DE102012202922A1

DE102012202922A1 - Capacitive power transmission with segmented coupler

Info

Publication number: DE102012202922A1
Application number: DE102012202922A
Authority: DE
Inventors: Holger Steffens
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-08-29
Also published as: WO2013127824A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Koppler zur kontaktlosen positionsabhängigen Leistungsübertragung. Dieser weist einen stationären Leistungsgenerator auf, der eine Wechselspannung erzeugt, die über einen kapazitiven Drehübertrager mit einem stationären Plattenpaar und mehreren rotierenden Plattenpaaren in mehrere rotierende Lasten positionsabhängig gespeist wird. Das stationäre Plattenpaar ist kreissegmentförmig und bedeckt einen Winkel kleiner 360°. Die rotierenden Plattenpaare sind ebenfalls kreissegmentförmig und sind auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, so dass sich diese gemeinsam drehen.The invention relates to a capacitive coupler for contactless position-dependent power transmission. This has a stationary power generator which generates an AC voltage which is fed positionally dependent on a capacitive rotary transformer with a stationary plate pair and a plurality of rotating plate pairs in several rotating loads. The stationary plate pair is circular segment-shaped and covers an angle smaller than 360 °. The rotating plate pairs are also circular segment-shaped and are arranged on a common carrier, so that they rotate together.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf kapazitive Koppler zur kontaktlosen Leistungsübertragung, insbesondere kapazitive Drehübertrager und hier besonders kapaitive Drehübertrager mit segmentiertem Koppler.The invention relates to capacitive couplers for contactless power transmission, in particular capacitive rotary transformer and here particularly kapaitive rotary transformer with segmented coupler.

Stand der TechnikState of the art

Bei gegeneinander beweglichen Einheiten, wie Rundtaktanlagen, Radaranlagen oder auch Computertomographen, ebenso wie bei linear beweglichen Einheiten wie Krananlagen oder Förderfahrzeugen ist es häufig notwendig, elektrische Leistung zwischen beweglichen Einheiten zu übertragen. Um diese Leistung berührungslos zu übertragen, werden bevorzugt induktive oder kapazitive Koppler eingesetzt. Diese haben gegenüber mechanischen Schleifbahnen oder auch Schleifringen den Vorteil dass Abrieb, Verschleiß, mechanischer Kraftaufwand zur Bewegung des Kopplers und auch der Wartungsaufwand wesentlich geringer sind. Der Begriff eines kapazitiven Kopplers bezieht sich hier auf eine Schaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung zusammen mit einem kapazitiven Übertrager beziehungsweise Drehübertrager zur Leistungsübertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen und insbesondere drehbaren Teilen.In the case of mutually movable units, such as rotary indexing systems, radar systems or computer tomographs, as well as linearly movable units such as cranes or conveyor vehicles, it is often necessary to transfer electrical power between mobile units. In order to transfer this power without contact, inductive or capacitive couplers are preferably used. These have the advantage over mechanical sliding tracks or slip rings the advantage that abrasion, wear, mechanical force to move the coupler and also the maintenance costs are much lower. The term capacitive coupler here refers to a circuit for generating an alternating voltage together with a capacitive transformer or rotary transformer for power transmission between two mutually movable and in particular rotatable parts.

In der WO 2009/032163 A1 ist ein kontaktloser kapazitiver Koppler zur Signalübertragung in Bohrlöchern offenbart. Diese Koppler ist kompakt aufgebaut und wird durch einen Generator versorgt, der durch die Drehung des Bohrgestänges angetrieben wird. Erst aufgrund seiner gesamten Konzeption nicht für den industriellen Einsatz und insbesondere nicht für Rundtaktanlagen ausgelegt. Weiterhin offenbart die US 2012/0019076 A1 einen kapazitiven Leistungsübertrager als Ersatz für einen Stecker. Dieser Leistungsübertrager offenbart keine Koppleranordnung, die ihn für eine Übertragung zwischen gegeneinander beweglichen und insbesondere drehbaren Komponenten geeignet machen würde.In the WO 2009/032163 A1 discloses a contactless capacitive coupler for transmitting signals in boreholes. This coupler has a compact design and is powered by a generator driven by the rotation of the drill string. Only due to its entire conception not designed for industrial use and in particular not for rotary indexing systems. Furthermore, the disclosure US 2012/0019076 A1 a capacitive power transformer as a replacement for a plug. This power transformer does not disclose a coupler arrangement which would make it suitable for transmission between mutually movable and in particular rotatable components.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Koppeleinrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Einheiten, insbesondere einen kapazitiven Drehübertrager derart auszugestalten, dass positionsabhängig Energie an verschiedene Lasten übertragen werden kann. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung liegt darin, die positionsabhängige Schaltung der Energie mit weichen Schaltvorgängen, d. h. mit einem kontinuierlichen Übergang zwischen den Zuständen „ein” und „aus” zu realisieren.The invention has for its object to design a capacitive coupling device for transmitting electrical power between two mutually movable units, in particular a capacitive rotary transformer such that position-dependent energy can be transmitted to different loads. Another object of the invention is the position-dependent switching of the energy with soft switching operations, d. H. to realize with a continuous transition between the states "on" and "off".

