CN103635293A - 包括非接触式信号连接的变压器 - Google Patents

Abstract

公开了一种在动力工具（100）中使用的改进的变压器（130），其中动力工具（100）包括固定本体（110）和相对于所述本体（110）可移动的轴（120）。变压器（130）包括相对于所述本体（110）固定并且包括一个或多个定子绕组（216）的定子（210）。变压器（130）还包括随所述轴可移动并且包括一个或多个转子绕组（226）的转子（220）。磁场B由所述一个或多个定子绕组和转子绕组（216、226）共享并且用于在所述本体和所述轴的至少一个传感器之间建立非接触式信号连接。根据本发明，定子（210）和转子（220）布置为形成相互的几何关系，使得对于在所述轴在轴向A和旋转方向R上的不同位置提供所述非接触式信号连接。

Description

包括非接触式信号连接的变压器

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序中限定的变压器。

本发明还涉及一种如权利要求18的前序中限定的用于提供非接触式信号连接的方法。

背景技术

在诸如布置为将紧固器收紧的紧固器工具（例如，螺母扳手）的动力工具中，重要的是，当由紧固器工具收紧时，能够确定施加到接合处的夹紧力，例如通过螺纹紧固器（比如螺母）。通常，施加到紧固器的扭矩的扭矩值和对应的角度值被用于估计该夹紧力。

施加到接合处的扭矩此处被测量为在紧固器工具的减速齿轮中产生的反作用扭矩，并且对应于在被收紧时紧固器施加在紧固器工具上的扭矩。反作用扭矩不完全反映施加到紧固器的动态扭矩，因此，当以高速收紧紧固器时，提供较低准确度的测量。

因此，消除在测量中动态响应较差的影响的另一个解决方案是优选的。所以，一个解决方案是使用直接位于输出轴上的一个或多个传感器。

对于该解决方案，到位于在使用时旋转的紧固器工具的轴上的一个或多个传感器的激励信号以及来自所述一个或多个传感器的传感器信号需要在轴和紧固器工具的本体之间进行耦合，以便能够进行这些测量。这些传感器信号产生于基于激励信号的激励。激励信号例如可以是扭矩激励信号或超声波激励信号。

一个这样的信号耦合解决方案是当测量扭矩时在轴和本体之间使用用于耦合信号的滑环。然而，滑环的使用具有的缺点在于，在使用了一些时间之后，由于例如摩擦磨损而使滑环耗尽。而且，滑环的使用可能限制对于轴的最高可允许旋转速度。

因此，传感器信号的非接触式传递是更优选的。这可以通过使用旋转变压器来实现。旋转变压器是特别为耦合信号而布置在相对彼此旋转的两个部件之间的变压器。旋转变压器通常包括分别在分开的第一部件和第二部件中而与彼此没有物理接触的第一绕组和第二绕组。磁通量通过使用第一绕组和第二绕组之间的互感耦合能量而提供第一部件与第二部件之间的耦合。这种旋转变压器在EP0 502 748中进行了简短的描述。此处，将应变仪直接应用在主心轴（main spindle）上（即，应用在轴（shaft）上），并且应变仪的输出信号通过在主心轴上具有初级线圈并在工具的外壳上具有次级线圈的旋转变压器提供。

然而，用于在具有相对于待收紧的接合处固定的本体/外壳的紧固器工具中的扭矩测量的已知旋转变压器具有的问题在于，当收紧紧固器时，其在轴和固定工具的本体之间的电磁耦合受到影响。因此，在紧固器已经旋转了多圈并且因此已经使螺纹向下移动之后，损失旋转变压器的信号耦合，由于施加的扭矩的测量，并因而夹紧力的确定由此受到影响，因此这当然是非常不利的。所以，可能导致提供至接合处的夹紧力不足。这可能严重影响接合处的可靠性，并且也可以导致对接合处造成损害。

