CN101147215B - 电感式旋转传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非接触式能量传输和数据传输的装置，其具有一抗扭转地布置在一第一支架(5)上的初级绕组布置(1)与一抗扭转地布置在一第二支架(6)上的次级绕组布置(2)，其中，所述第一和第二支架(5，6)可相对旋转，所述初级绕组布置和所述次级绕组布置(1，2)均具有至少一个用于电感式电能传输的能量绕组(3)。为尽可能减小能量传输对数据传输的干扰影响，本发明建议，所述初级绕组布置和所述次级绕组布置(1，2)均具有至少一个用于电感式数据传输的数据绕组(4)，所述数据绕组(4)的至少一个数据线匝以一方式包围所述能量绕组(3)的至少一个能量线匝，使得所述数据线匝的一第一部分的绕线方向与所述能量绕组(3)的绕线方向相同，所述数据线匝的一第二部分的绕线方向与所述能量绕组(3)的绕线方向相反。

Description

电感式旋转传输装置

技术领域

本发明涉及一种以非接触方式传输能量和数据的装置，所述装置包括两个可相对旋转的支架，传输装置的初级侧绕组和次级侧绕组布置在所述支架上。 

背景技术

这种装置例如用于在两个可相对移动的零部件之间进行能量传输和数据传输。这种零部件布置主要出现在机器人技术应用领域中，这些应用领域要求机器人零部件之间的旋转角达到360°或360°以上，而且这些零部件之间需进行数据和/或能量传输。这种装置的另一应用领域的例子是在汽车的转向轴与转向柱之间进行能量传输和数据传输。 

在借助导线而实现的能量传输和数据传输中，旋转接头区域内所用的电缆必须具有极高的柔韧性，才能尽可能地减少磨损和降低生产故障率。因此，在可相对旋转的组件之间以非接触方式进行电感式能量传输和数据传输，是有利的。 

DE 199 14 395 A1中公开了一种用于在两个可相对移动的零部件之间(尤其是在汽车的转向轴与转向柱之间)传输测量数据和/或电能的电感式变压器，这种电感式变压器具有一初级传输部件与一次级传输部件。 

EP 0 510 926 A2中公开了一种用于在变压器的一转子部件与一定子部件之间进行非接触式信号传输的可旋转变压器。这种变压器包括多个频率特性各不相同的不同铁心。这些铁心均用于信号的频率选择性传输，借此可改善数据传输效率，并减小变压器的尺寸。借助这种变压器既可在转子部件与定子部件之间传输数据信号，又可传输用于电能传输的信号。 

发明内容

本发明的目的是在两个可相对转动的零部件之间实现电感式非接触能量传输和数据传输，其中，应尽可能减小能量传输对数据传输的干扰影响。 

这个目的通过一种以非接触方式进行能量传输和数据传输的装置达成，所述装置包括一抗扭转地布置在一第一支架上的初级绕组布置与一抗扭转地布置在一第二支架上的次级绕组布置，其中，第一支架和第二支架可相对旋转，初级绕组布置和次级绕组布置均具有至少一个用于电感式电能传输的能量绕组，且初级绕组布置和次级绕组布置均具有至少一个用于电感式数据传输的数据绕组，数据绕组的至少一个数据线匝以一方式包围能量绕组的至少一个能量线匝，使得数据线匝的一第一部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相同，数据线匝的一第二部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相反。 

本发明基于这样一种认识：在将数据绕组和能量绕组布置在一共用支架上的情况下，如果数据绕组的线匝包围能量绕组，就可基本排除能量绕组对数据绕组的干扰影响。但采用这种包围式布置方案时必须注意能量绕组的绕线方向。如果数据线匝的第一部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相同，数据线匝的第二部分的绕线方向就必须与能量绕组的绕线方向相反。通过这种方法，可用能量绕组在数据绕组的第二部分中感应出的一第二电压分量来补偿能量绕组在数据绕组的第一部分中感应出的电压。 

