CN1856849A - 感应式旋转发送器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由一个固定的部件及一个可旋转的部件组成的感应式旋转发送器，其中可旋转部件及固定部件具有一个共同的虚拟旋转轴线，及其中可旋转部件绕固定部件转动，及其中通过至少一个数据发送区段借助至少一个感应元件来实现数据发送，及其中数据传送区段被布置在旋转发送器的旋转轴线以外。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应式旋转发送器。
背景技术
向运动着的机器部件传送数据及能量(遥测学)主要在工业、尤其在分散的自动化系统上和/或该系统内是一个首要的中心问题。生产过程，例如在采用机床、机器人等的情况下，发生在旋转的或普遍地运动的工件上，或者，工具围绕待加工的工件旋转和/或运动。对于向这种系统中的数据传送，主要需要数据网。为此，例如使用了总线系统，如现场总线(field bus)、现场总线(profibus)、以太网、工业以太网、或甚至带电线路，但也越来越多地使用可开关的高性能数据网、即点对点的连接，尤其是实时以太网(RTE)亦或同步的RET(IRET)。
迄今该数据传送或是用传统的电缆拖线或是用机械的滑环来实现的。虽然也有电容的及光学的方法，但它们带有技术的局限性及成本问题。无线电方案至今则完全不适用，原因是网络数据速率低，附加的协议层，电磁相容性(EMC)及可靠性等原因。
电缆拖线方案阻碍了连续旋转并由于例如工具必要的反向扭转限制了生产速度(否则将剪切电缆)。而减小系统中的非生产辅助时间例如对提高生产率起到决定性的作用。解决该辅助时间问题的一个优选的方案是通过旋转发送器来取代电缆拖线。
旋转发送器具有各种各样的实施形式。可应用的为带有接触部分的旋转发送器，例如机械滑环，电刷或带有液体的水银发送器；但也可为无接触的发送器，例如光学的，电容性的，电感性的或基于无线电发送的发送器。
在应用传统的机械滑环时会出现磨损，电磁相容性(EMC)及可靠性方面的问题，原因之一是能量自身在紧靠近的附近范围上发送。
电容性的发送是很昂贵的，例如用于军事的用途。
对于导线连接的系统(总线或点到点的连接)迄今还没有理想的方案。目前还没有一种价格合理的装置，它能实现透明的(无附加协议层的)，双向及全双工的传输，并且原则上可使用不同总线协议。
一种光纤-空气-光纤的耦合器将导致实质上更高的费用，该耦合器以具有纤维接口的FORJ’s(光学纤维旋转接头)的形式提供使用。这种FORJs例如装有被动的光学元件，由于相应的高要求，必需装有昂贵的机械部分，尤其是轴承技术装置。该耦合器迄今仅小规模手工制造，并主要由特种钢制造。除了很高的费用外还存在技术上的限制，例如发送速率，振动，旋转速度，温度等的限制。
由视频技术公知了一些发送技术，它们借助变压器电感性地从运动部件向不运动的部件如录像头发送或耦合。
通过变换或借助新的制造工艺可使该发送技术也用于旋转发送器。
旋转发送器可进一步地被分为同轴系统或离轴系统。在同轴系统中旋转发送器的旋转轴线被保留作为发送数据的数据发送路径。在本申请人的至本申请的日期还未公开的一项德国申请DE 10230537.4中其发明主题就是在光学旋转发送器方面的同轴系统。
同轴系统的缺点尤其是，当围绕旋转轴线的空间被用来或需要穿过例如电缆、气动部分、液压部分，而非数据发送时，该发送数据的旋转轴线的空间被预占用。
发明内容
本发明的任务是，给出一种旋转发送器，其中数据发送借助感应元件及在旋转发送器的转动或旋转轴线以外进行。
该任务将通过用于数据发送的感应式旋转发送器来解决，它具有一个固定的部件及一个可旋转的部件，其中该可旋转部件及该固定部件具有一个共同的虚拟旋转轴线，其中该可旋转部件绕该固定部件转动，及其中通过至少一个数据发送路径借助至少一个感应元件来实现数据发送，上述数据传送路径被布置在旋转发送器的旋转轴线以外。
旋转发送器的两个部件，即固定的部件及可旋转的部件具有一个共同的虚拟旋转轴线，其中可旋转部件绕该虚拟旋转轴线转动及转动方向是任意的。该感应式旋转发送器最好具有一个相对虚拟旋转轴线旋转对称的壳体，该壳体也可包括带有套、轴承及密封的相应机械部分。
由于本发明数据发送路径被创造性地设置在旋转轴的外面，特别有利的是，该感应式旋转发送器具有一个壳体，该壳体具有一个包围虚拟旋转轴线的套管。该感应式旋转发送器在转动轴线或旋转轴线的位置上具有一个用于实现套管的空间，因为数据发送在该空间以外进行。壳体的圆柱形结构例如允许旋转轴线周围的空间作为套管利用。套管内部所提供的空间例如可用于电缆，气动或液压部分。
