DE3321132C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung für ein Kommunikationssystem mit einer Kopplung zwischen der Spulenanordnung und einem magnetischen Feld.

Es existieren verschiedene Kommunikationssysteme, bei denen die Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Komponenten mit Hilfe eines die Verbindung herstellenden magnetischen Feldes bewerkstelligt wird, und bei denen zumindest eine der Komponenten relativ zur anderen so bewegbar ist, daß die Raumempfangscharakteristik für die Aufrechterhaltung der Kommunikation von Bedeutung ist. Das Erfordernis für das isotropische Ansprechen in Personen-Rufsystemen und bei Artikelüberwachungssystemen, um zwei Beispiele zu nennen, sollte ohne weiteres verständlich sein.

Angenommen, daß die Kommunikation entweder zu oder von der Spulenanordnung mittels eines Wechselstrom-Magnetfeldes ermöglicht werden soll, besteht ein Problem hinsichtlich der Sicherstellung einer ausreichenden magnetischen Kopplung zwischen der Spule und dem Feld, unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der Spule relativ zu den magnetischen Flußlinien des Feldes. Es ist beispielsweise bekannt, daß bei einer Flachschlaufenspule, die in ein magnetisches Feld so eingebracht wird, daß alle Flußlinien parallel zur Ebene der Spule verlaufen, nur eine geringe oder überhaupt keine magnetische Kopplung auftritt. Wenn andererseits die Spule verwendet wird, um das Feld zu erzeugen, werden die Flußlinien normal zur Hauptebene der Spule und nicht parallel dazu ausgebildet. Die Wirkung einer derartigen Spule ist deutlich anisotropisch und es werden Null-Zustände in jedem Kommunikationssystem existieren, bei dem die räumliche Ausrichtung der Spule nicht festgelegt ist oder werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Spulenanordnung zu schaffen, die eine möglichst gute magnetische Kopplung unabhängig von ihrer räumlichen Ausrichtung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spulenanordnung für ein Kommunikationssystem mit einer Kopplung zwischen der Spulenanordnung und einem magnetischen Feld gelöst, die eine Flachschlaufenspule, und mindestens zwei Streifenpaare aus magnetisch permeablem Material aufweist, wobei die Streifen jedes Streifenpaares kollinear und beidseitig der Flachschlaufenspule in deren radialer Richtung angeordnet sind und die einander zugewandten Enden der Streifenpaare so beabstandet sind, daß sie magnetische Flußwege mit geringem Widerstand bilden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwar ist in älteren Anmeldung DE 33 12 680 A1 bereits eine Spulenanordnung beschrieben, die eine flache Spule und ein einziges Paar permeabler Streifen umfaßt, die beidseitig der Spule und kollinear zueinander angeordnet sind und wobei sich die Streifen von außerhalb der Spule in deren Innenbereich erstrecken und sich in einem schmalen Bereich überlappen. Auch bei dieser Spulenanordnung wird eine verbesserte magnetische Kopplung zwischen Spule und magnetischem Feld erzielt. Jedoch ist die dadurch erreichbare Verbesserung der Unabhängigkeit der magnetischen Kopplung von der Ausrichtung der Spule nicht in jedem Fall ausreichend.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungs­ beispiele. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Kommunikationssytems, bei dem die Komponenten durch ein magnetisches Feld gekoppelt sind,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Flach- oder Scheibenspulenanordnung und deren zugehöriger Kreis, der für die Umgebung illustrativ ist, in der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Flachspule in einer Ausrichtung relativ zu den Flußlinien eines Magnetfeldes,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung des Flußvorhältnisses für eine andere Ausrichtung der Spulenanordnung,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Spule gemäß Fig. 4 zur Darstellung bestimmter zusätzlicher Ausrichtungen der Spulenanordnung,

Fig. 6 eine Vorderansicht einer Spulenanordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6.

In allen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben oder gleichen Teile.