发明内容

本发明的目的是提供解决上述问题的变压器和方法。

本发明旨在提供比背景技术中已知的变压器和方法更灵活的变压器和方法。

该目的通过上述的根据权利要求1的特征部分的变压器实现。

该目的还通过根据权利要求18的特征部分的方法实现。

根据本发明的变压器和方法的特征在于，通过变压器提供非接触式信号连接，以及非接触式信号连接可以处理紧固器工具的轴的旋转移动和轴向移动两者。该灵活信号连接还在紧固器使螺纹向下移动时提供非接触式传感器信号连接，该灵活信号连接通过变压器的定子和转子的几何构造来实现。定子和转子因此形成并且布置为具有相互的几何关系，这使得轴也能够在轴向上移动而不影响激励信号和传感器信号的传递。

因而提供了可靠的变压器，其在基本上所有类型的轴相对于工具的本体的移动期间都保持其信号连接完好。从而工具可以灵活地用于许多情况（包括工具的固定）中而不存在由于轴的轴向移动而导致的损失信号连接的风险。因而，提供了更稳定的夹紧力确定。

根据本发明的实施方案，相互的几何关系包括在定子的至少一个部分和转子的至少一个部分之间的几何关系，其中该几何关系在轴的旋转移动和轴向移动期间都基本上不变。

根据本发明的实施方案，该几何关系由在定子的至少一个部分和转子的至少一个部分之间的相互距离构成。因此，在使用变压器时，在定子和转子之间存在距离，该距离在轴旋转时不变并且当轴在轴向移位（例如，由于诸如螺母的紧固器的收紧）时也不变。从而，使得变压器的信号连接对于轴（例如，紧固器装配工具）的所有类型的移动可靠并灵活。

根据本发明的实施方案，定子形成为具有一个轮缘内表面，并且转子形成为具有一个轮缘外表面。此一个轮缘表面使得轴的轴向移动是可能的，并且还同时形成在该轴向移动期间不变的几何关系，从而提供了可靠的信号连接。

根据本发明的实施方案，定子和转子中的至少一个被至少部分地屏蔽。此处，屏蔽装置此处应用在限定在定子和转子之间的气窝的至少一个壁的至少一部分上。由此极大地减少在气窝上的漏磁，这改善了变压器功能。

根据本发明的实施方案，变压器用于传递激励信号和用于超声波传感器的传感器信号。对于超声波传感器，重要的是不损失超声波传感器和紧固器之间的接触。因此，本发明对于超声波传感器的使用是特别适用的，这是因为由于本发明可以轴向轴移动而不损失信号连接。

现在将参考示出一些优选实施方案的所附附图来对根据本发明的变压器和方法的具体示例性实施方案和优点进行描述。

附图说明

图1显示了紧固器工具。

图2a显示了根据本发明的定子。

图2b显示了根据本发明的转子。

图2c显示了根据本发明组装在一起的定子和转子。

具体实施方式

图1示意性显示了紧固器工具100。在该图中，仅描述了对于本发明的功能必要的部件。如本领域技术人员所理解的，紧固器工具100的其他特征（比如，手柄、动力供应缆线或电池、电机、齿轮设备以及保持紧固器的插座）也包括在紧固器工具100中。

紧固器工具100包括本体110和相对于本体110移动的轴/心轴120。使用时，轴120相对于本体110进行旋转移动，例如，当紧固器（比如螺母）被收紧时。工具还包括变压器130，其提供紧固器工具100的轴120和本体110之间的传感器信号连接。因此，设置在轴120上的传感器接收诸如扭矩激励信号或超声波激励信号的激励信号，该激励信号通过变压器130从本体110传递至轴120。更具体来讲，包含在本体110中的控制单元联接到变压器130。控制单元向变压器130供应激励信号。控制单元也可以在工具100的外部，并且可以通过合适的连接件（比如，线缆或无线连接）连接到本体和/或变压器130。

变压器130还将传感器扭矩信号从轴120传递给本体110。变压器130还联接到布置在轴120上的一个或多个传感器。因此包括在工具的本体110中的控制单元接收通过基于传感器提供的经由变压器130的传感器扭矩信号。这些传感器扭矩信号是基于激励信号的。