在根据本发明的感应式旋转发送器的一个有利的实施形式中，感应元件被构成具有至少一个第一线圈及一个第二线圈的变压器，其中第一线圈被配置给固定部件及第二线圈被配置给可转动部件。在这种实施形式中，例如第一线圈可被视为变压器的初级绕组及第二线圈可被视为变压器的次级绕组。当然初级及次级的布置可任意交换。第一线圈也可被配置给可转动部件及第二线圈也可被配置给固定部件。
为了实现根据本发明的感应式旋转发送器，例如可将一个本身公知的技术、如录象头技术相应地变更为一种新的应用。为此采用新的制造技术来制造部件。
为了使根据本发明的旋转发送器的直径尽可能小，适合的方式是，第一线圈及第二线圈相对虚拟旋转轴线的方向彼此相邻地布置。
与此相对，在一个有利的实施形式中该旋转发送器可用小的结构宽度来实现，其方式是，第一线圈围绕第二线圈同轴地布置。
尤其在旋转发送器的壳体基本上旋转对称地构成的情况下，这样地得到一个有利的实施形式，即第一和/或第二线圈被构成环形线圈。这种结构也可被称为具有可相向运动的绕组的环形变压器。
感应式旋转发送器的结构可特别紧凑地实现，其方式是对于感应式旋转发送器使用特别扁平的线圈。在此意义上本发明的一个很有利的实施形式的特征在于，第一和/或第二线圈被构成平面线圈。平面线圈可特别好的适于根据本发明的感应式旋转发送器的小型化。
在使用重复的技术或方法如注塑或MID(模制互连装置)-它们例如也可用于微系统技术中-的情况下，既可实现根据本发明的旋转发送器的小型化，也可附加地实现成本上有利的制造。尤其是通过旋转发送器的小型化它可以或考虑应用在其它潜在的应用领域中，例如机器人的关节，此处例如需要套管来供给动力。
为了减小感应元件的漏通量，感应元件具有用于使场集中的装置是明智的。这种装置例如可为铁氧体，它被安装在合适的位置上以引导磁通。在初级与次级绕组之间的强场耦合对于有效地发送感应数据是很重要的。可以使用罐状或杯状磁芯来耦合变压器的第一及第二线圈。当然，还可考虑采用其它各种实施形式，在初级与次级绕组之间通过场集中来产生尽可能大的场耦合。
根据本发明的感应式旋转发送器不被严格地限制在感应元件的使用上。在数据发送的许多应用上有意义的是，该发送器被设置来在两个方向上发送数据及对于每个发送方向设有一个感应元件。变换地，当使用一个所谓的终端装置时，也可仅使用一个感应元件。
当使用两个感应元件时可考虑感应元件的不同的几何布置，当感应元件相对虚拟旋转轴线的方向彼此相邻地布置时，可实现具有两个或多于两个感应元件的感应式旋转发送器的尽可能小的直径。
与此相对，当感应元件彼此同轴套着地布置时，可实现具有尽可能小的安装宽度的感应式旋转发送器。为了分隔那些配置有不同的感应元件的通道，使用使场集中的装置是有利的，以便尽可能地避免感应元件彼此通过漏磁通的磁耦合。
此外为了在使用多个感应元件时分隔这些通道，在感应元件之间设有去磁场耦合的装置是明智的。该去磁场耦合的装置可做简单的几何布置，该布置被配置在感应元件之间及在那里保持感应元件之间的一个最小距离。
对于根据本发明的发送器的一个特别有利的应用可这样来达到，即该发送器被设置来发送总线协议，尤其是高速以太网协议。
无需大的原则性改变就可以发送不同的总线协议，例如现场总线(profibus)及(高速)以太网协议。在此情况下，注意力尤其集中于高速以太网的旋转发送器，这就是说，发送速率为100M波特(Mbaud)的旋转发送器。通过输入或输出电路的修改，其它的总线协议尤其是现场总线协议同样可被发送。
另一优点是数据发送时的透明性。并且不需要附加的协议层。
此外无需大的原则性改变，用根据本发明的感应式旋转发送器可以发送不同的、尤其是低直流的协议。当在旋转发送器对RZ码(RZ＝回零)进行相应的转换编码时，即使是具有一个直流分量的NRZ编码的数据流(NRZ＝不回零)，也可用于无源发送。
为了实现感应式或场耦合式旋转发送器在尽可能有利成本效益下制造，有利的是，该旋转发送器无源地工作。当然也可考虑及使用有源的方案，它可实现输入和/或输出侧的信号整形。在实现该方案时应考虑附加的延迟时间或信号传输时间的抖动(jitters)。
作为一个优选实施例，根据本发明的场耦合式或无源的旋转发送器被构成一个集成单元。外部连接的元件为两侧上的相应总线电缆。在此情况下一个优选的构型允许使用插接连接器。在光学旋转发送器的固定部件中或可运动部件中作相应准备时，该数据发送的方法可非常简单及成本有利地实现。因此原则上可连接所有可能的数据总线，例如以太网，尤其是现场总线、例如现场总线(profibus)，但也可为点对点的连接，例如IRTE，它们发送相应的数据协议。由此，根据本发明的旋转发送器可组合在任意的自动化系统中。
