角速度の正確な検出を可能にすることである。 この課題を解決するために、本発明によれば、回転子コイルまたは固定子コイ ルのターンを形成する導体が、形状変化及び／又は材料変化により、磁気的結合 度の変動が生ずるようにターンの全周にわたって局部的に構成され、時間変調ま たは周波数変調された測定信号の振幅の変動結果からまたは伝送エネルギーの変 動結果から、回転子のその時々の角度位置及び／又はその時々の角速度が導出さ れる。 本発明の好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。 局部的な、また好ましくは周期的な形状変化及び／又は材料変化を有する固定 子コイルまたは回転子コイルの本発明による構成は、付加的費用を伴うことなく 、増分式誘導型角度測定の原理に基づく高分解能の回転角度発信器として装置の 利用を可能にする。それにより、回転軸のトルクの無接触測定装置において、ま たは軸上に配置されたセンサまたは測定装置からの測定電気量のための他の任意 の誘導伝送システムにおいて、軸ないし回転子のその時々の角速度を同時に検出 することができる。その場合、軸の１回転あたり例えば２４０パルスの分解能を 問題なしに達成することができる。 次に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 図面において、 図１は、回転子のトルクを無接触で測定するための測定装置、および測定信号 を回転子から固定子へ及び／又は電気エネルギーを固定子から回転子へ無接触で 誘導的に伝送する装置を大幅に簡略化して示す概略図であり、 図２は、結合度の変調のための、図１による装置の固定子コイルのターンの半 径の周期的変化の原理を示す説明図であり、 図３は、図２の固定子コイルの形状変化による結合度の変動を示し、 図４は、図２の結合度の変動から生ずる時間変調または周波数変調された測定 信号の振幅の変動を示し、 図５は、図４の振幅変動に対応する角度パルスを示し、 図６は、断面積変化による周期的かつ局部的な構造を有する固定子コイル導体 の結合度の変調に関する第１の変形例を示し、さらに、 図７は、材料変化による周期的かつ局部的な構造を有する固定子コイル導体の 結合度の変調に関する第２の変形例を示す。 図１は、回転子ＲＯのトルクを無接触で測定するために回転子ＲＯ上に配置さ れた測定装置ＭＡ、および測定装置ＭＡからの測定信号を固定子ＳＴへ無接触で 誘導的に伝送する装置を大幅に簡略化して示している。概略的に示された測定装 置ＭＡは欧州特許第０３５４３８６号明細書により公知のコンデンサ型変換器を 有する測定装置である。 測定信号を回転子ＲＯから固定子ＳＴへ及び／又は電気エネルギーを固定子Ｓ Ｔから回転子ＲＯへ無接触で伝送する装置は回転子ＲＯ上に配置された回転子コ イルＲＳおよび固定子コイルＳＳを含んでいる。電流供給端を有する単一ターン ＷＩからなる固定子コイルＳＳは固定子ＳＴに接続された導体板ＬＰ上にプレー ナ技術によって形成されている。回転子コイルＲＳは回転子ＲＯ上に、固定子コ イルＳＳとの間に磁気結合が生ずるように配置されている。回転子コイルＲＳの 直径は固定子コイルＳＳの直径よりも著しく小さいことを認識すべきである。回 転子コイルＲＳと固定子コイルＳＳとの直径比は例えば１：６０である。 回転子ＲＯ上に配置された測定装置ＭＡの電子回路へのエネルギー供給は、固 定子コイルＳＳの電源に接続された高周波発生器ＨＦＧを介して行われる。その 場合、一方の接続導線には電流測定装置ＳＭが介挿され、他方の接続導線には抵 抗Ｒが介挿される。この抵抗Ｒの両端の電圧Ｕが整流器ＧＲに導かれ、この整流 器ＧＲの出力側にトリガ回路ＴＳおよびカウンタＺが接続されている。 このような構成により、測定信号及び／又は電気エネルギーの誘導的伝送とと もに、回転子ＲＯの角速度ωの正確な検出も可能になる。これに関連して、固定 子コイルＳＳの幾何学的形状は、ターンＷＩの半径がターンＷＩの全周にわたる 周期的な変動を有するように構成される。図１および特に図２から分かるように 、固定子コイルＳＳのターンＷＩの半径は回転子コイルＲＳのほぼ直径分だけ周 期的に変化している。図２は回転子コイルＲＳの互いに異なる３つの位相位置を 、固定子コイルＳＳの最大直径部、最小直径部、および中間位置で示している。 図１および図２から認められる固定子コイルＳＳの形状変化は結合度ＫＧに周 期的かつ定常的な変動をもたらす。この変動は図３に時間的推移として示されて いる。結合度ＫＧの変動から生ずる、抵抗Ｒ（図１参照）の両端電圧Ｕの振幅Ａ Ｍの変動が図４に示されている。整流およびトリガ処理の後、図５に示されてい る角度パルスＷＰが生成される。整流器ＧＲおよびトリガ回路ＴＳの出力側に配 置されたカウンタＺ（図１）によって、例えば角度パルスＷＰの立ち上がりおよ び立ち下がりが検知され、すなわち高分解能の角度発信器が実現され、内挿補間 によることなく、回転子ＲＯの１回転あたり例えば２４０パルスを発生させるこ とができる。この実施形態では、固定子コイルＳＳの直径は２０ｃｍであり、回 転子コイルＲＳの直径は６ｍｍである。 図６は、断面積変化による周期的かつ局部的な構造を有する固定子コイルＳＳ の導体の結合度ＫＧ（図３参照）の変調に関する第１の変形例を示す。 図７は、材料変化による周期的かつ局部的な構造を有する固定子コイルＳＳの 導体の結合度ＫＧ（図３参照）の変調に関する第２の変形例を示す。ここでは、 導体の長手方向に見て、透磁率の小さいか又は通常の材料の領域ＮＰと、透磁率 の大きい材料の領域ＨＰとが交互に配置されている。固定子コイルＳＳを構成す る導体に磁気的障害物を周期的に取付けることによっても同等の効果を達成する ことができる。 