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WO2009033573A1 - Koppeleinrichtung - Google Patents

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WO2009033573A1
WO2009033573A1 PCT/EP2008/007079 EP2008007079W WO2009033573A1 WO 2009033573 A1 WO2009033573 A1 WO 2009033573A1 EP 2008007079 W EP2008007079 W EP 2008007079W WO 2009033573 A1 WO2009033573 A1 WO 2009033573A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coupling
coupling device
housing part
electrically conductive
capacitive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/007079
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Zhidong Hua
Olaf Simon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Original Assignee
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39925021&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2009033573(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by SEW Eurodrive GmbH and Co KG filed Critical SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority to EP08801758.7A priority Critical patent/EP2201584B2/de
Publication of WO2009033573A1 publication Critical patent/WO2009033573A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F2027/348—Preventing eddy currents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling

Definitions

  • the invention relates to a coupling device for a system for contactless energy and data transmission.
  • the invention has the object of developing a system with contactless energy and data transmission, the error rate of the transmission is reduced.
  • a first housing part and a second housing part are provided which are rotatably supported relative to each other about an axis, wherein a primary winding and a secondary winding form an inductive coupling element, wherein the primary winding on the first housing part concentric to the axis is arranged and the secondary winding is arranged on the second housing part concentric with the axis,
  • An electrically conductive coupling surface is formed on the first housing part and on the second housing part an electrically conductive coupling surface is formed, which together form a capacitive coupling element.
  • a first pair of coupling surfaces and on the second housing parts, a second pair of coupling surfaces is formed on the first housing part, wherein each form a contact surface of the first pair with a contact surface of the second pair a capacitive coupling element.
  • the inductive coupling element is surrounded by a magnetic shield.
  • the magnetic shield between inductive coupling element and capacitive coupling elements is arranged.
  • the coupling surfaces are formed by metallic, annular bands whose surface is arranged in each case radially to the axis of rotation.
  • the capacitive coupling elements are functional independently of the rotational position, because the electrical coupling surfaces simulate the rotational symmetry of the coupling device.
  • the coupling surfaces of each pair are arranged on a common, imaginary cylinder.
  • a compact size is provided.
  • the turns of the primary winding and the secondary winding each extend about the axis of rotation.
  • the primary winding and the secondary winding are each connected to a plug which has a pull-out protection.
  • a high current for example, of more than 10 A, transferable, and the system has increased security.
  • the inductive coupling element is arranged radially within the capacitive coupling elements.
  • each contact surface has a ring width of 1 cm to 3 cm, in particular 2 cm.
  • the coupling surfaces of each capacitive coupling device 0.5 cm to 2 cm, in particular 1 cm, spaced.
  • particularly favorable conditions for data transmission are achieved.
  • the coupling surfaces of the capacitive coupling devices each form an electrically conductive ring, which is electrically severed at one point.
  • circulating eddy currents that would be induced in the capacitor surfaces of the capacitive coupling elements of the inductive coupling element, interrupted.
  • the coupling surfaces of the capacitive coupling devices are each connected in the middle between the ends formed by the transection with connection means.
  • Coupling devices in the circumferential direction transverse gaps or cuts.
  • eddy currents that would be induced in the capacitor surfaces of the capacitive coupling elements of the inductive coupling element further reduced.
  • the coupling surfaces are each mounted on an electrically insulating pad.
  • an undisturbed data transmission over the communication channel formed by the coupling surfaces is made possible.
  • Figure 1 shows a rotary transformer according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view through the rotary transformer of Figure 1
  • Figure 3 is a sectional view through another rotary transformer
  • Figure 4a is a copper strip for a coupling element of a rotary transformer
  • Figure 4b shows another copper strip for a coupling element of a rotary transformer
  • FIG 5 shows the electronic block diagram of a rotary transformer.
  • FIG. 1 shows a rotary transformer 1 according to the invention.
  • a first housing part 2 is connected by a connecting ring 4 to a second housing part 3.