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Eine erfindungsgemäße kapazitive Koppeleinrichtung, vorzugsweise ein kapazitiver Drehübertrager umfasst einen Leistungsgenerator zur Erzeugung einer gepulsten Gleichspannung oder einer Wechselspannung. Weiterhin umfasst sie einen kapazitiven Leistungsübertrager mit einer Primärseite und eine Sekundärseite, die gegeneinander beweglich sind. Es weist eine Primärseite wenigstens eine Primärplatte und die Sekundärseite wenigstens eine Sekundärplatte auf.A capacitive coupling device according to the invention, preferably a capacitive rotary transformer comprises a power generator for generating a pulsed DC voltage or an AC voltage. Furthermore, it comprises a capacitive power transformer with a primary side and a secondary side, which are mutually movable. It has a primary side at least one primary plate and the secondary side at least one secondary plate.

Eine erfindungsgemäße kapazitive Koppeleinrichtung weist bevorzugt einen kapazitiven Drehübertrager auf, der von einem stationären Wechselspannungsgenerator oder auch Inverter versorgt wird, und zur Speisung einer drehbaren Last dient. Der Anschaulichkeit halber wird hier die Darstellung von elektrische Leistung von einem stationären zu einem rotierenden Teil dargestellt. Grundsätzlich ist aber auch eine Leistungsübertragung in umgekehrter Richtung möglich und hierin mit eingeschlossen.A capacitive coupling device according to the invention preferably has a capacitive rotary transformer, which is supplied by a stationary AC voltage generator or inverter, and serves to feed a rotatable load. For the sake of clarity, the representation of electrical power from a stationary to a rotating part is shown here. In principle, however, a power transmission in the opposite direction is possible and included herein.

Zur Übertragung elektrischer Leistung weist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Drehübertrager eine Kapazität auf. Diese wird bevorzugt durch weitgehend parallel angeordnete Flächen gebildet. In Analogie zu einem Plattenkondensator werden diese Flächen nachfolgend der Anschaulichkeit halber auch als Platten bezeichnet. Die Platten des kapazitiven Drehübertragers sind gegeneinander drehbar und in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den Platten ist vorzugsweise mit Luft, einem anderen Gas oder einem dielektrischen Medium wie beispielsweise Öl gefüllt. Bevorzugt hat das Dielektrikum im Zwischenraum der Platten eine hohe Dielektrizitätskonstante. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn ein Dielektrikum ausserhalb der Platten eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat, um die parasitären kapazitäten möglichst gering zu halten. Zudem kann auch ein festes Dielektrikum innerhalb der Platten angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Platten auf einem Träger aus einem Isoliermaterial angeordnet oder in eine Isoliermaterial eingebettet sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn diese als Leiterplatten ausgeführt sind. Die Größe der gegenüberliegenden Flächen der rotierenden und der stationären Platten bestimmt neben dem Abstand und den Eigenschaften des Dielektrikums zwischen den Platten die Koppelkapazität des Drehübertragers. Durch eine Anpassung der Plattenflächen kann nun eine Anpassung der Koppelkapazität und damit auch der Übertragungseigenschaften des Drehübertragers an bestimmte Aufgaben erfolgen. Hierbei kann insbesondere eine positionsabhängige Steuerung der Übertragungseigenschaften erfolgen, wie diese beispielsweise bei Rundtaktanlagen erwünscht bzw. notwendig ist. Besonders bevorzugt ist es daher, wenn der kapazitive Drehübertrager drehwinkelabhängig angepasste Plattenflächen aufweist.For transmitting electrical power, a capacitive rotary transformer according to the invention has a capacity. This is preferably formed by largely parallel arranged surfaces. In analogy to a plate capacitor, these surfaces are hereinafter also referred to as plates for the sake of clarity. The plates of the capacitive rotary transformer are rotatable relative to each other and arranged at a certain distance from each other. The space between the plates is preferably filled with air, another gas or a dielectric medium such as oil. Preferably, the dielectric has a high dielectric constant in the space between the plates. Furthermore, it is preferred if a dielectric outside the plates has a low dielectric constant in order to keep the parasitic capacitances as low as possible. In addition, a solid dielectric can also be arranged inside the plates. It when the plates are arranged on a support made of an insulating material or embedded in an insulating material is particularly advantageous. It is particularly advantageous if these are designed as printed circuit boards. The size of the opposite surfaces of the rotating and the stationary plates determines, in addition to the distance and the properties of the dielectric between the plates, the coupling capacity of the rotary transformer. By adapting the plate surfaces, it is now possible to adapt the coupling capacity and thus also the transmission properties of the rotary transmitter to specific tasks. In this case, in particular a position-dependent control of Transmission properties take place, as this is desirable or necessary for rotary indexing systems, for example. Therefore, it is particularly preferred if the capacitive rotary transformer has plate surfaces adapted to the angle of rotation.

