JP3085989B2 - 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

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

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JP3085989B2
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    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転子上に配置され少なくとも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態様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ST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および回転
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AM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は、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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−38023(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/00 - 5/252 G01D 5/39 - 5/62

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転子(RO)上に配置され少なくとも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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
JP10502088A 1996-06-24 1997-06-18 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 Expired - Fee Related JP3085989B2 (ja)

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DE19625160.5 1996-06-24
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