CN117320842A - 具有无线信号传输功能的动力工具 - Google Patents
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Abstract
一种动力工具，包括：壳体、静止部分、可旋转部分以及旋转变压器(15)，所述静止部分相对于壳体静止，所述可旋转部分相对于静止部分围绕旋转轴线可旋转，所述旋转变压器包括：定子(15a)和转子(15b)，所述定子(15a)附接到静止部分，所述定子(15a)包括定子线圈结构，所述转子(15b)附接到可旋转部分，所述转子(15b)包括转子线圈结构，所述转子线圈结构与定子线圈结构感应耦合，其中，在所述转子线圈结构与所述定子线圈结构之间沿着旋转轴线的方向布置有气隙，其中，静止部分包括静止电子电路，所述静止电子电路连接到定子线圈结构，可旋转部分包括旋转电子电路，所述旋转电子电路连接到转子线圈结构。所述转子和所述定子包括由铁氧体带制成的屏蔽层。
Description
技术领域
本发明总体地涉及动力工具。
背景技术
例如螺母扳手的工业动力工具广泛用于制造工业，例如车辆制造和航空航天产业。这种类型的动力工具通常具有与工件相互作用的工具头和用户在操作动力工具时所握持的主体。该主体也可以形成机器人的一部分。
制造过程通常需要对由动力工具施加的扭矩进行高精度控制。因此，动力工具通常包括扭矩传感器，所述扭矩传感器配置为测量所施加的扭矩。扭矩传感器可以设置在工具头或主体上，或者同时设置在工具头和主体上。
扭矩传感器可以例如包括应变仪，所述应变仪布置在动力工具的旋转部分上。滑环可以用于将应变仪的测量信号传递给静止部件。WO2019201589A1公开了这种类型的动力工具。这种配置的一个潜在缺点是，随着滑环随时间老化，测量信号可能会受到噪声的影响。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种动力工具，所述动力工具解决或至少缓解现有技术的问题。
因此，提供了一种动力工具，所述动力工具包括壳体、静止部分、可旋转部分以及旋转变压器，所述静止部分相对于壳体静止，所述可旋转部分相对于静止部分围绕旋转轴线可旋转，所述旋转变压器包括：定子和转子，所述定子附接到静止部分，所述定子包括定子线圈结构、定子载架和定子屏蔽层，其中，所述定子屏蔽层布置在定子线圈结构与定子载架之间，其中，所述定子屏蔽层是第一铁氧体带；所述转子附接到可旋转部分，所述转子包括转子线圈结构、转子载架和转子屏蔽层，所述转子线圈结构与定子线圈结构感应耦合，其中，在所述转子线圈结构与所述定子线圈结构之间沿着旋转轴线的方向布置有气隙，其中，所述转子屏蔽层布置在转子线圈结构与转子载架之间，其中，所述转子屏蔽层是第二铁氧体带，其中，静止部分包括静止电子电路，所述静止电子电路连接到定子线圈结构，可旋转部分包括旋转电子电路，所述旋转电子电路连接到转子线圈结构。
由此可以无线地提供定子线圈结构与转子线圈结构之间的数据传输和/或电源传输。因此，可以降低信号随时间劣化的风险。
此外，发明人已经发现，通过沿着旋转轴线的方向而非沿着径向方向布置气隙，定子和转子的耐用性增加。对于定子和转子中的部件，例如铁氧体带，如果其所形成的层曲折或弯曲，则可能会破裂。通过沿着旋转轴线安置带有气隙的转子线圈结构和定子线圈结构，所述层可以布置在间隔开的径向平面中，而不会曲折或弯曲。这也有利于制造过程。在动力工具中，部件的可用空间非常有限。因此，为了适配在工具中，屏蔽层可能必须做得非常薄。通常，传统上在电子器件中用作屏蔽层的硬铁氧体磁芯是非常多孔的，一旦加工得非常薄，就可能容易破裂。这在使用过程中受到振动以及会意外掉落到地上的动力工具中尤其是问题。铁氧体带既薄又柔韧，其在受到振动/撞击时破裂的风险会降低。
动力工具可以例如是螺母扳手。
定子屏蔽层集中了磁通量并减少了磁损耗。
所述定子屏蔽层可以是第一铁氧体片，所述第一铁氧体片可以是第一铁氧体带。
第一铁氧体带可能特别脆弱，一旦弯曲就会破裂。沿着旋转轴线的方向具有气隙的配置消除了破裂的风险，这是由于第一铁氧体带可以围绕可旋转部分在静止部分上沿着径向平面布置为平面的。