  • First housing part 2 and second housing part 3 are rotatable about the axis of the connecting ring 4 against each other.
  • a terminal box 5 is formed on the first housing part 2 and the second housing part 3.
  • a plug 6 for power ie for more than 1OA, formed and a BNC connector 8 for connecting a high-frequency line.
  • a hinged bracket on the plug 6 forms a pull-out fuse 7 for the plug of the power line.
  • First housing part 2 and second housing part 3 are made of plastic.
  • FIG. 2 shows an axial section through the rotary transformer according to FIG. 1.
  • the connecting ring 4 is connected by screws 9 with a hollow shaft 10. In this way, a bearing is formed, in which the first housing part 2 and the second housing part 3 are rotatably arranged.
  • the plug 6 is connected by leads, not shown, with terminals 22, which in turn are connected to the two ends of a primary winding 20.
  • the windings of the primary winding 20 extend around the axis of rotation of the rotary transformer.
  • Magnetic field which passes through a ring-shaped extending around the axis of rotation secondary winding 21 and induces a current in the secondary winding 21.
  • the secondary winding 21 is fixedly connected to the second housing part and connected via terminals and not shown conductor with a not visible in Figure 2 connector 6.
  • Primary winding 20 and secondary winding 21 have a common axis.
  • the primary winding and the secondary winding form an inductive coupling element, and it is energy contactless inductively transmittable across the hinge.
  • an air gap 24 is arranged, which allows the relative rotatability of the first and second housing part.
  • Primary winding 20 and secondary winding 21 are each of U-shaped in cross-section, annular-trough-shaped shields 23, whose openings are facing each other. Thus, the magnetic field generated by the primary winding and the secondary winding is included and substantially does not come out of the annular region enclosed by the shields 23.
  • a ring insert 25 extending concentrically with the axis of rotation is formed on the first housing part 2, on the inside of which a pair of annular copper bands 26, 27 are attached.
  • the copper strips 26, 27 are electrically connected to the two terminals of the BNC terminal 8 in the terminal box 5 of the first housing part 2.
  • a second concentrically extending annular insert 31 is formed on the second housing part 3, on the outside of a further pair of annular copper bands 28, 29 is arranged.
  • the copper strips 28, 29 are electrically connected to the two terminals of the BNC terminal 8 in the terminal box 5 of the second housing part 3.
  • the ring inserts 25, 31 are arranged concentrically with each other and thus allow unrestricted rotational movement of the rotary connector.
  • the copper strips 26, 27, 28, 29 are radially aligned, that is, the normal of the surface points in the radial direction with respect to the axis of rotation.
  • the copper strips 26 and 28 are arranged opposite one another at the same axial position and thus form a capacitive coupling element in the form of a capacitor.
  • the copper bands page 8 are radially aligned, that is, the normal of the surface points in the radial direction with respect to the axis of rotation.
  • the copper strips 26 and 28 are arranged opposite one another at the same axial position and thus form a capacitive coupling element in the form of a capacitor.
  • the ring width of the inserted copper strips 26, 27, 28, 29 is 2 cm, the copper strips 26, 27, 28, 29 of each capacitive coupling element are spaced 1 cm.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a rotary transformer according to the invention. Shown is a sectional view of a side of the rotary transformer. The axis of rotation 31 is indicated by a dashed line. The representation of the bearings and the electrical connections has been suppressed to improve the clarity of the drawing.
  • an annular trough 33 made of ferromagnetic material is embedded in a first housing part 2.
  • the primary winding 32 is wound.
  • an annular support 35 with the secondary winding 34 a engages an annular support 35 with the secondary winding 34 a.
  • the primary winding 32 is thus arranged radially within the secondary winding 35.
  • the annular support 35 is fixed to the second housing part 3.
  • a lid 36 made of ferromagnetic material is incorporated, which closes the trough 33 in an annular manner.
  • the interior of the trough 33 receiving the primary winding 32 and the secondary winding 34 is magnetically sealed against the outside.