In Fig. 1 ist eine Signalquelle 10 an einen Signalempfänger 11 durch magnetische Felder 12 angeschlossen, die zwischen beiden verlaufen. Die Quelle 10 und der Empfänger 11 können Teile eines bekannten Kommunikationssystems sein, bei dem zwischen den Komponenten durch ein magnetisches Feld eine Kopplung vorgesehen ist. Wie bereits zuvor er­ wähnt, stellt eine Personen-Rufanlage ein Beispiel dar. Bei solchen Systemen hat der Rufer die Form eines kleinen Empfängers, der üblicherweise nicht größer ist als eine Zigarettenpackung, die von einer einzelnen Person getragen wird, wenn sie sich im Geschäftsbereich oder außerhalb dieses Geschäftsbereichs bewegt. Konsequenterweise ändert sich die räumliche Orientierung des Rufers relativ zur Signalquelle ständig. Eine gleiche Situation ergibt sich bei verschiedenen anderen Kommunikationssystemen.

Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, daß der Signalempfänger 11 eine Flachschlaufenspule oder Wicklung 13 ist, die mit einem geeigneten Schaltkreis 14 verbunden ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt wird. Weiterhin wird angenommen, daß sich die Spule 13 entsprechend Fig. 3 in einem magnetischen Feld befindet. In Fig. 3 wird die Spule 13 von oben betrachtet.

Die magnetischen Flußlinien sind als unterbrochene Linien 15 dargestellt. Dies bedeutet, daß alle Flußlinien im wesentlichen parallel zueinander und normal zur Ebene der Spule 13 verlaufen; dies wird als Normalfall bezeichnet. Für solch einen Fall ist leicht verständlich, daß die maximale Flußverkettung zwischen Spule 13 und Fluß 15 auftritt. Wenn jedoch die Spule 13 so ausgerichtet ist, daß ihre Ebene parallel zu den Flußlinien liegt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, würde die magnetische Kopplung oder Verkettung üblicherweise Null sein oder zumindest vernachlässigbar. Dies wird als Parallelfall betrachtet.

Bei Betrachtung der Flachspule von der Seite, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, kann die Spule 13 um ihre Achse entsprechend dem Pfeil 16 um volle 360° gedreht werden, ohne daß die magnetische Kopplung oder Verkettung zunimmt. Die nachfolgende Bezeichnung einer Null-Ausrichtung sollte so verstanden werden, daß eine Ausrichtung so vorgenommen wird, daß eine minimale magnetische Verkettung vorliegt.

In Fig. 6 und 7 ist ein Beispiel einer Spule entsprechend der Erfindung dargestellt. Eine Flachspule 13 ist so vor­ gesehen, daß sie Endanschlüsse 21 und 22 aufweist. Eine Vielzahl von dünnen Streifen eines magnetisch permeablen Materials, hier zwei Streifenpaare 23, 24 und 25, 26, sind mit der Spule 13 verbunden. Die Streifen 23 bis 26 können aus einem ferritischen Material oder dergleichen gebildet sein und können durch einen geeigneten Klebstoff mit der Spule 13 vereinigt sein.

Entsprechend der Darstellung in den Zeichnungen verläuft der Streifen 23 von einer Stelle an einer Seite der Flach­ spule 13 über ihren radial äußersten Umfang nach innen in Richtung auf die Achse und parallel zur Hauptebene der Spule 13 parallel zur benachbarten Spulenwicklung bei 27. Der Streifen 24 befindet sich im wesentlichen kollinear hinsichtlich des Streifens 23 auf der entgegengesetzten Seite der Spule 13 und verläuft ebenso von einem Punkt jenseits des radial äußersten Durchmessers der Spule 13 nach innen in Richtung auf die Achse und parallel zur Hauptebene der Spule parallel zur benachbarten Spulen­ wicklung bei 28.

Auf gleiche Weise liegen die Streifen 25 und 26 über Abschnitten der Spule bei 29 bzw. 30 auf je einer Seite der Spule und im wesentlichen kollinear zueinander, jedoch mit ihren Längsachsen orthogonal zu den Längsachsen der Streifen 23 und 24 ausgerichtet. Aus einem nachfolgend noch zu diskutierenden Grund können einer oder mehrere der permeablen Streifen unterschiedliche Größe und Form als die anderen haben.