In einer besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung deckt die stationäre Platte nur einen bestimmten Drehwinkelbereich kleiner 360° ab, in dem elektrische Leistung übertragen werden kann und weist im übrigen Drehwinkelbereich eine Aussparung auf, in der keine elektrische Leistung übertragen werden kann. Besonders vorteilhaft ist hier eine kreissegmentförmige Ausgestaltung der Platten. Grundsätzlich könnte anstelle der Aussparung auch eine Massefläche vorgesehen sein. Damit kann die Entkopplung weiter erhöht werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the stationary plate covers only a certain rotation angle range less than 360 °, in which electrical power can be transmitted and in the rest of the rotation angle range has a recess in which no electrical power can be transmitted. Particularly advantageous here is a circular segmental design of the plates. In principle, instead of the recess, a ground surface could also be provided. Thus, the decoupling can be further increased.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehübertrager auf seiner rotierenden Seite mehrere, elektrisch voneinander unabhängige, aber mechanisch miteinander verbundene Platten auf, mit denen entsprechend mehrere Lasten gespeist werden können. Bevorzugterweise deckt jede Platte auf der rotierenden Seite einen Drehwinkelbereich kleiner 120° ab. Besonders bevorzugt liegt der Drehwinkelbereich bei ca. zwei 22,5°. Dies kann besonders günstig durch eine kreissegmentförmig Ausgestaltung der Platten erreicht werden. Durch eine solche Anordnung der Platten lässt sich eine positionsabhängigen Schaltfunktion realisieren. Da die Leistungsübertragung hier kontaktlos erfolgt, entsteht bei den Übergängen bzw. beim Schalten kein Schaltfunke, wie er bei einem konventionellen Kollektor auftreten würde. Weiterhin können durch geeignete Gestaltung der Platten sind die Übergänge kontinuierlich gestaltet werden, was zu einem weichen Schaltvorgang führt.In a further advantageous embodiment of the invention, the rotary transformer on its rotating side a plurality of electrically independent of each other, but mechanically interconnected plates with which a plurality of loads can be fed accordingly. Preferably, each plate covers a rotation angle range of less than 120 ° on the rotating side. Particularly preferably, the rotation angle range is about two 22.5 °. This can be achieved particularly favorable by a circular segmental configuration of the plates. Such an arrangement of the plates makes it possible to realize a position-dependent switching function. Since the power transmission takes place here contactless, arises at the transitions or when switching no switching spark, as would occur in a conventional collector. Furthermore, by suitable design of the plates, the transitions can be made continuous, which leads to a soft switching process.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer stationären Platte, welche in eine bestimmte Winkelbereich abdeckt mit mehreren voneinander unabhängigen Platten auf der rotierenden Seite. Dadurch können bestimmte Lasten abhängig von ihrem Drehwinkel mit elektrischer Leistung versorgt werden. Dadurch, dass sich die Koppelflächen bei der Drehbewegung kontinuierlich zueinander zu bewegen, ergibt sich auch ein kontinuierlicher Übergang der Koppelkapazität von null bis zur maximalen Kapazität, wenn eine Koppelfläche auf der rotierenden Seite vom Bereich der Aussparung der stationären Seite in den Bereich der stationären Platten einfährt. Gleiches gilt für das Ausfahren aus dem Bereich der Platten. Dies ergibt eine allmähliches und weiches Einschalt- bzw. Ausschaltverhalten. Durch eine entsprechende Gestaltung der Platten lässt sich dieser Effekt weiter modifizieren. So wird die Einheit dieser Flanke durch schmale und radial lange Flächen verstärkt. Durch eine Abschrägung oder anderweitige Modifikation der Seiten der Flächen kann die Steilheit der Flanke verringert bzw. deren Verlauf modifiziert werden.Particularly advantageous is the combination of a stationary plate, which covers in a certain angular range with several independent plates on the rotating side. As a result, certain loads can be supplied with electrical power depending on their angle of rotation. Due to the fact that the coupling surfaces move continuously relative to one another during the rotational movement, there is also a continuous transition of the coupling capacity from zero to maximum capacity when a coupling surface on the rotating side moves from the region of the stationary side recess into the region of the stationary plates , The same applies to the extension from the area of the plates. This gives a gradual and soft turn-on or turn-off behavior. By appropriate design of the plates, this effect can be further modified. Thus, the unity of this flank is reinforced by narrow and radially long surfaces. By sloping or otherwise modifying the sides of the surfaces, the steepness of the flank can be reduced or their course can be modified.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Platten positionsabhängig verschiedene Radien auf, so dass die Verkopplung zwischen den Platten und damit der Leistungsfluss positionsabhängig ist.In a further embodiment of the invention, the plates have different radii depending on position, so that the coupling between the plates and thus the power flow is position-dependent.

