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Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie mit zumindest einem die elektrische Energie abgebenden ersten Trägerteil und einem die elektrische Energie aufnehmenden zweiten Trägerteil, wobei die Trägerteile um eine gemeinsame Drehachse angeordnet und gegeneinander relativ verdrehbar sind, zwischen den Trägerteilen ein Luftspalt gebildet ist, wobei die Trägerteile jeweils einen Ferritübertrager enthalten, über die ein magnetischer Fluss von dem ersten auf das zweite Trägerteil übertragbar ist, und wobei zwischen den Ferritübertragern und dem Luftspalt jeweils einander gegenüberliegend im ersten Trägerteil mit einer elektrischen Energiequelle und in dem zweiten Trägerteil mit einem elektrischen Verbraucher verbundene Wicklungen in den Trägerteilen aufgenommen sind.
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Energieübertragungssysteme zur Übertragung von elektrischer Energie von einem Bauteil auf ein gegenüber diesem verdrehbar angeordnetes Bauteil enthalten in herkömmlicher Weise Bürsten-/Schleifkontaktsysteme zur Aufrechterhaltung des elektrischen Kontakts während einer Drehbewegung. Insbesondere bei schnell gegeneinander verdrehten Bauteilen und bei störempfindlichen Umgebungen ist diese Form der Übertragung elektrischer Energie nicht vorteilhaft.
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In der
DE 10 2006 057 150 A1 wird daher ein kontaktloses Energieübertragungssystem vorgeschlagen, bei dem mittels einer Primärwicklung von einem stationären Element induktiv elektrische Energie auf eine Sekundärwicklung eines gegenüber dem stationären Element rotierenden Elements übertragen wird. Die Wicklungen sind dabei jeweils in einem im Querschnitt E-förmig ausgebildeten Übertrager wie Ferritübertrager, der als einteiliger Kern aus hoch permeablem Material wie Ferrit ausgebildet ist. Die Herstellung dieser Kerne ist fertigungs- und kostenaufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines kontaktlosen Energieübertragungssystems. Insbesondere soll das kontaktlose Energieübertragungssystem bezüglich des Übertragers einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden. Insbesondere sollen die Übertrager auch bei großen Durchmessern in einfacher und kostengünstiger Weise ausgebildet werden.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Das vorgeschlagene Energieübertragungssystem dient der kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie. Hierzu sind zwei um eine Drehachse angeordnete, gegeneinander um die Drehachse verdrehbare Trägerteile vorgesehen. Eines dieser Trägerteile dient dabei als die elektrische Energie abgebendes Trägerteil und das andere als die Energie aufnehmendes Trägerteil. Hierbei kann bevorzugt das die elektrische Energie abgebende Teil als feststehendes Trägerteil wie Stator und das die elektrische Energie aufnehmende Teil als gegenüber diesem drehendes Trägerteil wie Rotor ausgebildet sein. Alternativ können beide Teile gegeneinander verdrehbar sein, wobei zumindest das die elektrische Energie abgebende Trägerteil die elektrische Energie in sich erzeugen oder über eine weitere kontaktlose oder kontaktbehaftete Drehentkoppelung mit einem weiteren Trägerteil elektrische Energie austauschen kann. In diesem Sinne können in Form einer Kaskadenschaltung mehrere Trägerteile jeweils gegeneinander verdrehbar hintereinander geschaltet sein. Unter kontaktloser Übertragung elektrischer Energie ist in Kontext dieser Energie alternativ oder zusätzlich die Übertragung von Information in Form separater Datenleitungen und/oder aufmodulierten Signalen auf die elektrische Energieübertragung zu verstehen.
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Die Trägerteile können aufeinander beispielsweise mittels einer Lagerung wie Wälz- oder Gleitlagerung unter Ausbildung eines korrekten Luftspalts verdrehbar gelagert sein. Alternativ hierzu können die Trägerteile jeweils unter Einhaltung eines korrekten Luftspalts auf verschiedenen Aufnahmen, beispielsweise auf einem gemeinsamen Gehäuse gelagert sein.