此外特别有利的是，本发明尤其可使用或应用在包装机，压力机，塑料注塑机，纺织机，印刷机，车床，机器人，操纵系统，木工机，玻璃加工机，陶瓷加工机及起重机上或这些机器内。
附图说明
以下将参照附图来详细地描述本发明的优选实施例。附图表示：
图1：一个旋转发送器的示意图，
图2：根据本发明的、轴向实施方式的感应式旋转发送器的原理图，
图3：根据本发明的、径向实施方式的感应式旋转发送器的原理图，
图4：根据本发明的、具有平面线圈的感应式旋转发送器的原理图，
图5：一个平面线圈结构的原理图，及
图6：根据本发明的、作为MID(模制互连装置)方案的感应式旋转发送器的原理图。
具体实施方式
图1表示一个旋转发送器100的原理图。该旋转发送器100由一个固定的部件101及一个旋转的部件102组成。旋转发送器100的这两个部件具有一个共同的、假想的虚拟旋转轴线201，其中旋转部件102绕该虚拟旋转轴线201旋转，而旋转方向是任意的。由于绕虚拟旋转轴线201的转动，旋转发送器100的壳体被优先考虑作成相对旋转轴线201旋转对称的，例如为圆柱形的。在机械的意义上，固定部件101被称为“定子”及旋转部件102被称为“转子”。在此情况下旋转发送器100的哪个部件是运动的及哪个部件是固定的，是不重要的。旋转发送器100中最终仅有一个部件被机械地刚性固定，而另一部件即第二部件则必需处于无应力的、可转动的状态，及必需可“无应力地被驱动”。这例如可通过塑料或橡胶的耦合件来达到。但也可考虑及可能设置其它的密封部分。在此情况下将视实施形式而定可作到任何程度的密封。此外，其最大旋转速度主要取决于轴承的品质。
旋转发送器尤其用于数据的传送，其中相应的缆线301，302被导入旋转发送器100的两个部件101，102中，如图1中所示地，其中例如缆线302与旋转发送器100的旋转部件102一起旋转。为了传送数据，原则上可以使用适用的所有类型的缆线，例如总线电缆、光导纤维等。该缆线最好借助插件与旋转发送器100连接，在图1中仅可看到其中的一个插件401。当然插件的形式基本上可以根据需要是任意的。
旋转发送器100的两个壳体部件例如可由钢、尤其是特种钢，陶瓷或塑料制成。但也可考虑及使用其它的材料，例如铝合金，黄铜等。为了能降低生产成本或使用使制造费用进一步降低的成本上有利的生产方法，将优先使用廉价的材料，如陶瓷或塑料。由此-尤其在使用塑料的情况下-可使用相应的成本上有利的制造技术，例如注塑技术。
图2表示根据本发明的、轴向实施方式的感应式旋转发送器100的原理图，该旋转发送器借助传统的线圈技术、尤其是传统的绕组来工作。根据本发明的通过场耦合的旋转发送器100主要由两个可相互转动的管101，102组成。
旋转发送器100具有两个用于发送数据的感应元件500，800，其中对每个元件配置了一个通道。每个感应元件500，800由两个线圈501，502或具有杯形或罐形的磁芯503的线圈部件组成，例如设有铁氧体壳体，线圈由一个空气隙彼此分开。
感应元件500，800彼此轴向毗邻地布置，由此可作到具有小直径202的结构。在感应元件500，800之间设有一个“隔垫”600，它用于分隔上述通道，及因此尤其是用于防止感应元件500，800.之间的场耦合。
图3表示根据本发明的、径向实施方式的感应式旋转发送器100的原理图，该旋转发送器借助传统的线圈技术工作。它主要由两个可相互转动的管101，102组成。
旋转发送器100具有两个用于传送数据的感应元件500，800，其中对每个元件500，800配置了一个通道。每个感应元件500，800由两个线圈501，502或具有杯形或罐形的磁芯503的线圈部件组成，例如具有铁氧体壳体，所述线圈由一个空气隙彼此分开。
所述通道或感应元件500，800径向上彼此毗邻地布置，由此可作到具有小安装宽度203的结构。在通道之间也可设有一个“隔垫”，它将改善所述通道的分隔。
图4表示一个根据本发明的、具有平面线圈501，502的感应式旋转发送器的原理图。这些线圈在原理上如印刷电路板那样地制造，即用传统的LP生产工序在载体材料504上制造导体通路。线圈501，502的特性可通过机械参数来简单地计算或模拟。然后仅需将制好的平面线圈501，502嵌放在杯形或罐形磁芯503中。平面线圈501，502彼此再通过空气隙彼此实际地分开。