Wenn die Spulenanordnung der Fig. 6 und 7 in einem magne­ tischen Feld angeordnet wird, verkettet der Fluß in Richtung normal zur Spulenebene die Spule auf übliche Weise mit den permeablen Streifen, was eine vernachlässigbare Wirkung hat. Wenn jedoch die Spule entsprechend der Darstellung in Fig. 4 mit ihrer Ebene parallel zu den magnetischen Fluß­ linien ausgerichtet ist, er gibt sich folgende Situation. Wenn die Spulenanordnung mit den Längsachsen der Streifen 23 und 24 ausgerichtet ist, die mit der Flußrichtung zu­ sammenfallen, wird der Fluß einen Weg geringerer Reluktanz über die Streifen 23 und 24 durch die Ebene der Spule 13 "sehen" als durch die umgebende Luft, welcher dadurch durch die Spule 13 in ein Verkettungsverhältnis abgelenkt wird. Fig. 5 zeigt die Spulenanordnung in gerade so einem Ver­ hältnis. Da die Streifen 25 und 26 orthogonal zu den Streifen 23 und 24 im Verhältnis stehen und auf entgegenge­ setzten Seiten axial der Spule liegen, wird ihr Nettobeitrag unbedeutend sein. Wenn aber die Spule 13, immer noch parallel zum Feldfluß, in Richtung des Pfeiles 16 um 90° gedreht wird, wird der Fluß nun über die Streifen 25 und 26 durch die Ebene der Spule verlaufen.

Es ist jedoch möglich, die Spule 13 im Feld 15 so auszurichten, daß zwei oder mehrere Flußwege die Spule verketten. In solch einem Fall kann ein Null-Zustand festgestellt werden. Insbesondere treten 180° auseinander zwei Null-Zustände oder Minima auf, wenn die Spule 13 um eine Achse normal zu ihrer Ebene gedreht wird, während ihre Ebene parallel zu den Flußlinien im Feld 15 liegen. Solche Null-Zustände werden auftreten, wenn die Flußlinien 15 mit der Ausrichtung zusammenfallen, die durch die unterbrochenen Linien 31 in Fig. 6 angezeigt sind. Der Grund für die Null-Stellungen sollte klar sein. In Abwesenheit der Streifen 23 bis 26 würde keine Flußverkettung mit der Spule 13 auftreten. Der Flußverlauf im wesentlichen parallel zur Linie 31 würde mit mehreren wegen niedriger Reluktanz konfrontiert. Ein Weg verläuft über die Streifen 24 und 25 an einer Seite axial der Spule 13, ein anderer Weg über die Streifen 23 und 26 auf der anderen Seite axial der Spule 13. Keiner dieser Wege verkettet die Spule 13.

Ein weiterer Weg bezieht hintereinander die Streifen 23 und 24 ein, während noch ein anderer Weg nacheinander über die Streifen 25 und 26 verläuft. Jedoch die beiden letztgenannten Wege verketten mit der Spule 13, um so darin in entgegengesetzter Phasenlage Spannungen zu induzieren und so den Nullzustand zu bewirken.

Wenn die Spule 13 in einer Richtung um 90° gedreht wird, so daß die Flußlinien mit der unterbrochenen Linie 32 ausgerichtet ist, stellt sich der entgegengesetzte Zustand ein. Die Streifen 23 und 26 werden so parallel arbeiten, daß sie mit den Streifen 24 und 25 zusammenwirken, welche ebenfalls parallel arbeiten, um Wege niedriger Reluktanz vorzusehen, die durch die Spule 13 Inkohärenzphase hinsichtlich der in der Spule 13 induzierten Spannungen passieren.

Hinsichtlich Fig. 6 sollte festgesetzt werden, daß die Linien 31 und 32 orthogonal zueinander angeordnet sind, jedoch nicht entlang der Winkelhalbierenden der Winkel verlaufen, die zwischen den Längsachsen der Streifen 23 bis 26 gebildet werden, sondern ein wenig versetzt zu diesen Winkelhalbierenden liegen. Dieses Versetzen bedingt sich durch das Abweichen von der Symmetrie durch die andere Größe und Form des Streifens 26. Das besondere Größen-Formverhältnis der in Fig. 6 dargestellten Art ist nur beispielhaft anzusehen und hängt von den ge­ wünschten Stellen der Nullpunkte ab. So können in Ab­ hängigkeit von der bestimmten Verwendung der Spulenan­ ordnung bestimmte Stellen für die Nullstellen gegeben sein, die weniger zu beanstanden sind als andere. In solch einem Fall kann ein bestimmter Steuerungsgrad dadurch vorgenommen werden, daß die Streifenform und -größe vorgewählt wird.