根据本发明，变压器130包括定子和转子，定子相对于紧固器工具100的本体110固定并且包括在紧固器工具100的本体110中，转子随轴120是可移动的。因此，当轴120旋转时，转子会随之旋转。

根据本发明的定子210和转子220分别如图2a和图2b所示。根据本发明，定子210和转子220布置成使得当它们组装在一起时在它们之间具有几何关系，这使得当轴120相对于本体110进行旋转移动时以及当轴120相对于本体110进行轴向移动时，可以提供非接触式信号连接。因此，定子210和转子220具有相互的几何关系，即，它们各有形状，并且在使用过程中彼此关联，使得当发生轴120的轴向移动时信号连接也保持完好。下面将结合图2a-图2c对其进行更为详细的解释。

定子210具有大体上管状的形状，其有外周直径211大体上与定子210的全长212相等。对于具有第一长度214的定子的第一部分，定子210进一步具有第一内径213，并且对于定子的第二部分，具有第二内径215，此处第一内径213小于第二内径215。换句话说，定子210大体上为内表面具有一个阶梯的管状，即，具有第一内径213小于定子210的第二部分的第二内径215的第一部分。换句话说，定子210具有包含一个轮缘的内表面。

转子220也具有大体上管状的形状，其有内径221大体上与转子220的全长222相等。对于定子的第一部分，转子220进一步具有第一外径223，并且对于具有第二长度224的转子的第二部分，具有第二外径225，此处第一外径223小于第二外径225。因此，转子220大体上为外表面具有一个阶梯的管状，即，具有第一外径223小于定子210的第二部分的第二外径225的第一部分。换句话说，转子220具有包含一个轮缘的外表面。

另外，转子220的第一外径223小于定子的第一内径213，并且转子220的第二外径225小于定子的第二内径215。因此，转子220可以插入到定子210中。当定子210和转子220像这样组装在一起（即，转子被插入到定子中）时，在定子和转子的第一部分之间以及在转子和定子的第二部分之间分别形成空气间隙。因此，分别具有第一距离/宽度231和第二距离/宽度232的空气间隙此处分别由转子220的第二（较大）外径225和定子210的第二（较大）内径215以及由转子220的第一（较小）外径223和定子210的第一（较小）内径213径向限制，如下所述。

图2c显示使用时（即，当它们在变压器中装配在一起时，使得转子220被插入到定子210中）定子210的部分和转子220的部分的示意性纵向截面图。图2c中清楚地显示出，定子210的一个阶梯/轮缘内表面和转子220的一个阶梯/轮缘外表面共同形成定子210和转子220之间的相互的几何关系。因此，定子210的第一内径213和第二内径215以及转子220的第一外径223和第二外径225共同形成这种相互的几何关系。定子210的第一内径213和第二内径215以及转子220的第一外径223和第二外径225共同形成分别在定子210和转子220的第一部分和第二部分之间的第一相互距离231和第二相互距离232。图2c还显示出一个或多个定子绕组216和一个或多个转子绕组绕226。

根据本发明的实施方案，相互的几何关系包括这些定子210和转子220之间的第一相互距离231以及第二相互距离232中的至少一个。因此，几何关系形成在定子210的至少一个部分和转子220的至少一个部分之间。当轴120在旋转方向上移动时，这种相互的几何关系基本上不变，并且当轴120也在轴向方向A上移动（高至预先确定的长度L）时，这种相互的几何关系基本上不变。

这从图2c中可以容易地得到理解，此处显然当定子210和转子220相对于彼此旋转时，第一相互距离231和第二相互距离232没有变化。还清楚地显示出，当定子210和转子220相对于彼此在轴向A上移动时，只要轴向移动短于预先确定的长度L，则第一相互距离231和第二相互距离232没有变化。因此，此处长度L取决于定子的第一部分的第一长度214和转子的第二部分的第二长度224。如在图2c中可以看出的，只有达到对应于定子的第一长度214和转子的第二长度224中较短的一个的轴向移动时，第一相互距离231和第二相互距离232才会不变。在图2c中显示的非限制实例中，由于定子的第一长度214比转子的第二长度224短，因此此处的长度L对应于定子的第一长度214。