第一铁氧体片可以例如具有至少100的相对磁导率。
转子屏蔽层集中了磁通量并减少了磁损耗。
所述转子屏蔽层可以是第二铁氧体片，所述第二铁氧体片可以是第二铁氧体带。
第二铁氧体带可能特别脆弱，一旦弯曲就会破裂。沿着旋转轴线的方向具有气隙的配置消除了破裂的风险，这是由于第二铁氧体带可以围绕可旋转部分在偏离第一铁氧体带的径向平面的径向平面中布置为平面的。
第二铁氧体片可以例如具有至少100的相对磁导率。
根据一个实施方案，所述定子为环形并且接受可旋转部分，其中，所述定子线圈结构包括螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分径向向外螺旋延伸多个匝。
根据一个实施方案，所述定子线圈结构形成第一柔性印刷电路板PCB的一部分。
根据一个实施方案，所述转子为环形并且围绕所述可旋转部分延伸，其中，所述转子线圈结构包括螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分径向向外螺旋延伸多个匝。
根据一个实施方案，所述转子线圈结构形成第二柔性PCB的一部分。
根据一个实施方案，定子线圈结构和转子线圈结构中的每个具有至少5μH的电感。电感可以例如是至少10μH。
定子线圈结构和转子线圈结构中的每个的至少5μH的电感改善了定子与转子之间的数据传输。然而，在电感过高的情况下，通信带宽将会降低。电感可以例如小于500μH、例如小于250μH、例如小于100μH。
根据一个实施方案，所述旋转电子电路包括传感器和调制电路，其中，所述调制电路配置为调制从传感器接收到的测量信号以获得经调制的测量信号，并将经调制的测量信号提供给转子线圈结构以在定子线圈结构中感应经调制的测量信号。
传感器可以是扭矩传感器、角度传感器或测力传感器。
根据一个实施方案，所述静止电子电路包括解调电路，所述解调电路配置为解调通过转子线圈结构在定子线圈结构中感应的经调制的测量信号。
根据一个实施方案，所述静止电子电路包括电源传输电路，所述电源传输电路配置为产生电源信号并利用所述电源信号激励定子线圈结构，以在转子线圈结构中感应电源信号用于向旋转电子电路供电。
一个实施方案包括：电压传感器和控制电路，所述电压传感器配置为测量转子线圈结构中的感应电源信号的整流电压，其中，在由电压传感器测量出的整流电压低于阈值的情况下，调制电路配置为产生经调制的电压传感器测量信号并将其馈送到转子线圈结构以在定子线圈结构中感应经调制的电压传感器测量信号，所述控制电路连接到定子线圈结构，其中，控制电路配置为响应于从定子线圈结构接收到电压传感器测量信号而控制电源传输电路以增大电源信号的信号强度。
根据实施方案，所述定子线圈结构是单个定子线圈，并且其中，转子线圈结构是单个转子线圈。与双定子和转子线圈相比，这需要更少的空间，这有利于在工具中非常有限的空间内装配该装置。
一般来说，权利要求中使用的所有术语都应根据其在技术领域中的一般含义进行解释，除非本文另有明确定义。所有关于“一/一个/所述元件、设备、部件、装置等”应开放地解释为指元件、设备、部件、装置等的至少一个，除非另有明确说明。
附图说明
现在将参照附图作为示例来描述本发明构思的具体实施方案，其中：
图1显示了动力工具的示例的立体图；
图2显示了图1中的动力工具，并且其壳体的一部分被移除以显露内部部件；
图3显示了动力工具的细节，包括旋转变压器、静止部分以及可旋转部分；
图4显示了包括旋转变压器的细节的立体图；
图5a-5c显示了旋转变压器的示例的各种视图；并且
图6示意性地显示了旋转变压器、旋转电子电路和静止电子电路的电路图。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地描述本发明的构思，附图中显示了示例性实施方案。然而，本发明的构思可以以许多不同的形式实现，并且不应该被解释为限于本文陈述的实施方案；相反，这些实施方案是作为示例提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1显示了动力工具1的示例。动力工具1可以例如是螺母扳手。