  • First housing part 2 and second housing part 3 are rotatably mounted about the axis of rotation 31 against each other. Between the housing parts, a gap 37 is formed, which has an axially extending, rotationally symmetrical region 38 and terminates in a labyrinth seal 30.
  • Copper bands 28, 29 are mounted on an electrically non-conductive substrate and electrically isolated from each other and against the environment.
  • a first copper strip 26 of the first pair thus forms, together with a first copper strip 28 of the second pair, a capacitor and thus a first capacitive coupling element.
  • the second copper strip 27 of the first pair together with the second copper strip 29 of the second pair forms a capacitor and thus a second capacitive coupling element.
  • Air is arranged between the two copper strips belonging to each capacitive coupling element.
  • First capacitive coupling element and second capacitive coupling element together form a transmission channel for data transmission.
  • the copper strips 26, 27, 28, 29 of the rotary transformer are designed such that the smallest possible eddy currents are induced by the inductive coupling element.
  • FIG. 4a shows a first example of such a development.
  • transverse strips 42 made of copper are arranged to form a copper strip 40 and electrically connected thereto, so that gaps 43 are formed between the transverse strips 42. These gaps reduce induced eddy currents in the copper strip 40.
  • the copper strip 40 is assembled at the ends 44 to form an annular copper strip.
  • the ends 44 are assembled to a gap, so that no circular currents can flow along the longitudinal strip 41.
  • FIG. 4b shows a second example of a development of the copper strips 26, 27, 28, 29. Page 10
  • a copper strip 30 In a copper strip 30 side incisions 45 are laterally introduced in the longitudinal direction, so that there is a total of a meandering extending conductor.
  • the copper strip 40 is assembled at the ends 44 to form an annular copper strip.
  • the ends 44 are assembled to a gap so that no circulating currents can flow along the copper strip 40.
  • Figure 5 shows the block diagram of a non-contact power and data transmission via a freely rotatable coupling.
  • a trained as a transducer head rotary transformer 61 comprises a primary side 56 and a secondary side 57 of a transformer, which are arranged rotatable against each other.
  • the transformer forms the inductive coupling element for non-contact power transmission.
  • the primary side 56 is fed from a generator 54 with a constant alternating current with a current of 10 A or 60 A and a frequency of 25 kHz. Other frequencies between 10 kHz and 200 kHz are foreseeable.
  • This alternating current is passed through the transformer to a rectifier 55.
  • a rectifier 55 To increase the coupling strength of the rectifier comprises a resonant circuit whose resonance frequency is tuned to the frequency of the injected alternating current.
  • the rectifier 55 supplies a load 60, for example a converter or a motor or an electronic circuit.
  • the generator 54 also provides a modem 50 and a transceiver 52.
  • the modem 50 receives data via a line, not shown, and passes these as signals to the transceiver 52.
  • the transceiver 52 amplifies the signals. Page 11
  • the rotary transformer 61 comprises a first capacitor 58 and a second capacitor 59.
  • the capacitors 58, 59 form the capacitive coupling elements of a transmission channel for data transmission.
  • the capacitors 58, 59 are each designed so that the two plates are mutually movable.
  • signals from the transceiver 53 can be transmitted to the transceiver 53 and vice versa.
  • a return via a ground line is not necessary.
  • the susceptibility is reduced.
  • the transceiver 53 is fed from the alternating current transmitted via the inductive coupling element, in particular from the rectifier 55. From the transceiver 53, the signals reach the modem 51, which is also supplied by the rectifier 55.
  • the modem 51 may send data to the transceiver 53 received in the modem 50.
  • a bidirectional data exchange via a movable coupling device wherein parallel to the coupling for the data exchange, an inductive coupling is provided for energy from which a consumer and the transceivers 52, 53 and / or the modems 50, 51 are supplied.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

Bei einem Drehübertrager sind induktive Koppelelemente zur berührungslosen Energieübertragung und kapazitive Koppelelemente zur berührungslosen Datenübertragung konzentrisch mit der Drehachse des Drehübertragers ausgebildet, wobei zwischen induktiven Koppelelemente und kapazitiven Koppelelementen eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist.