根据本发明的实施方案，预先确定的长度L比最小长度L_min大。因此，定子的第一长度214和转子的第二长度224中较短的一个此处比最小长度L_min长。

根据实施方案，最小长度L_min对应于待收紧的紧固器的长度，以便收紧接合处。典型地，最小长度L_min对应于由工具收紧的螺钉或螺栓的螺纹的长度，使得螺钉或螺栓可以被牢固地收紧。

根据实施方案，最小长度L_min与旋转变压器的轴向长度有关。因此，最小长度L_min与定子210的全长212或转子220的全长222有关。换句话说，定子的第一部分的第一长度214与定子210的全长212有关，并且转子220的第二部分的第二长度224与转子220的全长222有关。

更具体地，根据实施方案，最小长度L_min对应于定子210的全长212的30%-60%，并且优选为45%-50%，和/或对应于转子220的全长222的30%-60%，并且优选为45%-50%。因此，如果定子的第一长度214短于转子的第二长度224，那么定子的第一长度214为定子的全长212的30%-60%，并且优选为45%-50%。因此，如果转子的第二部分的第二长度224短于定子的第一部分的第一长度214，那么转子的第二部分的第二长度224为转子220的全长222的30%-60%，并且优选为45%-50%。换句话说，定子210的内表面和转子220的外表面各自具有它们分别位于定子和转子的全长212、222的30%-60%（优选为45%-50%）处的一个阶梯/轮缘。定子210的一个阶梯/轮缘内表面和转子220的一个阶梯/轮缘外表面共同形成定子210和转子220之间的相互的几何关系。

典型地，最小长度L_min可以是几厘米，即1-20厘米（优选为3-15厘米），使得紧固器可以充分收紧而不干扰非接触式信号连接。

当定子210和转子220组装在一起时，在它们之间形成气窝233。气窝233的轴向长度L_air在轴向上分别受定子的第一部分的第一长度214和转子的第二长度224的限制，即，受定子210和转子220的阶梯/轮缘的限制。根据本发明的实施方案，气窝长度L_air对应于定子的全长212的5-10%，并且优选为6-7%，和/或对应于转子的全长222的5-10%，并且优选为6-7%。

因此，具备上述形状并且组装在一起的定子210和转子220导致在它们之间形成相互的几何关系，使得由定子绕组216和转子绕组226共享的磁场B可以用作非接触式信号连接，非接触式信号连接在工具轴的旋转移动和轴向移动期间都提供连接。这是非常有利的，例如在工具被固定布置的情况下。

定子绕组216布置在定子的第二部分的内侧，并且面对转子的第一部分的外侧。即，定子绕组216布置在定子210的第二内径215上。

转子绕组226布置在转子的第一部分的外侧，并且面对定子的第二部分的内侧。即，转子绕组226布置在转子220的第一外径223上。

因此，定子绕组216和转子绕组226布置成使得它们面对在定子210和转子220之间形成的气窝233。此处，气窝233在径向上受转子220的第一（较小）外径223和定子210的第二（较大）内径215的限制。

此处，磁场B通过利用定子绕组216和转子绕组226之间的互感耦合能量来提供定子210与转子220之间的耦合。因此，施加到定子绕组216的电能将基本上立即传递给转子绕组226。因此，施加到转子绕组226的电能将基本上立即传递给定子绕组216。

由此，在定子210和转子220之间建立了非接触式信号连接，从而也在本体110和布置在动力工具100的轴120上的至少一个传感器之间建立了非接触式信号连接。这种信号连接用于将激励信号从定子210传输到转子220，并且将传感器信号从转子220传输到定子210。