图5表示一个平面线圈结构的原理图。线圈501，502的特性将决定性地通过其几何形状来确定。原则上，对于径向布置的具有相同电感量的线圈来说，在相同导体横截面的情况下必需有相同的线圈面积。
图6表示根据本发明的、作为MID(模制互连装置)方案的感应式旋转发送器的原理图。该MID方案在低成本及在小型化的方向上显示了大的潜力。
在根据本发明的实施形式中，每个感应元件500，800由一个内线圈体702及一个外线圈体701构成，其中外线圈体701同心地包围着内线圈体702。在外线圈体701中嵌放有线圈501，该线圈的各圈在轴向上、即在虚拟旋转轴线的方向上彼此毗邻地布置。类似地，在内线圈体702中嵌放有线圈502，该线圈的各圈也在轴向上、即在虚拟旋转轴线的方向上彼此毗邻地布置。通过线圈各圈的这种布置，该感应式旋转发送器可被作成具有特别小的直径202。
外线圈体701的线圈501可被视为一个变压器的初级绕组，该变压器的次级绕组由内线圈体702上的线圈502来代表。为了使场集中，不仅在内线圈体702上而且在外线圈体701上设有相应的装置705，例如HF磁体。
感应元件500的初级及次级通过空气隙704隔开，在该空气隙的内部也可设置一个支承，该支承可实现线圈体701，702之一的旋转。
旋转发送器被作成具有两个轴向相邻布置的感应元件500，800，由此可实现两个发送通道。当然，通道或感应元件的数目可以升级的。
该旋转发送器的制造在成本上特别有利。高频(HF)磁铁705及线圈502可被定位及用塑料压力注塑包封。再加工如辅助结构的蚀刻(在磨蚀掉的意义上)也是可能的。轴承座也能同时制作。当工序被开发好时，对于整个产品的制造仅需要少数几个步骤。
Claims (14)
1.用于数据发送的感应式旋转发送器，具有一个固定的部件及一个可旋转的部件，其中该可旋转部件及该固定部件具有一个共同的虚拟旋转轴线，该可旋转部件绕固定部件转动，借助至少一个感应元件通过至少一个数据发送路径来实现数据发送，并且上述数据传送路径被布置在上述旋转发送器的旋转轴线以外。
2.根据权利要求1的感应式旋转发送器，其特征在于：该感应式旋转发送器具有一个壳体，该壳体具有一个包围所述虚拟旋转轴线的套管。
3.根据权利要求1或2的感应式旋转发送器，其特征在于：所述感应元件被制成一变压器，其具有至少一个第一线圈及一个第二线圈，第一线圈被配置给所述固定部件及第二线圈被配置给所述可转动部件。
4.根据权利要求3的感应式旋转发送器，其特征在于：所述第一线圈及第二线圈相对上述虚拟旋转轴线的方向彼此相邻地布置。
5.根据权利要求3或4的感应式旋转发送器，其特征在于：所述第一线圈围绕第二线圈同轴地布置。
6.根据权利要求3至5中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：所述第一和/或第二线圈被构成环形线圈。
7.根据权利要求3至5中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：所述第一和/或第二线圈被构成平面线圈。
8.根据以上权利要求中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：上述感应元件具有用于使场集中的装置。
9.根据以上权利要求中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：该旋转发送器被设计用来在两个方向上发送数据，并且对于每个发送方向设有一个感应元件。
10.根据权利要求9的感应式旋转发送器，其特征在于：所述感应元件相对上述虚拟旋转轴线的方向彼此相邻地布置。
11.根据权利要求9的感应式旋转发送器，其特征在于：所述感应元件彼此同轴套着地布置。
12.根据权利要求9至11中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：所述感应元件之间设有用于去磁场耦合的装置。
13.根据以上权利要求中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：该旋转发送器被设计用来发送总线协议，尤其是高速以太网协议。
14.根据以上权利要求中任一项的感应式旋转发送器，其特征在于：该感应式旋转发送器被构成一个集成单元。
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