由于能量传输和数据传输均使用一独立的传输装置，因而可以不依据用于能量传输的线圈匝数来选择用于电感式数据传输的线圈匝数。因此可分别对能量传输系统和数据传输系统进行优化。 

为达到最大的补偿效应，有利的做法是，数据绕组相对于能量绕组的布置方式使得能量绕组所产生的磁场强度分量在一被数据线匝包围的面中彼此抵消，使得所述面中基本上没有磁通。所述补偿效应的物理学原理是，数据线匝中所产生的感应电压与由数据线匝构成的面中的磁通的时间相关的导出成比例。在此情况下，如果所述面中由于补偿效应而基本不产生磁通，构成相关面的数据线匝内也就不会产生感应电压，也就不会受到干扰。 

上述将数据线匝所构成的面中的磁通最小化的方案的主要实现方法是，将能量线匝基本布置在数据线匝的第一部分(绕线方向与能量绕组相同)与第二部分(绕线方向与能量绕组相反)之间的中心位置上。借此可使被数据线匝封闭的面的大约一半被一磁场强度穿过，这一磁场强度与穿过封闭面另一半的场强方向相反。在此情况下，两半面的场强分量彼此抵消，使得整个面上几乎没有磁通。由于几乎没有磁通，数据线匝中也就不会产生感应电压，数据线匝也不会受到能量绕组的干扰。 

通过将初级绕组布置和次级绕组布置实施为扁平线圈(flat coil)，可使用于非接触式能量传输和数据传输的装置具有紧凑的结构尺寸。 

根据本发明的一有利实施方式，第一和第二支架实施为旋转对称，并布置为彼此之间在轴向上相互偏移，且具有一共用旋转轴。采用这种实施方式的第一和第二支架可通过共用旋转轴相对转动。 

在将初级绕组布置和次级绕组布置实施为扁平线圈的情况下，特别有利于最小化漏磁通的做法是将第一和第二支架实施为铁氧体反射器(ferrite reflector)。铁氧体特别适合用作电感式传输装置的芯部材料，因为铁氧体电导率较低，即使在高频情况下也只会产生较小的涡流损耗。 

在用于非接触式能量传输和数据传输的装置的一特别有利的应用方案中，所述装置可安装在自动化技术领域内的具有旋转运动特征的系统中，其中，第一支架与所述系统的一固定部分相连，第二支架与所述系统的一可转动部分相连。此处可以一具有旋转式抓臂的机器人为例。此处，部分情况下要求旋转角范围在0至360°或更大，其中第一支架应能相对于第二支架旋转。举例而言，在将所述装置应用在机器人技术(需要在可相对转动的零部件之间实现能量传输和数据传输)领域内的情况下，所述装置可直接安装在一相 应的万向轴(swivel-joint shaft)上。采用这种实施方式时，将第一和第二支架实施为环形是合理的。通过这种环形实施方式，万向轴可直接穿过第一和第二支架，进而穿过所述装置。 

在需要将用于能量传输和数据传输的装置加装到现有的转动组件上的情况下，合理的做法是将第一支架和第二支架均实施为可分为一第一分支架与一第二分支架，其中，第一和第二分支架均具有一半圆形空隙。通过将所述装置实施为可分式装置，可将包括第一和第二支架以及相关的初级绕组布置和次级绕组布置的传输装置安装在一万向轴上，而无需为此拆开万向轴。借此可大幅减小安装难度，降低成本。通过半圆形空隙可以很简单地将分支架安装在万向轴周围。 

在这种可分式传输装置中，特别有利的情况是能量绕组和数据绕组均具有特别采取串联连接的一第一线圈与一第二线圈，其中，第一线圈布置在第一分支架上，第二线圈布置在第二分支架上。这种绕组布置的特别有利之处在于，即使在第一和第二线圈的匝数很大的情况下，也只需在两个线圈，亦即在两个分支架之间分别为能量绕组和数据绕组布置一个电缆连接。 