Grundsätzlich kann der kapazitive Koppler mit einer stationären Platte und jeweils einer rotierenden Platte für jede rotierende Last realisiert werden. Damit steht allerdings nur ein Strompfad zur Verfügung. Der Rückstrom kann hier beispielsweise über einen Schleifring oder einen Schleifkontakt realisiert werden. Es besonders einfach, einen einspurigen Schleifkontakt zu realisieren, da diese häufig, beispielsweise wenn koaxialer Stecker aufgebaut, an der Drehachse des Drehübertragers montiert werden kann. Erst mehrpolige Schleifringe werden aufwändiger, da diese nun einen freien Innendurchmesser aufweisen müssen und komplexere Bürstenanordnung benötigen.In principle, the capacitive coupler can be realized with one stationary plate and one rotating plate for each rotating load. However, this is only a rung available. The return current can be realized here for example via a slip ring or a sliding contact. It is particularly easy to realize a single-track sliding contact, since these often, for example, if coaxial connector constructed, can be mounted on the axis of rotation of the rotary transformer. Only multi-pole slip rings are more complex, since they now have to have a free inner diameter and require more complex brush assembly.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der kapazitive Koppler als Differenzkoppler ausgebildet wird, so dass auf der stationären Seite zwei Platten jeweils zwei Platten pro Last an der rotierenden Seite zugeordnet sind. Entsprechend wird jede der zuvor beschriebenen Platten in zwei Teilplatten aufgeteilt. Dadurch ist ein Rückstrompfad wie beispielsweise der oben angegebene Schleifring nicht mehr notwendig. Allerdings ist hier die doppelte Plattenfläche vorzusehen.Furthermore, it is advantageous if the capacitive coupler is designed as a differential coupler, so that on the stationary side two plates are each associated with two plates per load on the rotating side. Accordingly, each of the previously described plates is divided into two sub-plates. As a result, a Rückstrompfad such as the above slip ring is no longer necessary. However, here is the double plate area provided.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der kapazitive Koppler mehrere kapazitive Koppelflächen auf. So ist es besonders günstig, eine erste Platte auf der Primärseite oben und unten durch zwei weitere, drehfest miteinander verbundenen Platten auf der Sekundärseite zu umschließen. Dadurch kann mit einem geringem Mehraufwand an Platz die doppelte Koppelkapazität erreicht werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the capacitive coupler has a plurality of capacitive coupling surfaces. Thus, it is particularly favorable to enclose a first plate on the primary side above and below by two further, non-rotatably interconnected plates on the secondary side. As a result, the double coupling capacity can be achieved with a little extra space.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Induktivität vorgesehen, die zusammen mit der wenigstens einen Kapazität des Drehübertragers einen Serienresonanzkreis bildet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Wechselspannunggenerator auf die Serienresonanzfrequenz abgestimmt ist. Hierbei können auch weitere die Frequenz beeinflussende Komponenten im Wechselspannungsgenerator oder der Last berücksichtigt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, at least one inductance is provided, which forms a series resonant circuit together with the at least one capacitance of the rotary transformer. Furthermore, it is advantageous if the AC voltage generator is tuned to the series resonant frequency. In this case, other frequency-influencing components in the AC voltage generator or the load can be taken into account.

Eine erfindungsgemäße Rundtaktanlage umfasst wenigstens einen kapazitiven Koppler in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, besonders bevorzugt einen kapazitiven Koppler mit einem kapazitiven Drehübertrager umfassend wenigstens eine stationäre Platte und mehrere rotierenden Platten.A rotary contact system according to the invention comprises at least one capacitive coupler in one of the embodiments described here, particularly preferably a capacitive coupler with a capacitive rotary transformer comprising at least one stationary plate and a plurality of rotating plates.

Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings.

1 zeigt das Prinzipschaltbild einer kapazitiven Leistungsübertragung. 1 shows the block diagram of a capacitive power transmission.

2 zeigt Details eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehübertragers. 2 shows details of a capacitive rotary transformer according to the invention.

