DE102012007871B3 - Method for transmission of electric power from stator to rotatable device carrier for e.g. drilling machine, involves constructing parallel structure for feeding power during occurrence of interfering force such that force is compensated - Google Patents

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Abstract

The method involves constructing a parallel structure for feeding power by an energy feeding unit (3) during occurrence of interfering force such that the interfering force is compensated. A rotatable device carrier (2) is rotatably mounted on a mechanically fixed base part (1) around a rotational axis (5). The energy feeding unit is provided in the base part above coils. An energy coupler (4) supplies a device on the carrier via other coils, which are guided through a hollow shaft or a hole on the carrier. The device carrier is guided by a bearing (6).

Description

Problemstellung:Problem:

Viele Maschinen zur Materialbearbeitung sind wie folgt aufgebaut:
Auf einer fest stehende Basis (Stator) ist ein drehbar gelagerter Geräteträger montiert, auf dem sich die eigentlichen Bearbeitungsmaschinen wie Bohr-Schleif- und Fräsmaschinen etc. befinden.
Many machines for material processing are structured as follows:
On a fixed base (stator) a rotatably mounted equipment carrier is mounted on which the actual processing machines such as drilling-grinding and milling machines, etc. are located.

Über die fest stehende Basis (Stator) wird das zu bearbeitende Material zugeführt, welches dann mit vielen auf dem Geräteträger montierten Arbeitsmaschinen zeitlich gleichzeitig bearbeitet wird.The material to be processed is fed via the fixed base (stator), which is then processed simultaneously with many machines mounted on the equipment carrier at the same time.

Auf dem drehbaren Geräteträger wird zur Versorgung dieser Arbeitsmaschinen eine elektrische Leistung im 100 kW-Bereich und darüber benötigt, die über die fest stehende Basis (Stator) dem beweglichen Geräteträger zugeführt wird. Diese Leistung ist nicht konstant, sondern, jeweils vom aktuellen Arbeitsgang abhängig, stark wechselnd.On the rotatable equipment carrier an electrical power in the 100 kW range and above is needed to supply these work machines, which is supplied via the fixed base (stator) to the movable equipment carrier. This performance is not constant, but depending on the current operation, strongly changing.

Zur elektrischen Versorgung der Arbeitsmaschinen auf dem Geräteträger werden als Brücke zwischen Basis und Geräteträger vorwiegend Schleifringe und Energieketten eingesetzt.For the electrical supply of the machines on the equipment carrier mainly slip rings and energy chains are used as a bridge between the base and equipment carrier.

Beide Techniken haben große Nachteile: Bei den Schleifringen ist es der Verschleiß, bei den Energieketten ist es sowohl der Verschleiß als auch die Tatsache, dass nach jedem Arbeitszyklus der Geräteträger zurückgefahren werden muss.Both techniques have major disadvantages: With the slip rings it is the wear, with the energy chains it is both the wear and the fact that after each work cycle the equipment carrier must be reduced.

In dieser Patentschrift wird nun ein Prinzip und ein Verfahren beschrieben, womit berührungslos beliebig hohe elektrische Leistung in den Geräteträger übertragen werden kann, und zwar derart,
dass durch die Leistungsübertragung von der Basis auf den beweglichen Geräteträger weder Drehmomente noch Kräfte ausgeübt werden.
In this patent, a principle and a method will now be described with which contact-free arbitrarily high electrical power can be transmitted to the equipment carrier, and in such a way,
that neither torque nor forces are exerted by the power transmission from the base to the movable equipment carrier.

Stand der Technik:State of the art:

Gemäß DE 10 2005 009 866 B4 wird ein Verfahren beschrieben bei dem Drehstrom in den Geräteträger eingespeist wird, ohne dass dadurch ein Drehfeld entsteht. Kräfte in axialer Richtung treten dabei konstruktionsbedingt nicht auf.According to DE 10 2005 009 866 B4 a method is described in which three-phase current is fed into the device carrier, without thereby creating a rotating field. Forces in the axial direction do not occur due to the design.

In DE 199 53 583 C1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch zur Drehachse konzentrisch angeordnete Spulen Drehstrom in ein beweglich gelagertes Teil eingespeist wird, jedoch treten dabei Wanderwellen auf, die in axialer Richtung Kräfte wirksam werden lassen.In DE 199 53 583 C1 describes a method in which three-phase current is fed into a movably mounted part by concentrically arranged coils to the rotational axis, however, traveling waves occur, which can be effective in the axial direction forces.