在旋转对称的环形传输装置中，可自由选择分支架线圈的匝数，并分别为能量传输和数据传输设定最佳的传输性能。至于分支架上的线圈之间的连接，只需分别为能量绕组和数据绕组布置一个电缆连接。 

附图说明

下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明，其中： 

图1为一用于非接触式能量传输和数据传输的第一扁平线圈布置的一剖视图； 

图2为用于非接触式能量传输和数据传输的第一扁平线圈布置的一俯视图； 

图3为一能量导线段与一用于感应电场强度的积分路径； 

图4为一具有两个能量线匝的第二扁平线圈布置； 

图5为一具有两个能量线匝的第三扁平线圈布置； 

图6为一具有两个数据线匝的第四扁平线圈布置；以及 

图7为一可分式扁平线圈布置。 

具体实施方式

图1显示的是一用于非接触式能量传输和数据传输的第一线圈布置的一剖视图，所述线圈布置包括一第一支架5与一第二支架6，一初级绕组布置抗扭转地布置在第一支架5上，一次级绕组布置2抗扭转地布置在第二支架6上。所示的扁平线圈布置例如用于在一具有可旋转关节的机器人中进行电感式能量传输和数据传输。其中，第一支架5例如与机器人的一固定部件相连，第二支架6与一可相对于机器人的第一部件进行旋转的部件相连。在这种应用领域中，第一支架5和第二支架6实施为环形，并安装在机器人的旋转万向轴上。初级绕组布置1具有一个初级侧能量绕组3a，这个绕组例如由一整流器供电，并产生一个被耦合至一个次级侧能量绕组3b中的磁场，次级侧能量绕组3b为次级绕组布置2的组成部分。在此情况下，可通过机器人的旋转关节来传输能量，而无需使用易于磨损的电缆连接。 

除能量传输外，所示的扁平线圈布置还可在机器人采用可旋转安装方式的部件之间进行电感式非接触数据传输。为此，初级绕组布置1具有一个初级侧数据绕组4a，次级绕组布置具有一个次级侧数据绕组4b，其中，初级侧数据绕组4a所产生的磁场被耦合至次级侧数据绕组4b中。 

第一支架5和第二支架6以及初级绕组布置1和次级绕组布置2实施为旋转对称，并布置为彼此之间在轴向上相互偏移，且具有一共用旋转轴7。这种实施方式特别有利于安装在一旋转万向轴上的情况。此外，第一支架5和第二支架6实施为环形，并在旋转轴7区域内具有一空隙。这一空隙使机器人的旋转万向轴可从中穿过。 

在所示绕组布置中，初级侧能量绕组3a的一导线被次级侧数据绕组4a的一导线从两侧包围。这种情况和下文所述的情况也适用于次级侧，因为初级绕组布置1和次级绕组布置2的基本结构是相同的。 

初级侧能量绕组3a的每根导线基本都布置在初级侧数据绕组4a的两根导线之间的中心位置上。此处需要特别注意的是，位于初级侧能量绕组3a的导线的其中一侧上的初级侧数据绕组4a的绕线方向与位于初级侧能量绕组3a另一侧上的初级侧数据绕组4a的绕线方向相反。这在初级侧能量绕组3a和初级侧数据绕组4a中通有电流的情况下意味着，初级侧能量绕组3a的一导线在左侧与初级侧数据绕组4a的一导线相邻，数据绕组4a的这一导线中的电流方向与能量导线的电流方向相同，其中，位于能量导线另一侧上的数据导线中的电流方向与能量导线中的电流方向相反。在此情况下，位于能量导线左右两侧的数据导线中会感应出方向相反的电压，这两个电压在一数据线匝内部彼此抵消。图2也对这种绕组布置进行了显示。 