动力工具1具有工具头3和主体5。工具头3附接到主体5。工具头3是直的，但也可以是成角度的。
工具头3具有输出轴3a。输出轴3a配置为被可旋转地驱动并与例如螺母的紧固件接合。
动力工具1具有壳体7。动力工具1包括电动机，所述电动机配置为驱动输出轴3a。电动机16布置在壳体7中。
图2显示了动力工具1，并且其壳体7的一部分被移除以部分地显露其内部。
动力工具1包括静止部分9。静止部分9相对于壳体7静止。
动力工具1包括可旋转部分11。可旋转部分配置为相对于静止部分9围绕旋转轴线A旋转。旋转轴线A是电动机提供旋转所围绕的轴线。旋转轴线A可以是电动机的转子轴线，或者其可以相对于转子轴线成一定角度，例如通过冠齿轮提供。
可旋转部分11可以包括齿轮系13，所述齿轮系13可旋转地将输出轴3a连接到电动机。
图3显示了表示图2中的静止部分9和可旋转部分11的区域的一部分的特写视图，为了清楚起见而移除了其他部件。
动力工具1包括旋转变压器15。旋转变压器15包括定子15a，所述定子15a附接到静止部分9。定子15a相对于静止部分9固定地设置。
旋转变压器15包括转子15b，所述转子15b附接到可旋转部分11。可旋转部分相对于可旋转部分11固定地布置。因此，转子15b与可旋转部分11一起旋转。
图4更详细地显示了围绕旋转变压器15的部件。静止部分9包括静止电子电路17，可旋转部分11包括旋转电子电路19。
静止电子电路17配置为经由旋转变压器15向旋转电子电路19供电。
静止电子电路17和旋转电子电路19配置为经由旋转变压器15彼此通信，这将在下文中更详细地解释。
图5a-5c显示了旋转变压器15的各种视图。
定子15a包括定子载架21a。定子载架21a是环形的，并且配置为借助其贯通开口来容纳可旋转部分11。
定子载架21a可以例如包括诸如不锈钢的金属或聚合物材料。
如图5b所示，定子15a包括定子屏蔽层23a和定子线圈层25a。
定子屏蔽层23a可以例如是第一铁氧体片。所述第一铁氧体片可以例如是第一铁氧体带。
如图5c所示，定子线圈层25a设置有定子线圈结构31a。在示例中定子线圈结构31a是单个定子线圈。定子线圈层25a可以例如由第一柔性或标准PCB形成。定子线圈结构31a是螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分11径向向外螺旋延伸多个匝。
定子屏蔽层23a布置在定子载架21a与定子线圈层25a之间。因此，定子屏蔽层23a布置在定子线圈结构31a与定子载架21a之间。
定子15a包括定子连接件27a，所述定子连接件27a将定子线圈结构31a电连接到静止电子电路17。
定子载架21a可以固定地附接到静止部分9。
转子15b包括转子载架21b。转子载架21b是环形的，并且围绕可旋转部分11延伸。
转子载架21b可以例如包括诸如不锈钢的金属或聚合物材料。
转子15b包括转子屏蔽层23b和转子线圈层25b。
转子屏蔽层23b可以例如是第二铁氧体片。第二铁氧体片可以例如是第二铁氧体带。
转子线圈层25b设置有转子线圈结构31b。在示例中转子线圈结构31b是单个转子线圈。转子线圈层25b可以例如由第二柔性或标准PCB形成。转子线圈结构31b是螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分11径向向外螺旋延伸多个匝。
转子屏蔽层23b布置在转子载架21b与转子线圈层25b之间。因此，转子屏蔽层23b布置在转子线圈结构31b与转子载架21b之间。
转子15b包括转子连接件27b，所述转子连接件27b将转子线圈结构31b电连接到旋转电子电路19。
转子载架21b可以固定地附接到可旋转部分11。
定子线圈结构31a与转子线圈结构31b彼此感应耦合。
定子线圈结构21a与转子线圈结构31b之间布置有气隙29。气隙29是轴向气隙，因而沿着旋转轴线A的方向限定了定子线圈结构21a与转子线圈结构31b之间的间距。
图6示意性地显示了旋转变压器15、旋转电子电路19和静止电子电路17的电路图。
旋转电子电路19包括调制电路35和传感器37。
调制电路35电连接到转子线圈结构31b。