Aus der DE 102 03 651 B4 sind induktive Übertrager zur Energieübertragung über Spulen bekannt, die in axialer Richtung einander gegenüberliegend so angeordnet, dass sie zur Übertragung von Wechselstrom von einem fest stehenden Basisteil auf ein drehbares Teil geeignet sind. Nachteilig ist bei diesem Übertragertyp die Tatsache, dass während der Energieübertragung leistungsabhängige elektromagnetischen Axialkräfte entstehen.From the DE 102 03 651 B4 Inductive transformers for energy transmission via coils are known, which are arranged in the axial direction opposite one another so that they are suitable for the transmission of alternating current from a fixed base part to a rotatable part. A disadvantage of this type of transformer is the fact that during the energy transfer power-dependent electromagnetic axial forces arise.

In DE 10 2006 044 704 A1 wird eine Verfahren mit konzentrisch angeordneten Spulen beschrieben, bei der die auftretenden Axialkräfte kompensiert werden, das Verfahren ist jedoch nur für Drehstrom verwendbar.In DE 10 2006 044 704 A1 A method is described with concentrically arranged coils, in which the axial forces are compensated, but the method is only suitable for three-phase.

Das neue Verfahren:The new procedure:

Es wird ein grundsätzliches Prinzip und ein Konzept zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung von einer im Normalfall fest stehenden Basis (dem Stator) in einen dazu drehbar beweglich gelagerten Geräteträger beschrieben,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf den beweglichen Geräteträger durch die elektrische Leistungsübertragung weder ein Drehmoment noch Schubkräfte ausgeübt werden. Das Prinzip ist erweiterbar auf mehrere schalenförmig um eine Drehachse angeordnete gegeneinander verdrehbare Teile.
It describes a basic principle and a concept for the contactless transmission of electrical power from a normally fixed base (the stator) in a rotatably movably mounted equipment carrier,
characterized,
that no torque or thrust forces are exerted on the movable equipment carrier by the electric power transmission. The principle is expandable to a plurality of bowl-shaped about an axis of rotation arranged against each other rotatable parts.

Dieses neue Verfahren unterscheidet sich von den oben genannten bekannten Verfahren insofern erheblich, als es sich um die Beschreibung eines allgemein gültigen Prinzips zur Kompensation von Kräften handelt, nämlich um das Differenzprinzip. Dieses Differenzprinzip wird in der Messtechnik häufig eingesetzt [siehe: Hütte, 33. Auflage, H Messtechnik], Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-71851-2], allerdings mit ganz anderer Zielrichtung.This new method differs considerably from the above known methods in that it is the description of a generally valid principle for the compensation of forces, namely the difference principle. This difference principle is frequently used in metrology [see: hut, 33rd edition, H Messtechnik], Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-71851-2], but with a completely different direction.

Hier wird das Differenzprinzip in einer speziellen Form vorgestellt und angewandt:
Zu jedem Teilsystem zur Einspeisung von Leistung, das eine störende Kraft erzeugt, wird, in erster Näherung, eine einspeisende Parallelstruktur installiert, die die störende Kraft kompensiert.
Here the principle of difference is presented and applied in a special form:
For each power supply subsystem that generates a disturbing force, an infeed parallel structure that compensates for the disturbing force is installed, as a first approximation.

Von diesen kräftekompensierenden Parallelstrukturen wird nur Kräftesymmetrie und keine geometrische Symmetrie gefordert.These force-compensating parallel structures require only force symmetry and no geometric symmetry.

Mit der genannten Technik lässt sich folgendes erreichen:

  • – Kräftefreiheit unabhängig von der aktuell zu übertragenden Leistung, der Phasenzahl, der Frequenz und der Kurvenform der Ströme und Spannungen.
  • – Es können beliebig viele Phasen übertragen werden.
  • – Es können gleichzeitig verschiedene Frequenzen übertragen werden.
  • – Das Differenzprinzip kann auf Drehmomente übertragen werden, wie es beispielsweise in DE 10 2005 009 866 B4 bereits implizit gemacht wurde
  • – Das Differenzprinzip lässt sich auch auf kapazitive Leistungsübertragung anwenden.
The following technique can be achieved:
  • - Freedom of forces regardless of the current power to be transmitted, the number of phases, the frequency and the waveform of the currents and voltages.
  • - Any number of phases can be transmitted.
  • - Different frequencies can be transmitted simultaneously.
  • - The difference principle can be transferred to torques, as for example in DE 10 2005 009 866 B4 already implicitly made
  • - The difference principle can also be applied to capacitive power transmission.