3a–3c zeigen die Rotation der Platten. 3a - 3c show the rotation of the plates.

4 zeigt die Funktion der Koppelkapazität über den Winkel. 4 shows the function of the coupling capacity over the angle.

5 zeigt eine Ausführungsform mit differenzieller Leistungsübertragung. 5 shows an embodiment with differential power transmission.

6 zeigt eine Rundtaktanlage mit kapazitiver Leistungsübertragung. 6 shows a rotary transfer system with capacitive power transmission.

In 1 ist das Prinzip einer kapazitiven Leistungsübertragung dargestellt. Die Übertragung zwischen den gegeneinander drehbaren Teilen dient ein kapazitiver Drehübertrager 100. Dieser weist wenigstens eine stationäre Platte 110 und wenigstens eine gegenüber dieser beweglichen rotierenden Platte 120 auf der Drehspalt 150 ist meist mit Luft gefüllt. Es können jedoch auch andere dielektrische Medien, wie beispielsweise ein Gas oder Öl verwendet werden. Die wenigstens eine stationäre Platte 110 wird mit einer vorzugsweise hochfrequenten Wechselspannung von einem Generator 180 über den Signalausgang 181 gespeist. Die von der wenigstens einen rotierenden Platte 120 abgegriffene Wechselspannung wird in die wenigstens eine rotierende Last 190 über den Signaleingang 191 eingespeist. Für den Rückstrompfad zwischen dem Generator 180 und der Last 190 ist vorzugsweise ein Schleifring 170 oder ein anderer Drehübertrager zur Verbindung der Masseleitungen 182 des Generator und 192 der Last vorgesehen. Bevorzugt ist weiterhin ein Schirm 130 elektrischen Stimmung der stationären bzw. rotierenden Platten vorgesehen. Dieser ist bevorzugt mit der Rückstromleitung verbunden.In 1 the principle of a capacitive power transmission is shown. The transmission between the mutually rotatable parts is a capacitive rotary transformer 100 , This has at least one stationary plate 110 and at least one opposite to this movable rotating plate 120 on the rotary gap 150 is mostly filled with air. However, other dielectric media such as gas or oil may be used. The at least one stationary plate 110 is with a preferably high-frequency AC voltage from a generator 180 via the signal output 181 fed. That of the at least one rotating plate 120 tapped AC voltage is in the at least one rotating load 190 via the signal input 191 fed. For the return path between the generator 180 and the load 190 is preferably a slip ring 170 or another rotary transformer for connecting the ground lines 182 of the generator and 192 the load provided. Furthermore, a screen is preferred 130 provided electrical mood of the stationary or rotating plates. This is preferably connected to the return flow line.

Details eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehübertragers sind in der 2 dargestellt. Hierbei zeigt der obere Teil des Drehübertragers in einer Draufsicht, während unten ein waagrechter Schnitt durch den Drehübertrager dargestellt ist. Die Platten des kapazitiven Drehübertragers sind hier auf Trägern, wie beispielsweise Leiterplatten angeordnet. Es ist hier eine stationäre Platte 240 auf einem Träger 210 zwischen zwei miteinander verbundenen rotierenden Platten Trägern 221 und 222 angeordnet, welche die rotierenden Platten tragen. In der Draufsicht sind die stationäre Platte 240 sowie die darüber angeordneten rotierenden Platten 250–257 zu erkennen. Alle Platten sind vorzugsweise als Kreissegmente ausgeführt. So definiert die stationäre Platte den Arbeitsbereich, in dem die einzelnen rotierenden Platten angekoppelt werden können. Sie hat bevorzugt eine Aussparung 241, in der die rotierenden Platten nicht angekoppelt werden können. In diesem Bereich erfolgt keine Versorgung der an die jeweilige rotierende Platte angeschlossenen Last. Grundsätzlich kann ein solcher kapazitiver Drehübertrager mit nur einem einzigen stationären Träger 210 und einem rotierenden Träger 221 oder 222 realisiert werden. Hier dargestellte Ausführungsform mit zwei rotierenden Trägern ergibt eine Verdoppelung der Koppelkapazität bei einer geringfügigen Vergrößerung des Bauraums, wenn die Platten parallel geschaltet werden. Zusätzlich bzw. alternativ können die Platten der beiden rotierenden Träger aber zur Speisung mehrerer Lasten verwendet werden. Ebenso könnten auch die Träger 221 und 222 stationär und der Träger 210 rotierend angeordnet werden. Wenn in diesem Dokument auf eine rotierende Platte Bezug genommen wird, dann kann es sich hierbei auch um eine Mehrzahl von über- oder untereinander angeordneten, rotationsfest miteinander verbundenen Platten handeln, wie beispielsweise die hier dargestellten Platten 250 und 260 oder 254 und 264.Details of a capacitive rotary transformer according to the invention are in the 2 shown. Here, the upper part of the rotary transformer in a plan view, while below a horizontal section through the rotary transformer is shown. The plates of the capacitive rotary transformer are arranged here on carriers, such as printed circuit boards. It is a stationary plate here 240 on a carrier 210 between two interconnected rotating plates carriers 221 and 222 arranged, which carry the rotating plates. In the plan view are the stationary plate 240 as well as the rotating plates arranged above it 250 - 257 to recognize. All plates are preferably designed as circular segments. Thus, the stationary plate defines the working area in which the individual rotating plates can be coupled. It preferably has a recess 241 in which the rotating plates can not be coupled. There is no supply of the load connected to the respective rotating plate in this area. In principle, such a capacitive rotary transformer with only a single stationary carrier 210 and a rotating carrier 221 or 222 will be realized. Embodiment shown here with two rotating carriers results in a doubling of the coupling capacity at a slight increase in the installation space when the plates are connected in parallel. Additionally or alternatively, however, the plates of the two rotating carriers can be used to feed a plurality of loads. Likewise, the carriers could 221 and 222 stationary and the carrier 210 be arranged rotating. When reference is made in this document to a rotating plate, this may also be a plurality of superimposed or mutually arranged, rotationally fixed interconnected plates, such as the plates shown here 250 and 260 or 254 and 264 ,