图2显示的是用于非接触式能量传输和数据传输的第一线圈布置的俯视图。由于初级绕组布置和次级绕组布置的绕线方案基本相同，因而此处只显示了传输装置的一侧，这一侧不仅可以显示初级侧绕组布置，还可以显示次级侧绕组布置。如图2所示，能量绕组3的一线匝被位于其两侧的数据绕组4的一数据线匝的一导线包围。在数据线匝中通有电流的情况下，与能量线匝相邻的数据导线中的电流方向彼此相反。通过这种绕线方式可在数据线匝内部实现感应电压的补偿效应，这一点可从图3中清楚看出。 

图3显示的是一能量导线段10与一用于感应电场强度的积分路径11。积分路径11包围了一矩形面，能量导线段10为这一矩形面的一对称轴。 

能量导线段10的电流方向用一箭头表示。这一电流方向产生一磁场强 度，这一磁场强度在能量导线段10右侧穿入绘图平面，在能量导线段10左侧穿出绘图平面。在积分路径11所包围的面中，能量导线段10右侧的场强分量和能量导线段10左侧的场强分量彼此抵消，使得由积分路径11包围的面中没有磁通。其结果是，用积分路径11表示的导线回路中的感应电压正好为零。此外，积分路径11与能量导线段10相关的布置方式所表示的正是图1和图2所示的本发明的装置的实施方式中数据绕组与能量绕组相关的布置方式。这表示，在图1和图2所示的绕组布置中，数据绕组中并不存在由能量绕组引起的感应电压。借此可避免能量绕组在数据绕组内部产生干扰影响。 

在如图1和图2所示的包含一扁平线圈布置的绕组布置中，能量绕组和数据绕组的线圈匝数均为一。当然也可为能量绕组和数据绕组采用其他实施方式，而且这些实施方式同样为本发明所包括。 

图4显示的是能量绕组3具有两个能量线匝的一第二扁平线圈布置。在此情况下，数据绕组4相对于能量绕组3所采取的绕线方式使得数据绕组4的一数据线匝的其中一导线以能量绕组3的绕线方向布置，该数据线匝的另一导线相反于能量绕组3的绕线方向布置。通过这种方法可使能量绕组3的两个线匝均位于数据线匝的两根导线之间。通过此处所示的实施方式也能在数据绕组4中实现预期的磁场强度补偿效应。 

图5显示的是能量绕组3具有两个能量线匝的一第三扁平线圈布置。在这个实施例中，数据绕组4的线圈匝数也为一，这与图4所示的布置相同。但这个实施例中的数据绕组4所采取的绕线方式使得数据绕组4的一数据线匝的一进线与一回线之间只存在能量绕组3的一个能量线匝。在此情况下同样可以实现预期的对由能量绕组3所产生的磁场强度引起的感应电场强度的补偿效应。但是在电流方向彼此相反的能量导线采取这种紧密相邻的布置方式的情况下，能量导线所产生的各分磁场在水平方向上相互抑制，因此，磁场在垂直方向上(通过气隙)的扩展程度就会相对较低。借此可为能量传输减小初级侧与次级侧之间的磁耦合。 

当然也可将数据绕组4实施为具有两个线匝。图6显示的是数据绕组4具有两个数据线匝的一第四扁平线圈布置。在此处所示的实施例中，能量绕组3的线圈匝数为一。其中，所示能量绕组3的线匝被分别位于其两侧的数据绕组4的两根导线包围。在此情况下，能量绕组3所产生的感应场强分量也同样在数据绕组4的数据线匝内部彼此抵消。因此，借助这个实施例也能在很大程度上避免数据绕组4受到能量绕组3的干扰影响。 