Erläuterndes BeispielExplanatory example

An zwei Bildern wird eine spezielle technische Lösung zur Energieübertragung gezeigt, die das Differenzprinzip in seiner Anwendung veranschaulicht.Two pictures show a special technical solution for energy transfer, which illustrates the difference principle in its application.

Bild 1 zeigt ein mechanisch fest stehendes Basisteil (1) auf dem sich; über Lager (6) geführt, der um die Drehachse (5) drehbare Geräteträger (2) befindet. Die Leistungseinspeisung (3) findet von außen über die Spulen Se im Basisteil (1) statt, die sekundäre Leistungsauskopplung (4) für die Versorgung von Geräte auf dem Geräteträger (2) erfolgt über die Spulen Sa; sie wird durch die gezeigte Hohlwelle oder eine eigene Bohrung auf den Geräteträger geführt. Nicht explizit genannt, sondern als selbstverständlich angenommen, ist die Verwendung von magnetisch gut leitendem Material für die magnetischen Kreise.Figure 1 shows a mechanically fixed base part ( 1 ) on the itself; over stock ( 6 ) guided around the axis of rotation ( 5 ) rotatable device carrier ( 2 ) is located. The power supply ( 3 ) takes place from the outside via the coils Se in the base part ( 1 ), the secondary power extraction ( 4 ) for the supply of equipment to the equipment carrier ( 2 ) takes place via the coils Sa; It is guided through the hollow shaft shown or a separate hole on the equipment carrier. Not explicitly mentioned, but taken for granted, is the use of magnetically good conductive material for the magnetic circuits.

Bei geeigneter Schaltung und richtiger Dimensionierung der Spulen lässt sich nun erreichen, dass die Kräfte im Luftspalt Se1, Sa1 exakt die Kräfte im Luftspalt Se2, Sa2 kompensieren. Dabei müssen die Se und Sa nicht gleich sein, sondern sie können beispielsweise zur Spannungstransformation unterschiedlich sein.With a suitable circuit and correct dimensioning of the coils can now be achieved that the forces in the air gap Se1, Sa1 exactly compensate for the forces in the air gap Se2, Sa2. The Se and Sa do not have to be the same, but they can be different, for example, to the voltage transformation.

Eine etwas andere Geometrie nach dem gleichen Prinzip und mit dem gleichen Zweck zeigt Bild 2.A slightly different geometry according to the same principle and with the same purpose is shown in Figure 2.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

zu Bild 1

1
feststehender Basisteil (Stator)
2
drehbarer Geräteträger
Sek
Spulenkörper primär, k = 1, 2
3
Energieeinspeisung
Sak
Spulenkörper sekundär, k = 1, 2
4
Energieauskopplung
5
Drehachse
6
Lager
zu Bild 2:
1
feststehender Basisteil (Stator)
2
drehbarer Geräteträger
Sek
Spulenkörper primär, k = 1, 2
3
Energieeinspeisung
Sa
Spulenkörper sekundär
4
Energieauskopplung
5
Drehachse
6
Lager
to picture 1
1
fixed base part (stator)
2
rotatable device carrier
Se k
Bobbin primary, k = 1, 2
3
power feed
Sa k
Bobbin secondary, k = 1, 2
4
energy extraction
5
axis of rotation
6
camp
to picture 2:
1
fixed base part (stator)
2
rotatable device carrier
Se k
Bobbin primary, k = 1, 2
3
power feed
Sat.
Bobbin secondary
4
energy extraction
5
axis of rotation
6
camp

Claims (2)

Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistungen von einem Basisteil (1) auf einen darauf um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Geräteträger (2), dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder störenden Kraft durch elektrische Einspeisung eine Parallelstruktur zur Einspeisung derart aufgebaut wird, dass sie die störende Kraft der Einspeisung kompensiert.Method for transmitting electrical power from a base part ( 1 ) on one about a rotation axis ( 5 ) rotatably mounted equipment carrier ( 2 ), characterized in that for each disturbing force by electrical feed a parallel structure for feeding is constructed such that it compensates for the disturbing force of the feed. Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistungen von einem Basisteil (1) auf einen darauf um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Geräteträger (2), dadurch gekennzeichnet, dass zu mehreren störenden Kräften durch Einspeisung elektrischer Energie eine oder mehrere Parallelstrukturen derart aufgebaut werden, dass die resultierende Kraft zu Null kompensiert wird.Method for transmitting electrical power from a base part ( 1 ) on one about a rotation axis ( 5 ) rotatably mounted equipment carrier ( 2 ), characterized in that one or more parallel structures are constructed such that the resulting force is compensated to zero for several disturbing forces by supplying electrical energy.
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R020 Patent grant now final

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