Description

Seite 1
Koppeleinrichtung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Koppeleinrichtung für eine Anlage zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung.
Aus der DE 199 32 504 A1 ist eine Realisierung einer kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zweier zueinander drehbarer Teile bekannt, bei dem zwei oder mehr Spulen drehbar gelagert sind, wobei mindestens eine der Spulen sich in einer Hälfte befindet, die einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit berührungsloser Energie- und Datenübertragung weiterzubilden, wobei die Fehlerrate der Übertragung verringert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Koppeleinrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Koppeleinrichtung sind, dass ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil vorgesehen sind, die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind, wobei eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement bilden, wobei die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist,
- am ersten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist und am zweiten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist, die zusammen ein kapazitives Koppelelement bilden. Von Vorteil ist dabei, dass die induktive Kopplung eine die Energieversorgung mit großen Stromstärken von konstanter Frequenz ermöglicht, während die kapazitive Kopplung eine verzerrungsarme Übertragung von Signalpulsen zur Datenübertragung ermöglicht.
BESTATIGUNGSKOPIE Seite 2
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am ersten Gehäuseteil ein erstes Paar von Koppelflächen und am zweiten Gehäuseteile ein zweites Paar von Koppelflächen ausgebildet, wobei je eine Kontaktfläche des ersten Paars mit einer Kontaktfläche des zweiten Paars ein kapazitives Koppelelement bilden. Von Vorteil ist dabei, dass das Signal der Leistungsübertragung nicht auf das Signal der Datenübertragung übersprechen kann. Somit sind die Übertragungsfehler verringert. Von Vorteil ist weiter, dass mit dem induktiven Koppelelement große Stromstärken übertragbar sind und somit eine Leistungsversorgung möglich ist, während mit den kapazitiven Koppelelementen Datensignale mit kleiner Stromstärke verzerrungsarm übertragen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das induktive Koppelelement von einer magnetischen Abschirmung umgeben. Vorzugsweise ist die magnetische Abschirmung zwischen induktivem Koppelelement und kapazitiven Koppelelementen angeordnet. Somit ist die Induktion von Wirbelströmen durch die induktive Übertragung in die kapazitiven Koppelelemente weiter vermindert und es sind Störquellen für die Datenübertragung vom Übertragungsbereich ferngehalten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Koppelflächen durch metallische, ringförmige Bänder gebildet, deren Oberfläche jeweils radial zur Drehachse angeordnet ist. Somit sind die kapazitiven Koppelelemente unabhängig von der Drehposition funktionsfähig, weil die elektrischen Koppelflächen die Drehsymmetrie der Koppeleinrichtung nachbilden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jedes Paars auf einem gemeinsamen, gedachten Zylinder angeordnet. Somit ist eine kompakte Baugröße bereitgestellt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils um die Drehachse. Von Vorteil ist dabei, dass die Leistungsversorgung unabhängig von der Drehposition der Koppeleinrichtung bereitsteht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit einem Stecker verbunden, der eine Auszugssicherung aufweist. Somit ist eine hohe Stromstärke, beispielsweise von mehr als 10 A, übertragbar, und die Anlage weist eine erhöhte Sicherheit auf. Seite 3
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das induktive Koppelelement radial innerhalb der kapazitiven Koppelelemente angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass das induktive Koppelelement mit geringem Platzbedarf ausführbar ist, und dass die kapazitive Kopplung preiswert realisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Kontaktfläche eine Ringbreite von 1 cm bis 3 cm auf, insbesondere 2 cm. Vorzugsweise sind die Koppelflächen jeder kapazitiven Koppeleinrichtung 0,5 cm bis 2 cm, insbesondere 1 cm, beabstandet. Somit sind besonders günstige Verhältnisse für die Datenübertragung erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils eine elektrisch leitenden Ring, der an einer Stelle elektrisch durchtrennt ist. Somit sind umlaufende Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, unterbrochen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils in der Mitte zwischen den durch die Durchtrennung gebildeten Enden mit Anschlussmitteln verbunden. Somit ist eine gute Dateneinkopplung erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Koppelflächen der kapazitiven