图7显示的是一用于电感式非接触能量传输和数据传输的可分式扁平线圈布置。这种扁平线圈布置例如安装在一可分式环形支架上。借助这种支架可以很容易地将所示扁平线圈布置安装到一机器人的旋转万向轴上。由于所述扁平线圈布置具有可分性，因而可将传输装置直接安装在万向轴上，而无需先将万向轴拆散。所示扁平线圈布置具有一第一线圈布置8与一第二线圈布置9，第一线圈布置8由一能量绕组3与一数据绕组4构成，第二线圈布 置9同样具有一能量绕组3与一数据绕组4。第一线圈布置8和第二线圈布置9仅通过一用于能量绕组3的电缆连接与一用于数据绕组4的电缆连接彼此相连。即使在第一线圈布置8和第二线圈布置9的线圈匝数远大于所示实施例的情况下，也只需为能量绕组和数据绕组3，4分别设置一个连接。可分式扁平线圈布置的特点在于，第一线圈布置8与第二线圈布置9串联，其中，第一线圈布置8和第二线圈布置9所采取的绕线方式使得数据绕组4的至少一个数据线匝以一方式包围能量绕组3的至少一个能量线匝，使得数据线匝的一第一部分的绕线方向与能量绕组3的绕线方向相同，数据线匝的一第二部分的绕线方向与能量绕组3的绕线方向相反。 

附图中所示的所有扁平线圈布置都具有这样一个优点，即，可为能量绕组3和数据绕组4提供单独的绕组。借此可以初级绕组布置与次级绕组布置之间的最佳电感式能量传输为目的对能量绕组3进行优化，以及以第一支架与第二支架之间或初级绕组布置与次级绕组布置之间的最佳电感式数据传输为目的对数据绕组4进行优化。此外，根据本发明，通过数据绕组4相对于能量绕组3的创造性的布置方式，可基本排除能量绕组3的磁场在数据绕组4的数据线匝中产生感应电压的可能性，从而避免数据传输受到干扰影响。 

Claims (10)

1.一种用于非接触式能量传输和数据传输的装置，包括一抗扭转地布置在一第一支架(5)上的初级绕组布置(1)与一抗扭转地布置在一第二支架(6)上的次级绕组布置(2)，其中，所述第一支架和所述第二支架(5，6)可相对旋转，所述初级绕组布置和所述次级绕组布置(1，2)均具有至少一个用于电感式电能传输的能量绕组(3)，且所述初级绕组布置和所述次级绕组布置(1，2)均具有至少一个用于电感式数据传输的数据绕组(4)，

其特征在于，

所述数据绕组(4)的至少一个数据线匝包围所述能量绕组(3)的至少一个能量线匝，使得所述数据线匝的一第一部分的绕线方向与所述能量绕组(3)的绕线方向相同，所述数据线匝的一第二部分的绕线方向与所述能量绕组(3)的绕线方向相反。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述数据绕组(4)相对于所述能量绕组(3)的布置方式，使得所述能量绕组(3)所产生的磁场强度分量在一被所述数据线匝包围的面中彼此抵消，从而使得所述面中基本上没有磁通。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述能量线匝布置在所述数据线匝的绕线方向与所述能量绕组(3)相同的第一部分与绕线方向与所述能量绕组(3)相反的第二部分之间的基本上中心的位置上。

4.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述初级绕组布置和所述次级绕组布置(1，2)均实施为扁平线圈。

5.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和第二支架(5，6)实施为旋转对称，并布置为彼此之间在轴向上相互偏移，且具有一共用旋转轴(7)。

6.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和第二支架(5，6)实施为铁氧体反射器。

7.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述装置可安装在自动化技术领域内的具有旋转运动特征的系统中，其中，所述第一支架(5)与所述系统的一固定部分相连，所述第二支架(6)与所述系统的一可转动部分相连。

8.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和第二支架(5，6)实施为环形。

9.根据上述权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和第二支架(5，6)均可分为一第一分支架与一第二分支架，其中，所述第一和第二分支架均具有一半圆形空隙。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述能量绕组(3)和所述数据绕组(4)均具有采取串联连接的一第一线圈与一第二线圈，其中，所述第一线圈布置在所述第一分支架上，所述第二线圈布置在所述第二分支架上。

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