调制电路35配置为从旋转电子电路19向静止电子电路17发送例如测量信号的信号。
传感器37电连接到调制电路35。
传感器37可以例如是扭矩传感器、角度传感器或测力传感器。因此传感器37可以例如配置为测量与可旋转部分11的旋转相关的扭矩、角度或力。
传感器37配置为向调制电路35发送测量信号。调制电路35配置为调制从传感器37接收到的测量信号以获得经调制的测量信号。此外，调制电路35配置为将经调制的测量信号馈送到转子线圈结构31b，以在定子线圈结构31a中感应经调制的测量信号。
调制电路35可以例如配置为使用幅移键控(ASK)调制来执行调制。ASK调制可以例如是开关键控(OOK)调制。
静止电子电路17包括电源传输电路39和定子侧解调电路41。
解调电路41连接到定子线圈结构31a，并且配置为解调通过转子线圈结构31a在定子线圈结构31a中感应的经调制的测量信号，以恢复测量信号。
电源传输电路39配置为利用电源信号激励定子线圈结构31a，以经由转子线圈结构31b向旋转电子电路19提供无线电源传输。
电源传输电路39可以例如包括开关电路，例如反激式转换器(flybackconverter)、H桥或E类放大器。开关电路配置为通过转换电压来产生电源信号，当其在转子线圈结构31b中被感应时，可以驱动旋转电子电路19。
旋转电子电路19可以包括整流器(未示出)，所述整流器配置为对通过定子线圈结构31a在转子线圈结构31b中感应的电源信号进行整流。整流电压用于对旋转电子电路19供电，所述电子电路19例如为调制电路35。
旋转电子电路17可以包括电压传感器33。当电源信号馈送到定子线圈结构31a时，电压传感器33配置为测量通过定子线圈结构31a感应的转子线圈结构31b的整流电压。整流电压提供了气隙29的量度。整流电压的减少是气隙29变宽的标志。这可能例如由于振动或由于对动力工具1的冲击而潜在地发生。
调制电路35配置为基于整流电压的测量产生经调制的电压传感器测量信号，并且如果由电压传感器33测量出的整流电压低于阈值，则将其馈送到转子线圈结构31b，以在定子线圈结构31a中感应经调制的电压传感器测量信号。
静止电子电路17可以包括控制电路43，所述控制电路43配置为响应于从定子线圈结构31a接收到电压传感器测量信号而控制电源传输电路41以增大电源信号的信号强度。由此可以补偿气隙29的增大。
相同的转子线圈结构31b和定子线圈结构31a可以例如被用于传感器37的测量信号的传输、电压传感器33的电压测量信号的传输以及电源信号的传输。信号优选为交替地传输而不是同时地传输。因此，对于第一时间段，可以仅传输电源信号，而对于第二时间段，可以仅传输测量信号，随后仅传输电源信号，依此类推。
作为具有单个定子线圈的替代，定子线圈结构可以包括两个定子线圈，一个用于电源信号传输，一个用于接收测量信号。在这种情况下，转子线圈结构可以代替单个转子线圈而包括两个转子线圈，一个用于电源信号接收，一个用于测量信号传输。在这种情况下，所述两个定子线圈可以设置在不同的定子线圈层中或同一定子线圈层中。所述两个转子线圈可以设置在不同的转子线圈层中或同一转子线圈层中。
根据另一变型，动力工具可以包括两个本文公开的类型的旋转变压器，一个处理电源信号传输，另一个处理测量信号传输。
以上主要参照几个示例描述了本发明的构思。然而，如本领域技术人员所容易理解的，在如所附权利要求所定义的本发明构思的范围内，除了以上公开的实施方案之外的其他实施方案同样是可能的。
Claims (11)
1.一种动力工具(1)，包括：
-壳体(7)，
-静止部分(9)，其相对于壳体(7)静止，
-可旋转部分(11)，其相对于静止部分(9)围绕旋转轴线(A)能够旋转，以及
-旋转变压器(15)，其包括：
定子(15a)，其附接到静止部分(11)，所述定子(15a)包括定子线圈结构(31a)、定子载架(21a)和定子屏蔽层(23a)，其中，所述定子屏蔽层(23a)布置在定子线圈结构(35a)与定子载架(21a)之间，其中，所述定子屏蔽层(23a)是第一铁氧体带，以及