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Die Übertragung der elektrischen Energie erfolgt über einen zwischen den Trägerteilen angeordneten Luftspalt, wobei die Trägerteile jeweils einen Ferritübertrager enthalten, über die ein magnetischer Fluss von dem ersten auf das zweite Trägerteil übertragbar ist. Zwischen den Ferritübertragern und dem Luftspalt sind in den Trägerteilen Wicklungen, beispielsweise in einem ersten Trägerteil eine Primärwicklung und in dem zweiten Trägerteil eine Sekundärwicklung vorgesehen. Die Wicklungen können in an sich bekannter Weise in den Trägerteilen angeordnet und aufgenommen sein. In einer Abwicklung der über den Umfang angeordneten Wicklungen betrachtet sind dabei die primärseitigen und sekundärseitigen Wicklungen jeweils als über den Umfang angeordnete Spulen vorgesehen. Die Trägerteile können, um die Wicklungen am Luftspalt möglichst nahe aneinander zu bringen, ringförmige Ausnehmungen enthalten, in die die Drähte der Wicklungen eingelassen und gegebenenfalls darin vergossen sind. Die Drähte der Wicklungen sind gegeneinander isoliert. Die Primärwicklung ist mit einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Leistungselektronik verbunden. Die Sekundärwicklung ist mit einem elektrischen Verbraucher verbunden. Die zwischen den Trägerteilen übertragene elektrische Energie ist hochfrequent und weist eine Frequenz von beispielsweise 50 bis 150 kHz auf, so dass die Trägerteile mit hohen Relativdrehzahlen gegeneinander ohne wesentliche Störung der elektrischen Übertragung verdreht werden können.
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Die Ferritübertrager der Trägerteile übernehmen die primäre beziehungsweise sekundurseitige Flussführung mit einer vorgegebenen magnetischen Flussdichte. Durch die bevorzugte Verwendung von Weichferriten ist eine besonders verlustarme Übertragung der elektrischen Energie möglich. Um die Ausbildung einer möglichst hohen Kopplung bei einfacher Ausbildung und sparsamen Verwendung der Ferritübertrager bei einfacher Ausbildung dieser zu erzielen, sind die Ferritübertrager eines, bevorzugt beider Trägerteile aus einer Vielzahl über den Umfang verteilt angeordneter, in die Trägerteile eingebrachter, in ihrer Längserstreckung parallel zum Luftspalt angeordneter Ferritkörper gebildet. Die Verwendung von diskret über den Umfang verteilt angeordneten Ferritkörpern ermöglicht die Ausbildung einer Energieübertragungsstrecke über die Trägerteile in einem rotierenden System mit geringem Aufwand an Ferritmaterial bei hoher Kopplung. Zudem können beispielsweise in Großserienfertigung hergestellte Standardteile aus Ferrit, beispielsweise Zylinder, Platten, Quader oder dergleichen eingesetzt werden, so dass eine Einzelherstellung der Ferritübertrager entfällt. Dies ermöglicht im Wesentlichen ohne weitere Bearbeitung der Ferritkörper und im Wesentlichen unabhängig von dem Durchmesser der Ferritübertrager eine einfache und kostengünstige Ausbildung eines Ferritübertragers. Hierdurch können kostengünstige und modular aufgebaute Energieübertragungssysteme vorgeschlagen werden. In bevorzugter Weise sind für die beiden Trägerteile zur Ausbildung der Ferritübertrager dieselben Ferritkörpertypen vorgesehen.
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Die Trägerteile sind in bevorzugter Weise aus Materialien mit vernachlässigbarer elektrischer Leitfähigkeit und vernachlässigbarer magnetischer Suszeptibilität, beispielsweise Kunststoff wie beispielsweise verstärkter Kunststoff, Keramik oder dergleichen ausgebildet. Die Ferritkörper werden in entsprechende Ausnehmungen der Trägerteile eingebracht und formschlüssig, reibschlüssig und/oder adhäsiv befestigt. Die Ausnehmungen können spanend hergestellt, beispielsweise gefräst sein. Bei in einem Spritzgießverfahren hergestellten Trägerteilen aus Kunststoff können die Ausnehmungen bevorzugt werkzeugfallend vorgesehen werden. In gleicher Weise können Ringnuten für die Wicklungen werkzeugfallend in den Trägerteilen vorgesehen sein.