Koppeleinrichtungen in Umfangsrichtung quer verlaufende Lücken oder Einschnitte auf. Somit sind Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, weiter vermindert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jeweils auf einer elektrisch isolierenden Unterlage befestigt. Somit ist eine ungestörte Datenübertragung über den durch die Koppelflächen gebildeten Kommunikationskanal ermöglicht.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe. Seite 4
Bezugszeichenliste
1 Drehübertrager 5 2 Gehäuseteil
3 Gehäuseteil
4 Verbindungsring
5 Anschlusskasten
6 Stecker
10 7 Auszugssicherung
8 BNC-Anschluss
9 Schraube 10 WeIIe
20 Primärwicklung 15 21 Sekundärwicklung
22 Anschluss
23 Abschirmung
24 Luftspalt
25 Ringeinsatz
20 26, 27, 28, 29 Kupferband
30 Labyrinthdichtung
31 Drehachse
32 Primärwicklung
33 Trog
25 34 Sekundärwicklung
35 Träger
36 Deckel
37 Spalt
38 Bereich
30 40 Kupferstreifen
41 Längsstreifen
42 Querstreifen
43 Lücke Seite 5
44 Streifenende
45 Einschnitt 50, 51 Modem
52, 53 Transceiver 5 54 Generator
55 AC/DC-Wandler
56 Primärseite
57 Sekundärseite 58, 59 Kondensator
10 60 Verbraucher 61 Drehübertrager
Seite 6
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Es zeigt
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Drehübertrager, - Figur 2 eine Schnittansicht durch den Drehübertrager nach Figur 1 , Figur 3 eine Schnittansicht durch einen weiteren Drehübertrager, Figur 4a eine Kupferband für ein Koppelelement eines Drehübertragers, Figur 4b ein weiteres Kupferband für ein Koppelelement eines Dreh Übertragers und Figur 5 das elektronische Prinzipschaltbild eines Drehübertragers.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehübertrager 1. Ein erstes Gehäuseteil 2 ist durch einen Verbindungsring 4 mit einem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden. Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind um die Achse des Verbindungsrings 4 gegeneinander drehbar.
Am ersten Gehäuseteil 2 und am zweiten Gehäuseteil 3 ist je ein Anschlusskasten 5 ausgebildet. An jedem Anschlusskasten 5 ist ein Stecker 6 für Starkstrom, also für mehr als 1OA, ausgebildet und ein BNC-Stecker 8 für den Anschluss einer Hochfrequenzleitung.
Ein klappbarer Bügel am Stecker 6 bildet eine Auszugssicherung 7 für den Stecker der Starkstromleitung.
Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind aus Kunststoff gefertigt.
Figur 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den Drehübertrager nach Figur 1.
Der Verbindungsring 4 ist durch Schrauben 9 mit einer Hohlwelle 10 verbunden. Hierdurch ist ein Lager gebildet, in dem das erste Gehäuseteil 2 und das zweite Gehäuseteil 3 drehbar angeordnet sind.
Der Stecker 6 ist durch nicht gezeigte Leitungen mit Anschlüssen 22 verbunden, die ihrerseits mit den beiden Enden einer Primärwicklung 20 verbunden sind. Die Wicklungen der Primärwicklung 20 verlaufen um die Drehachse des Drehübertragers. Somit erzeugt ein Wechselstrom, der über den Stecker 6 in die Primärwicklung 20 eingeprägt wird, ein Seite 7
Magnetfeld, das eine ringförmig um die Drehachse verlaufende Sekundärwicklung 21 durchsetzt und in der Sekundärwicklung 21 einen Strom induziert. Die Sekundärwicklung 21 ist mit dem zweiten Gehäuseteil fest verbunden und über Anschlüsse und nicht gezeigte Leiter mit einem in Figur 2 nicht ersichtlichen Stecker 6 verbunden. Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 weisen eine gemeinsame Achse auf. Somit bilden Primärwicklung und Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement, und es ist Energie berührungslos induktiv über das Drehgelenk hinweg übertragbar. Zwischen Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 ist ein Luftspalt 24 eingerichtet, der die relative Verdrehbarkeit von erstem und zweiten Gehäuseteil ermöglicht.
Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 sind jeweils von im Querschnitt U-förmigen, ringförmig-trogförmigen Abschirmungen 23 umfasst, deren Öffnungen einander zugewandt sind. Somit ist das von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erzeugte magnetische Feld eingeschlossen und gelangt im Wesentlichen nicht aus dem von den Abschirmungen 23 umschlossenen Ringbereich heraus.
Außerhalb der Abschirmungen 23 ist am ersten Gehäuseteil 2 ein mit der Drehachse konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 25 ausgebildet, an dessen Innenseite ein Paar ringförmiger Kupferbänder 26, 27 angebracht ist. Die Kupferbänder 26, 27 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des ersten Gehäuseteils 2 elektrisch verbunden.
Zwischen dem Ringeinsatz 25 und den Abschirmungen 23 ist am zweiten Gehäuseteil 3 ein zweiter konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 31 ausgebildet, an dessen Außenseite ein weiteres Paar ringförmiger Kupferbänder 28, 29 angeordnet ist. Die Kupferbänder 28, 29 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des zweiten Gehäuseteils 3 elektrisch verbunden.
Die Ringeinsätze 25, 31 sind konzentrisch ineinander angeordnet und ermöglichen so eine uneingeschränkte Drehbewegung des Drehverbinders.
Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind radial ausgerichtet, das heißt, die Normale der Oberfläche zeigt jeweils in radiale Richtung in Bezug auf die Drehachse. Die Kupferbänder 26 und 28 sind auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators. Ebenso sind die Kupferbänder Seite 8
27 und 29 auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein zweites kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators.
Durch die zwei parallel betriebenen kapazitiven Koppelelemente ist eine Übertragung von HF-Signalen vom BNC-Anschluss 8 des ersten Gehäuseteils 2 zum BNC-Anschluss 8 des zweiten Gehäuseteils 3 berührungslos unabhängig von der Drehposition des Drehübertragers ermöglicht.
Die Ringbreite der eingesetzten Kupferbänder 26, 27, 28, 29 beträgt 2 cm, die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 eines jeden kapazitiven Koppelelements sind 1 cm beabstandet.
Figur 3 zeigte ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehübertragers. Dargestellt ist eine Schnittansicht einer Seite des Drehübertragers. Die Drehachse 31 ist mit einer Strichpunktlinie angedeutet. Die Darstellung der Lager und der elektrischen Anschlüsse wurde zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Zeichnung unterdrückt.
In einem ersten Gehäuseteil 2 ist ein ringförmiger Trog 33 aus ferromagnetischem Material eingelassen. In diesen Trog 33 ist die Primärwicklung 32 aufgewickelt. In den von dem Trog 33 umschlossenen Raum greift ein ringförmiger Träger 35 mit der Sekundärwicklung 34 ein. Die Primärwicklung 32 ist so radial innerhalb der Sekundärwicklung 35 angeordnet.
Das ringförmige Träger 35 ist am zweiten Gehäuseteil 3 befestigt. In den zweiten Gehäuseteil 3 ist ein Deckel 36 aus ferromagnetischem Material eingearbeitet, der ringförmig den Trog 33 abschließt. Somit ist der Innenraum des Trogs 33, der die Primärwicklung 32 und die Sekundärwicklung 34 aufnimmt, magnetisch abgeschlossen gegen den Außenbereich.
Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind drehbar um die Drehachse 31 gegeneinander gelagert. Zwischen den Gehäuseteilen ist ein Spalt 37 ausgebildet, der einen axial verlaufenden, rotationssymmetrischen Bereich 38 aufweist und in eine Labyrinth- Dichtung 30 ausläuft.