Von einem rein theoretischen Standpunkt aus können die Nullpunkte eliminiert werden, wenn der Apparat so ange­ ordnet wird, daß, wenn infolge der Orientierung der Spule relativ zum magnetischen Feld, die Amplitude des durch den Mittelbereich der Spule über die permeablen Streifen verlaufende Fluß gleich der Amplitude des Flusses ist, der durch den Mittelbereich verläuft, und zwar unabhängig von den Streifen. Die Phasen der Spannungen, die in der Spule aufgrund der beiden Flußkomponenten induziert werden, sind nicht 180° außer Phase. Sogar ein geringes Abweichen von einem 180°-Verhältnis wird bei dieser Spulenausrichtung in einem signifikanten Nettosigal resultieren. Bei einer gewissen anderen Orien­ tierung kann die Phasendifferenz zwischen zwei induzierten Spannungen gleich 180° sein. Jedoch in diesem Fall werden die Amplituden nicht länger gleich sein, wodurch ein tiefes Minimum an diesem Punkt vermieden wird.

Eine gewisse Steuerung über das Phasenverhältnis kann dadurch erzielt werden, daß permeable Streifen gewählt werden, in denen Wirbelströme beim Betrieb entwickelt werden. Die Wirbelströme neigen zu einer Verzögerung des Flußzyklus in den Streifen. Beispielsweise sind in einem Permalloy- Streifen mit einer Dicke von 0,254 mm (0,010 inch) aus­ reichende Wirbelströme bei 25 kHz induziert, um eine sig­ nifikante Phasenverschiebung einzuführen. Es ist ebenso wünschenswert, eine Phasenverschiebung zwischen zwei Paaren von permeablen Streifen zu haben. Dies kann er­ reicht werden, indem verschiedene Verhältnisse von Dicken zur Breite, wie zwischen den Streifen, verwendet werden.

Während die obige Beschreibung sich auf die Verwendung einer Spule bei einer Signalempfangssituation bezieht, sollte klar sein, daß die hierin enthaltenen Prinzipien auch mit denselben Vorteilen auf einen Signalübertragungs­ fall anwendbar sind.

Es kann irgendeine geeignete Spulenkonstruktion in Flach­ form wirksam verwendet werden, wobei ihre Anisotropie durch die Verwendung der permeablen Streifen entsprechend der vorstehenden Beschreibung reduziert wird. Jegliches Material mit einer größeren Permeabilität als Luft kann mit demselben Vorteil für die Streifen verwendet werden. Da die Materialien mit höherer Permeabilität wirksamer sind, wird die letztliche Auswahl durch Kosten, Größe und Gewicht beeinflußt.

Claims (6)

1. Spulenanordnung für ein Kommunikationssystem mit einer Kopplung zwischen der Spulenanordnung und einem magnetischen Feld, enthaltend:

• - eine Flachschlaufenspule (13) und
• - mindestens zwei Streifenpaare (23, 24; 25, 26) aus magnetisch permeablem Material, wobei
• - die Streifen jedes Streifenpaares (23, 24; 25, 26) kollinear und beidseitig der Flachschlaufenspule in deren radialer Richtung angeordnet sind und
• - die einander zugewandten Enden der Streifenpaare (23, 24; 25, 26) so beabstandet sind, daß sie magnetische Flußwege mit geringem Widerstand bilden.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Streifenpaare (23, 24; 25, 26) orthogonal zueinander angeordnet sind.

3. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Streifen der Streifenpaare (23, 24; 25, 26) parallel zur Hauptebene der Flachschlaufenspule (13) erstrecken.

4. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Streifenpaare (23, 24) eine Einrichtung zum Hervorrufen einer Phasenverschiebung zwischen der durch dieses Streifenpaar (23, 24) induzierten Spannung und einer durch ein anderes Streifenpaar (25, 26) induzierten Spannung aufweist.

5. Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung gebildet wird durch die Ausbildung des Streifenpaares (23, 24) mit einer bei der Betriebsfrequenz zur Erzeugung von Wirbelströmen ausreichenden Dicke.

6. Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung gebildet wird durch die Ausbildung der Streifenpaare (23, 24; 25, 26) mit verschiedenen Breiten/Dicken- Verhältnissen.