由此，布置在轴120上的至少一个传感器能够提供与轴施加在例如紧固件（比如螺母）上的扭矩相关（例如，成比例）的传感器信号，其经由变压器与工具的本体相接合。控制单元可被包括在工具的本体内，或者在工具的外部，并且可以布置为用于接收由变压器传递的信号。

根据本发明的实施方案，第一相互距离231和第二相互距离232中的至少一个在定子210和转子220之间形成空气间隙。因此，此处的几何关系由定子210的至少一个部分和转子220的至少一个部分之间的空气间隙距离所构成。如上所述，在轴120的旋转R移动和轴向A移动期间，这些空气间隙231、232的宽度是恒定的，即，没有变化。

如上所述，根据实施方案，至少一个超声波传感器布置在轴上。此处，一个或多个超声波传感器受到由变压器200提供至轴120的激励信号的激励。可以包括压电元件的该至少一个超声波传感器必须与和轴接合的外部实体（比如，紧固器）接触，以能够检测外部实体的压力和由此提供的夹紧力。因此，当使用超声波传感器时，在传感器和外部实体之间不产生接触损耗是非常重要的。所以，当使用超声波传感器时，本发明的应用很有优势，这是因为在轴120的轴向移动期间，非接触式信号连接的性能也会得到保证。

根据本发明的实施方案，至少一个屏蔽装置217、227布置在定子210和转子220中的至少一个上。该至少一个屏蔽装置217、227布置在限定如上所述的形成在定子210和转子220之间的气窝233的至少一个壁上。优选地，该至少一个屏蔽装置217、227布置在转子220的第一外径223和定子210的第二内径215中的一个或多个上。

在变压器200中，期望的磁通量是通过定子210和转子220之间的第一相互距离231和第二相互距离232的空气间隙的磁通量。然而，一般也会有漏磁，漏磁通过定子210和转子220之间的气窝233。根据本发明的该实施方案，通过屏蔽定子210和转子220中的一个或多个，这种不希望的漏磁减少，因为这导致变压器操作更有效，因此这是有利的。

根据本发明的实施方案，屏蔽装置217、227由金属（比如，铜）制成，或者由具有合适的屏蔽特性的另一种金属制成。

根据本发明的一个方面，呈现了一种为工具100提供非接触式信号连接的方法。如上所述，工具100包括本体110和相对于本体110可移动的轴120。采用包括定子210和转子220的变压器130、200，定子210相对于本体110固定，并且转子220随轴120可移动，两者都包含有一个或多个绕组216、226。由这些绕组共享的磁场B被用来建立本体110和轴120的至少一个传感器之间的非接触式信号连接。根据本发明的方法，通过定子210和转子220的形状和相互组装，在定子210和转子220之间形成相互的几何关系，使得对于轴120的不同的轴向移动和旋转移动，非接触式信号连接都保持完好。

与如上所述的示例性实施方案相比，本领域技术人员可以对根据本发明的变压器和方法进行修改。

对于本领域技术人员显然的是，可以对上述示例性实施方案进行许多其他的实施、修改、变化和/或增加。应该理解的是，本发明包括落在权利要求的范围内的所有这样的其他的实施、修改、变化和/或增加。

Claims (18)

1.一种在动力工具（100）中使用的变压器（130、200），所述动力工具包括固定本体（110）和具有至少一个传感器并且相对于所述本体（110）能移动的轴（120），所述变压器（130、200）包括：

-定子（210），所述定子（210）相对于所述本体（110）固定，并且包括一个或多个定子绕组（216），以及

-转子（220），所述转子（220）随所述轴（120）能移动，并且包括一个或多个转子绕组（226），由此

-磁场B由所述一个或多个定子绕组（216）和所述一个或多个转子绕组（226）共享，并且用于在所述本体（110）和所述轴的所述至少一个传感器之间建立非接触式信号连接，