Die 3a–3c zeigen die Rotation der rotierenden Platten 250–256 gegenüber der stationären Platte 240. In der 3a sind die rotierenden Platten 250–254 mit der stationären Platte 240 verkoppelt, während die rotierende Platte 256 auf der Aussparung 241 liegt und somit nicht mit der stationären Platte verkoppelt ist. Nur die an die rotierenden Platten 250–254 angeschlossenen Lasten werden mit Energie versorgt, während die an die rotierende Platte 256 angeschlossenen Last nicht mit Energie versorgt wird. In 3b ist dieselbe Anordnung dargestellt, wobei die rotierenden Platten in der gezeigten Drehrichtung 242 im Uhrzeigersinn um einen Winkel von ca. 55° gegenüber der 3a gedreht wurden. Hier tritt nun die rotierende Platte 256 in den Bereich der stationären Platte 240 ein, während die rotierende Platte 254 den Bereich der stationären Platte 240 verlässt. In dieser Winkelposition überlappen die rotierenden Platten 254 und 256 die stationäre Platte 240 ungefähr mit ihrer halben Fläche, so dass hier die halbe Koppelkapazität besteht. Bei weiterer Bewegung im Uhrzeigersinn wird sich die Koppelkapazität der Platte 254 zur Platte 240 weiter reduzieren und die Koppelkapazität der Platte 256 zur Platte 240 weiter vergrößern. In der 3c ist ein weiterer Zustand dargestellt, bei dem die rotierenden Platten gegenüber der vorherigen Abbildung um ca. 10° im Uhrzeigersinn weiter gedreht wurden. Nun überlappt die rotierende Platte 256 die stationäre Platte 240 vollständig, so dass eine Verkopplung mit der maximalen Koppelkapazität erfolgt, während die rotierende Platte 254 nun im Bereich der Aussparung 241 der stationären Platte liegt und somit keine Verkopplung mehr erfolgt.The 3a - 3c show the rotation of the rotating plates 250 - 256 opposite the stationary plate 240 , In the 3a are the rotating plates 250 - 254 with the stationary plate 240 coupled while the rotating plate 256 on the recess 241 is located and thus not coupled with the stationary plate. Only the to the rotating plates 250 - 254 Connected loads are energized while being connected to the rotating plate 256 Energy is not supplied to the connected load. In 3b the same arrangement is shown, wherein the rotating plates in the direction of rotation shown 242 clockwise at an angle of about 55 ° to the 3a were filmed. Here comes the rotating plate 256 in the area of the stationary plate 240 one while the rotating plate 254 the area of the stationary plate 240 leaves. In this angular position, the rotating plates overlap 254 and 256 the stationary plate 240 approximately with its half area, so that there is half the coupling capacity. Further clockwise movement will increase the coupling capacity of the disk 254 to the plate 240 further reduce and the coupling capacity of the plate 256 to the plate 240 continue to enlarge. In the 3c another state is shown where the rotating plates 10 ° clockwise in comparison to the previous illustration. Now the rotating plate overlaps 256 the stationary plate 240 completely, so that a coupling with the maximum coupling capacity takes place while the rotating plate 254 now in the area of the recess 241 the stationary plate is located and thus no more coupling takes place.