上述の実施形態とは異なり、図３に示されている結合度ＫＧの変動は、回転子 コイルの形状変化及び／又は材料変化によっても実現することができる。その場 合、固定子コイルの幾何学的寸法は回転子コイルの構造の周期性に合わされる。 すなわち、固定子コイルは対応する小さな直径を持つことになる。 すべての実施形態において、図３から認められる結合度ＫＧの変動によって高 分解能の角度発信器の付加的な機能が可能になる。その場合、結合度の減少は、 エネルギーまたは測定信号の伝送が少ししか妨げられないように、小さく選定さ れる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 部的にかつ好ましくは周期的に構成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転子（ＲＯ）上に配置された少なくとも１ターンを有する少なくとも１ つの回転子コイル（ＲＳ）と、固定子（ＳＴ）上に配置された少なくとも１ター ン（ＷＩ）を有する少なくとも１つの固定子コイル（ＳＳ）とを備え、回転子コ イル（ＲＳ）と固定子コイル（ＳＳ）との間が磁気的に結合されている、測定電 気量及び／又は電気エネルギーを回転子（ＲＯ）と固定子（ＳＴ）との間で無接 触で誘導的に伝送する装置において、回転子コイル（ＲＳ）または固定子コイル （ＳＳ）のターン（ＷＩ）を形成する導体が、形状変化及び／又は材料変化によ り、磁気的結合度（ＫＧ）の変動が生ずるようにターン（ＷＩ）の全周にわたっ て局部的に構成され、時間変調または周波数変調された測定信号の振幅の変動結 果からまたは伝送エネルギーの変動結果から、回転子（ＲＯ）のその時々の角度 位置及び／又はその時々の角速度（ω）が導出されることを特徴とする測定電気 量及び／又は電気エネルギーを回転子と固定子との間で無接触で誘導的に伝送す る装置。 ２．回転子コイル（ＲＳ）または固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ）を形 成する導体が、形状変化及び／又は材料変化により、磁気結合度（ＫＧ）の周期 的変動が生ずるようにターン（ＷＩ）の全周にわたって局部的かつ周期的に構成 されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．回転子コイル（ＲＳ）または固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ）を形 成する導体が、形状変化及び／又は材料変化により、磁気結合度（ＫＧ）の周期 的かつ定常的な変動が生ずるようにターン（ＷＩ）の全周にわたって局部的かつ 周期的に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。 ４．回転子上に導体板が配置され、その導体板の上に回転子コイルがプレーナ 技術によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装 置。 ５．固定子（ＳＴ）上に導体板（ＬＰ）が配置され、その導体板（ＬＰ）の上 に固定子コイル（ＳＳ）がプレーナ技術によって形成されていることを特徴とす 請求項１乃至３の１つに記載のる装置。 ６．回転子コイルのターンの半径はターンの全周にわたる周期的な変動を有す ることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。 ７．固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ）の半径はターン（ＷＩ）の全周に わたる周期的な変動を有することを特徴とする請求項１，２，３，５の１つに記 載の装置。 ８．回転子コイルのターンを形成する導体の断面積はターンの全周にわたる周 期的な変動を有することを特徴とする請求項１，２，３，４の１つに記載の装置 。 ９．固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ）を形成する導体の断面積はターン （ＷＩ）の全周にわたる周期的な変動を有することを特徴とする請求項１，２， ３，５の１つに記載の装置。 １０．回転子コイルのターンを形成する導体はターンの全周にわたって大きな 透磁率を有する材料の領域を周期的に持つことを特徴とする請求項１，２，３， ４の１つに記載の装置。 １１．固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ）を形成する導体はターン（ＷＩ ）の全周にわたって大きな透磁率を有する材料（ＨＰ）の領域を周期的に持つこ とを特徴とする請求項１，２，３，５の１つに記載の装置。 １２．固定子コイルの幾何学的寸法は回転子コイルのターン構造の周期性に合 わされていることを特徴とする請求項１，２，３，４，６，１０の１つに記載の 装置。 １３．固定子コイルの直径は回転子コイルのターンの半径の変動にほぼ対応し ていることを特徴とする請求項６又は１２に記載の装置。 １４．回転子コイル（ＲＳ）の幾何学的寸法は固定子コイル（ＳＳ）のターン （ＷＩ）の構造の周期性に合わされていることを特徴とする請求項１，２，３， ５，７，９，１１の１つに記載の装置。 １５．回転子コイル（ＲＳ）の直径は固定子コイル（ＳＳ）のターン（ＷＩ） の半径の変動にほぼ対応していることを特徴とする請求項７又は１４に記載の装 置。 １６．回転子（ＲＯ）上に配置されたセンサまたは測定装置（ＭＡ）の測定電 気量及び／又は電気エネルギーを固定子（ＳＴ）に無接触で伝送し、かつ回転子 （ＲＯ）のその時々の角度位置及び／又はその時々の角速度（ω）を同時に検出 するために使用される請求項１乃至１５の１つに記載の装置。