In den Seitenwänden des Bereichs 38 ist ein erstes Paar von Kupferbändern 26, 27 eingelassen und gegenüber des Paars von Kupferbändern 26, 27 ein zweites Paar von Seite 9
Kupferbändern 28, 29. Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind auf einer elektrisch nichtleitenden Unterlage befestigt und gegeneinander und gegen die Umgebung elektrisch isoliert.
Ein erstes Kupferband 26 des ersten Paares bildet somit gemeinsam mit einem ersten Kupferband 28 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein erstes kapazitives Koppelelement. Ebenso bildet das zweites Kupferband 27 des ersten Paares gemeinsam mit dem zweiten Kupferband 29 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein zweites kapazitives Koppelelement. Somit ist eine Übertragung von Signalen über die kapazitiven Koppelelemente in jeder Drehposition des Drehübertragers und unabhängig von einer Drehbewegung durchführbar.
Zwischen den zwei zu jedem kapazitiven Koppelelement gehörenden Kupferbändern ist jeweils Luft angeordnet.
Erste kapazitives Koppelelement und zweites kapazitives Koppelelement bilden gemeinsam einen Übertragungskanal für die Datenübertragung.
In Weiterbildungen sind die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 der Drehübertrager derart gestaltet, dass möglichst geringe Wirbelströme vom induktiven Koppelelement induziert werden.
Figur 4a zeigt ein erstes Beispiel für eine solche Weiterbildung. Auf einem Längsstreifen 41 aus Kupfer sind zur Bildung eines Kupferstreifens 40 Querstreifen 42 aus Kupfer angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden, sodass zwischen den Querstreifen 42 Lücken 43 gebildet werden. Diese Lücken vermindern induzierte Wirbelströme im Kupferstreifen 40.
Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Längsstreifens 41 fließen können.
Figur 4b zeigt ein zweites Beispiel für eine Weiterbildung der Kupferbänder 26, 27, 28, 29. Seite 10
In einen Kupferstreifen 30 sind in Längsrichtung seitlich wechselseitig Einschnitte 45 eingebracht, sodass sich insgesamt ein mäanderförmig verlaufender Leiter ergibt. Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Kupferstreifens 40 fließen können.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird statt Kupfer ein anderer metallischer Leiter, beispielsweise Aluminium, eingesetzt.
Figur 5 zeigt das Prinzipschaltbild einer berührungslosen Energie- und Datenübertragung über eine frei drehbare Kopplung.
Ein als Übertragerkopf ausgebildeter Drehübertrager 61 umfasst eine Primärseite 56 und eine Sekundärseite 57 eins Transformators, die gegeneinander verdrehbar angeordnet sind. Der Transformator bildet das induktive Koppelement für eine berührungslose Leistungsübertragung.
Die Primärseite 56 wird aus einer Generator 54 mit einem konstanten Wechselstrom mit einer Stromstärke von 10 A oder 60 A und einer Frequenz von 25 kHz gespeist. Auch andere Frequenzen zwischen 10 kHz und 200 kHz sind vorsehbar.
Dieser Wechselstrom wird über den Transformator an einen Gleichrichter 55 weitergegeben. Zur Erhöhung der Kopplungsstärke umfasst der Gleichrichter einen Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz des eingespeisten Wechselstroms abgestimmt ist.
Der Gleichrichter 55 versorgt einen Verbraucher 60, beispielsweise einen Umrichter oder einen Motor oder eine elektronische Schaltung.
Der Generator 54 versorgt außerdem ein Modem 50 und einen Transceiver 52. Das Modem 50 erhält über eine nicht gezeigte Leitung Daten und gibt diese als Signale an den Transceiver 52 weiter. Der Transceiver 52 verstärkt die Signale. Seite 11
Der Drehübertrager 61 umfasst einen ersten Kondensator 58 und einen zweiten Kondensator 59. Die Kondensatoren 58, 59 bilden die kapazitiven Koppelelemente eines Übertragungskanals für die Datenübertragung.