Die 4 zeigt den Verlauf der Koppelkapazität einzelner rotierender Platten 250–256 als Funktion des Drehwinkels gegenüber der stationären Platte 240. Die Kurve 260 beschreibt die Koppelkapazität der rotierende Platte 250 zu der stationären Platte 240. Diese Koppelkapazität ist in einem Winkelbereich von 0° bis 225° konstant und nimmt dann in dem Bereich bis 247,5° linearer ab bis zur Kapazität 0, da sie dann im Bereich der Aussparung 241 der stationären Platte liegt. Bei weiterer Drehung erfolgt ab einem Winkelbereich von 315° wieder eine zunehmende Überlappung mit der stationären Platte 240 und somit eine Zunahme der Kapazität bis zur maximalen Kapazität in einem Winkelbereich bis 337,5°. Hier bleibt die Koppelkapazität bei weiterer Drehung zunächst wieder konstant. Die entsprechenden Verläufe für die Platten 252, 254 und 256 zeigen die Kurven 262, 264 und 266. Die Kurve 270 zeigt die Anordnung der stationären Platte als Funktion des Winkels. So liegt die stationäre Platte ist hier in einem Winkelbereich von 315° bis 225°. In den Winkelbereich von 225° bis 315° befindet sich die Aussparung 241 The 4 shows the course of the coupling capacity of individual rotating plates 250 - 256 as a function of the angle of rotation with respect to the stationary plate 240 , The curve 260 describes the coupling capacity of the rotating plate 250 to the stationary plate 240 , This coupling capacity is constant in an angle range of 0 ° to 225 ° and then decreases linearly in the range up to 247.5 ° to capacity 0, since they then in the region of the recess 241 the stationary plate is located. Upon further rotation occurs from an angular range of 315 ° again increasing overlap with the stationary plate 240 and thus an increase in capacity up to maximum capacity in an angular range up to 337.5 °. Here, the coupling capacity initially remains constant again on further rotation. The corresponding gradients for the plates 252 . 254 and 256 show the curves 262 . 264 and 266 , The curve 270 shows the arrangement of the stationary plate as a function of the angle. Thus, the stationary plate is here in an angular range of 315 ° to 225 °. In the angular range of 225 ° to 315 ° is the recess 241

In der 5 ist eine weitere Ausführungsform mit differentieller Leistungsübertragung dargestellt. Der kapazitive Drehübertragers 100 weist hier auf der stationären Seite ein paar stationärer Platten 111, 112 auf, die mit wenigstens einem Paar rotierender Platten 121, 122 auf der rotierenden Seite verkoppelt sind. Bevorzugterweise sind die Flächen der Platten eines Paares, das heißt die Flächen der Platten 111 und 112 gleich groß. Gleiches gilt für die Flächen der Platten 121 und 122. Der Wechselspannungsgenerator 180 erzeugt hier eine möglichst symmetrische, differentielles Wechselspannung zur Speisung der stationären Platten 111, 112.In the 5 another embodiment with differential power transmission is shown. The capacitive rotary transformer 100 here has some stationary plates on the stationary side 111 . 112 on that with at least a pair of rotating plates 121 . 122 are coupled on the rotating side. Preferably, the surfaces of the plates of a pair, that is, the surfaces of the plates 111 and 112 same size. The same applies to the surfaces of the plates 121 and 122 , The AC generator 180 Here generates a symmetrical, differential AC voltage for feeding the stationary plates 111 . 112 ,