转子(15b)，其附接到可旋转部分(11)，所述转子(15b)包括转子线圈结构(31b)、转子载架(21b)和转子屏蔽层(23b)，所述转子线圈结构(31b)与定子线圈结构(31a)感应耦合，其中，所述转子屏蔽层(23b)布置在转子线圈结构(31b)与转子载架(21b)之间，其中，所述转子屏蔽层(23b)是第二铁氧体带，
其中，在所述转子线圈结构(31b)与所述定子线圈结构(31a)之间沿着旋转轴线(A)的方向布置有气隙(29)，
其中，静止部分(9)包括静止电子电路(17)，所述静止电子电路(17)连接到定子线圈结构(31a)，可旋转部分(11)包括旋转电子电路(19)，所述旋转电子电路(19)连接到转子线圈结构(31b)。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述定子(15a)为环形并且容纳可旋转部分(11)，其中，所述定子线圈结构(31a)包括螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分(11)径向向外螺旋延伸多个匝。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述定子线圈结构(31a)形成第一柔性印刷电路板PCB的一部分。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述转子(15b)为环形并且围绕所述可旋转部分(11)延伸，其中，所述转子线圈结构(31b)包括螺旋线圈，所述螺旋线圈围绕可旋转部分(11)径向向外螺旋延伸多个匝。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述转子线圈结构(31b)形成第二柔性PCB的一部分。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述转子线圈结构(31b)和所述定子线圈结构(31a)中的每个具有至少5μH的电感。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述旋转电子电路(19)包括传感器(37)和调制电路(35)，其中，所述调制电路(35)配置为调制从传感器(37)接收到的测量信号以获得经调制的测量信号，并将经调制的测量信号提供给转子线圈结构(31b)以在定子线圈结构(31a)中感应经调制的测量信号。
8.根据权利要求7所述的动力工具(1)，其中，所述静止电子电路(17)包括解调电路，所述解调电路配置为解调通过转子线圈结构(31b)在定子线圈结构(31a)中感应的经调制的测量信号。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述静止电子电路(17)包括电源传输电路(41)，所述电源传输电路配置为产生电源信号并利用所述电源信号激励定子线圈结构(31a)，以在转子线圈结构(31b)中感应电源信号用于向旋转电子电路(19)供电。
10.根据从属于权利要求7或8时的权利要求9所述的动力工具(1)，其中，所述旋转电子电路(19)包括：
电压传感器(33)，其配置为测量转子线圈结构(31b)中感应电源信号的整流电压，其中，在由电压传感器(33)测量出的整流电压低于阈值的情况下，调制电路(35)配置为产生经调制的电压传感器测量信号并将其馈送到转子线圈结构(31b)以在定子线圈结构(31a)中感应经调制的电压传感器测量信号，以及
控制电路(43)，其连接到定子线圈结构(31a)，其中，控制电路(43)配置为响应于从定子线圈结构(31a)接收到电压传感器测量信号而控制电源传输电路(41)以增大电源信号的信号强度。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的动力工具(1)，其中，所述定子线圈结构是单个定子线圈，并且其中，所述转子线圈结构是单个转子线圈。
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| EP4341046A1 (en) | 2024-03-27 |
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