其特征在于：所述定子（210）和所述转子（220）布置成形成相互的几何关系，使得对于在所述轴（110）的轴向A和旋转方向R的不同位置都提供所述非接触式信号连接。

2.根据权利要求1所述的变压器（130、200），其中，所述磁场B布置为承载：

-从所述定子（210）到所述转子（220）的激励信号；以及

-从所述转子（220）到所述定子（210）的传感器信号，其中，所述传感器信号由基于所述激励信号的激励产生。

3.根据权利要求2所述的变压器（130、200），其中，所述激励信号是超声波信号。

4.根据权利要求2所述的变压器（130、200），其中，所述激励信号是与由所述动力工具（100）施加在紧固器上的扭矩成比例的信号。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的变压器（130、200），其中，所述相互的几何关系是在所述定子（210）的至少一个部分和所述转子（220）的至少一个部分之间的几何关系，并且通过所述轴在所述轴向A上高至预先确定的长度L的移动而基本不变。

6.根据权利要求5所述的变压器（130、200），其中，所述相互的几何关系是贯穿在所述定子（210）的至少一个部分和所述转子（220）的至少一个部分之间的空气间隙的距离（231、232）。

7.根据权利要求5所述的变压器（130、200），其中，所述预先确定的长度L比对应于为了收紧接合处而待收紧的紧固器的长度的最小长度L_min小。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的变压器（130、200），其中，所述定子（210）形成为具有一个轮缘内表面，并且所述转子（220）形成为具有一个轮缘外表面。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的变压器(130、200)，其中，所述定子（210）和所述转子（220）中的至少一个至少部分布置有用于减少在所述定子（210）和所述转子（220）之间的漏磁的屏蔽装置（217、227）。

10.根据权利要求9所述的变压器（130、200），其中，所述屏蔽装置（217、227）分别布置在所述定子（210）和所述转子（220）中的至少一个的至少一个壁的至少一个部分上，其中，所述至少一个壁的所述至少一个部分至少部分限定形成在所述定子（210）和所述转子（220）之间的气窝（233）。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的变压器（130、200），其中，所述信号连接是电信号连接。

12.一种动力工具（100），所述动力工具（100）包括固定本体（110）和相对于所述本体（110）能移动的轴（120），其特征由以下部分产生：

-根据权利要求1-11中的任一项所述的变压器（130、200）。

13.根据权利要求12所述的动力工具（100），其中，所述轴（120）包括至少一个扭矩传感器，所述扭矩传感器布置为提供与扭矩成比例的传感器信号，所述轴（120）布置为将所述扭矩施加在与所述轴（120）接合的外部实体上。

14.根据权利要求13所述的动力工具（100），其中，所述至少一个扭矩传感器由通过使用所述非接触式信号连接而传递到所述扭矩传感器的激励信号激励。

15.根据权利要求12所述的动力工具（100），其中，所述轴（120）包括至少一个超声波传感器，所述超声波传感器布置为提供与施加在由紧固器夹紧的部分上的夹紧负荷成比例的传感器信号。

16.根据权利要求15所述的动力工具（100），其中，所述至少一个超声波传感器由通过使用所述非接触式信号连接而传递到所述超声波传感器的激励信号激励。

17.根据权利要求12-16中的任一项所述的动力工具（100），其中，所述动力工具（100）是紧固器装配工具。

18.一种用于为动力工具（100）提供非接触式信号连接的方法，所述动力工具（100）包括固定本体（110）和具有至少一个传感器并且相对于所述本体（110）能移动的轴（120），所述方法使用变压器（130、200），所述变压器（130、200）包括定子（210）和转子（220），所述定子（210）相对于所述本体（110）固定并且包括一个或多个定子绕组（216），所述转子（220）随所述轴（120）能移动并且包括一个或多个转子绕组（226），所述变压器（130、200）用于通过使用由所述一个或多个定子绕组（216）和所述一个或多个转子绕组（226）共享的磁场B而在所述本体（110）和所述轴（120）的所述至少一个传感器之间建立非接触式信号连接，

其特征在于如下步骤：

-在所述定子（210）和所述转子（220）之间形成相互的几何关系，使得对于在所述轴（110）的轴向A和旋转方向R上的不同位置提供所述非接触式信号连接。

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