Die 6 zeigt eine Rundtaktanlage mit kapazitiver Leistungsübertragung. Ein Rundtakttisch 450, der sich mit dem Drehsinn 451, hier im Uhrzeigersinn dreht, trägt die Bearbeitungsstationen 460–463. Hierbei sind die Stationen 460, 461, 462 und 463 mit den Paaren rotierender Platten 410, 420, 430 und 440 verbunden. Hier befindet sich gerade das Paar rotierender Platten 410 teilweise im Eingriff mit dem paar stationärer Platten 400 und bewegt sich weiter in Richtung des Paars stationärer Platten, so dass die Koppelkapazität weiter zunimmt und entsprechend die an die Bearbeitungsstation 460 übertragene elektrische Leistung bis zur maximalen Leistung ansteigt. Die Paare rotierender Platten 420 und 430 der Bearbeitungsstation 461 und 462 befinden sich in vollem Eingriff mit dem Paar stationärer Platten 400, so dass hier die maximal mögliche Leistung an die Bearbeitungsstationen übertragen werden kann. Das Paar rotierender Platten 440 zur Bearbeitung Station 463 befindet sich außerhalb des Bereichs des Paars stationärer Platten 400, so dass hier keine elektrische Leistung übertragen wird. In dieser Figur sind weiterhin die an den Bearbeitungsstationen zu bearbeitenden Werkstücke 470–480 dargestellt, die in Richtung der Pfeile 490–496 die Rundtaktanlage durchlaufen.The 6 shows a rotary transfer system with capacitive power transmission. A round table 450 that is with the sense of rotation 451 , turns clockwise here, carries the work stations 460 - 463 , Here are the stations 460 . 461 . 462 and 463 with the pairs of rotating plates 410 . 420 . 430 and 440 connected. Here is just the pair of rotating plates 410 partially engaged with the few stationary plates 400 and continues to move in the direction of the pair of stationary plates, so that the coupling capacity continues to increase and that corresponding to that to the processing station 460 transmitted electrical power increases to maximum power. The pairs of rotating plates 420 and 430 the processing station 461 and 462 are in full engagement with the pair of stationary plates 400 , so that the maximum possible power can be transmitted to the processing stations here. The pair of rotating plates 440 for processing station 463 is outside the range of the pair of stationary plates 400 , so that no electrical power is transmitted here. In this figure, continue to be processed at the processing stations workpieces 470 - 480 shown in the direction of the arrows 490 - 496 go through the rotary transfer system.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: kapazitiver DrehübertragerCapacitive rotary transformer
110, 111, 112110, 111, 112: stationäre Plattenstationary plates
120, 121, 122120, 121, 122: rotierende Plattenrotating plates
130130: Schirmumbrella
150150: DrehspaltTwisted splitting
170170: Schleifkontaktsliding contact
180180: WechselspannungsgeneratorAC voltage generator
181181: Signalausgangsignal output
182182: Masseleitung WechselspannungsgeneratorGround line AC voltage generator
190190: Lastload
191191: Signaleingangsignal input
192192: Masseleitung LastGround line load
210210: stationärer Trägerstationary carrier
221221: erster rotierender Trägerfirst rotating carrier
220220: zweiter rotierender Trägersecond rotating support
230, 234230, 234: rotierende Platten an der Unterseiterotating plates at the bottom
240240: stationäre Plattestationary plate
241241: Aussparung in der stationären PlatteRecess in the stationary plate
242242: Drehrichtungdirection of rotation
250–257250-257: rotierende Plattenrotating plates
260–266260-266: Verlauf der KoppelkapazitätCourse of the coupling capacity
270270: Anordnung der stationären Platte als Funktion des WinkelsArrangement of the stationary plate as a function of the angle
400400: paar stationärer Plattenfew stationary plates
410–440410-440: Paare rotierender PlattenPair of rotating plates
450450: RundtakttischRotary table
451451: Drehsinn des RundtakttischesRotation of the rotary table
460–463460-463: Bearbeitungsstationenprocessing stations
470–480470-480: Werkstückeworkpieces
490–496490-496: Durchlauf der Werkstücke durch die RundtaktanlagePassing of the workpieces through the rotary transfer system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/032163 A1 [0003]
US 2012/0019076 A1 [0003]

Claims

Capacitive rotary transformer for the position-dependent transmission of electrical energy between two mutually movable units with at least one stationary plate ( 110 ) and at least one rotatable at a predetermined distance to plate ( 120 ), characterized in that the at least one stationary plate ( 110 ) has the shape of a circle segment which encloses an angle of less than 360 ° and the at least one rotating plate ( 120 ) has the shape of a circle segment, which is an angle of less than 360 °.

Capacitive rotary transformer according to claim 1, characterized in that at least two of the rotating plates ( 120 ) have the shape of a circle segment which encloses an angle of less than or equal to 120 ° and which are adapted to different loads ( 190 ) are connected.

Capacitive rotary transformer according to claim 1 or 2, characterized in that each plate consists of two sub-plates to transmit signals differentially.

Capacitive rotary transformer according to one of the preceding claims, characterized in that a slip ring as a ground connection ( 70 ) or reverse current contact between the rotating load ( 190 ) and the stationary AC voltage generator ( 180 ) is provided.

Capacitive rotary transformer according to one of the preceding claims, characterized in that between the stationary ( 110 ) and rotating plates ( 120 ) is at least one dielectric.

Capacitive rotary transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one stationary plate ( 110 stationary on a first carrier ( 210 ) is arranged and in each case a first rotating plate on a first rotating carrier ( 221 ) above the at least one stationary plate and a second rotating plate on a second rotating support ( 222 ) are arranged below the at least one stationary plate.

Capacitive coupling device for the position-dependent transmission of electrical energy between two mutually movable units comprising - at least one AC voltage generator ( 180 ) for generating a pulsed DC voltage or an AC voltage, - at least one capacitive rotary transformer ( 100 ) according to one of the preceding claims, which is fed by the at least one AC voltage generator, - at least one load ( 190 ), which is fed via the at least one capacitive rotary transformer.