Die Kondensatoren 58, 59 sind so jeweils gestaltet, dass die beiden Platten gegeneinander beweglich sind.
Über die parallel angeordneten Kondensatoren 58, 59 sind Signale vom Transceiver 53 an den Transceiver 53 übertragbar und umgekehrt. Eine Rückführung über eine Masseleitung ist nicht nötig. Somit ist die Störanfälligkeit vermindert.
Der Transceiver 53 wird aus dem über das induktive Koppelelement übertragenen Wechselstrom, insbesondere aus dem Gleichrichter 55 gespeist. Vom Transceiver 53 gelangen die Signale zum Modem 51 , das ebenfalls aus dem Gleichrichter 55 versorgt wird.
Das Modem 51 kann umgekehrt Daten an den Transceiver 53 versenden, die im Modem 50 empfangen werden.
So ist ein bidirektionaler Datenaustausch über eine bewegliche Koppeleinrichtung bereitgestellt, wobei parallel zur Koppelung für den Datenaustausch eine induktive Kopplung für Energie vorgesehen ist, aus der ein Verbraucher und die Transceiver 52, 53 und/oder die Modems 50, 51 versorgt werden.

Claims

Seite 12Patentansprüche:
1. Koppeleinrichtung mit einem ersten Gehäuseteil und einen zweiten Gehäuseteil, die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement bilden, wobei die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist, am ersten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Fläche als erste Koppelfläche ausgebildet ist und am zweiten Gehäuseteile eine elektrisch leitfähige Fläche als zweite Koppelfläche ausgebildet ist, die zusammen ein kapazitives Koppelelement bilden.
Seite 13
2. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- am ersten Gehäuseteil elektrisch leitfähige Flächen ein erstes Paar von
Koppelflächen bilden und am zweiten Gehäuseteile elektrisch leitfähige Flächen ein zweites Paar von
Koppelflächen bilden wobei je eine elektrisch leitfähige Fläche, insbesondere Koppelfläche, des ersten Paars mit einer elektrisch leitfähigen Fläche, insbesondere Koppelfläche, des zweiten Paars ein kapazitives Koppelelement bilden.
3. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile aus Kunststoff gefertigt sind oder zwischen den Gehäuseteilen und den jeweiligen elektrisch leitfähigen Flächen ein elektrisch isolierendes Material vorgesehen ist.
4. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Koppelelement von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.
5. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung zwischen induktivem Koppelelement und kapazitiven Koppelelementen angeordnet ist.
6. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen von metallischen, ringförmigen Bändern gebildet werden, deren Oberfläche jeweils radial zur Drehachse angeordnet ist.
7. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen jedes Paars auf einem gemeinsamen, gedachten Zylinder angeordnet sind. Seite 14
8. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils um die Drehachse 5 verlaufen.
9. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit einem Stecker verbunden sind, der 10 eine Auszugssicherung aufweist.
10. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Koppelelement radial innerhalb der kapazitiven Koppelelemente angeordnet ist. 15
11. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven Koppelelemente außerhalb der magnetischen Abschirmung des induktiven Koppelelements angeordnet ist. 20
12. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kontaktfläche eine Ringbreite von 1 cm bis 3 cm aufweist, insbesondere 2 cm.
25 13. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen jeder kapazitiven Koppeleinrichtung 0,5 cm bis 2 cm, insbesondere 1 cm, beabstandet sind.
30 14. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils als eine elektrisch leitender Ring ausgebildet sind, der an einer Stelle elektrisch durchtrennt ist. Seite 15
15. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils in der Mitte zwischen den durch die Durchtrennung gebildeten Enden mit Anschlussmitteln verbunden sind.
16. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen in Umfangsrichtung quer verlaufende Lücken oder Einschnitte aufweisen.
17. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelflächen jeweils auf einer elektrisch isolierenden Unterlage befestigt sind.
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