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Art und Menge der über den Umfang verteilt angeordneten Ferritkörper abhängig von den Anforderungen an die magnetische Koppelung zwischen den Ferritkörpern der Trägerteile, die Störabstrahlung des Energieübertragungssystems, die magnetische Flussdichte und/oder dergleichen abhängig zu machen. Hierzu kann die Spaltweite zwischen den einzelnen Ferritkörpern eines oder beider Ferritkörper variiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Energieübertragungssystems sind die Trägerteile axial zueinander angeordnet. Hierbei beabstandet der Luftspalt die Trägerteile axial und ist radial ausgebildet, so dass die Ferritkörper ebenfalls parallel zu diesem in ihrer Längserstreckung radial ausgerichtet sind. Die Trägerteile können dabei als Scheibenteile ausgebildet sein, die an ihren abgewandten Seiten die Ferritkörper tragen. Die aufeinander zuweisenden Seiten enthalten die Wicklungen. Die Ferritkörper sind ausgehend von der Drehachse bezüglich ihrer Längserstreckung bevorzugt strahlenförmig ausgerichtet. Andere, beispielsweise bezüglich ihrer Längserstreckung in Umfangsrichtung oder zwischen Umfangsrichtung und radiale Richtung ausgerichtete Ferritkörperanordnungen können ebenfalls vorteilhaft sein. Die von den Ferritkörpern abgedeckte Ferritkörperfläche übergreift dabei die Wicklungen in radiale Richtung in bevorzugter Weise radial innen und radial außen, so dass nach außen ausgestrahlte Störstrahlungen vermieden oder zumindest eingeschränkt werden. Durch die Verwendung von Ferritkörpern aus zylinder- oder quaderförmigen Standardteilen werden über den Radius von radial innen nach radial außen zunehmende Spalte zwischen den Ferritkörpern eingestellt. Der sich dadurch einstellende Kopplungseinfluss kann in der Regel vernachlässigt werden. Soll ein derartiger Einfluss vermieden werden, können die Ferritkörper trapezförmig ausgebildet werden. Die Ferritkörper werden bevorzugt in Ausnehmungen eingebracht, die auf der den Wicklungen abgewandten Seite eines Trägerteils vorgesehen sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Energieübertragungssystems ist ein Trägerteil ringförmig radial außerhalb des anderen Trägerteils angeordnet. Beispielsweise können zwei Ringteile, eine Welle-/Nabeverbindung oder dergleichen die Trägerteile bilden. Hierunter sind auch Anordnungen zu verstehen, bei denen ein Trägerteil einen ringförmigen axialen Ansatz aufweist, der radial außen das andere Trägerteil axial übergreift. In diesem Sinne sind von dem vorgeschlagenen Energieübertragungssystem alle gegeneinander verdrehbaren Anordnungen mit einem axial oder kegelförmig auf einem vorgegebenen Durchmesser ausgebildeten Luftspalt umfasst, bei denen die Wicklungen und die Ferritübertrager radial übereinander angeordnet sind. Hierbei sind die Ferritkörper bezüglich ihrer Längserstreckung axial in entsprechende Ausnehmungen des Trägerteils eingebracht. Beispielsweise können in den Trägerteilen Bohrungen für zylindrische Ferritkörper vorgesehen sein. Die Ferritkörper des radial äußeren Trägerteils sind dabei radial außerhalb der Wicklungen und die Ferritkörper des radial inneren Trägerteils sind radial innerhalb der Wicklungen dieses Trägerteils angeordnet.
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Es versteht sich, das die Trägerteile außerhalb der Ferritkörper in weitere, gegeneinander verdrehbare Bauteile einer Vorrichtung mit dem Energieübertragungssystem aufgenommen sein können, die den Luftspalt und die Drehlagerung geometrisch festlegen.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 das vorgeschlagene Energieübertragungssystem in schematischer Darstellung im Querschnitt,
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2 ein Trägerteil des vorgeschlagenen Energieübertragungssystems in Teilansicht,
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3 ein Detail der 2,
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4 eine dreidimensional dargestelltes, radial inneres Trägerteil
und
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5 ein dreidimensional dargestelltes, radial äußeres Trägerteil.
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Die 1 zeigt das vorgeschlagene kontaktlose Energieübertragungssystem 1 in schematischer Darstellung in Form eines Querschnitts durch die als Ringteile 4, 5 ausgebildeten radial übereinander angeordneten, um die radial innere Drehachse d angeordneten und relativ gegeneinander um diese verdrehbar angeordneten Trägerteile 2, 3. In bevorzugter Weise ist eines dieser Trägerteile 2, 3 drehfest als Stator und das andere Trägerteil 3, 2 zu diesem verdrehbar als Rotor ausgebildet. Die beiden Ringteile 4, 5 sind durch den Luftspalt 6 voneinander getrennt und enthalten jeweils zwei einander an dem Luftspalt 6 gegenüber liegende Wicklungen 7, 8 beispielsweise in Doppel-D-Anordnung. Die Wicklung 7, 8 des Stators ist dabei in nicht dargestellter Weise mit einer Wechselstromquelle, beispielsweise einer Leistungselektronik verbunden. Die andere Wicklung 8, 7 ist mit einem nicht dargestellten Stromverbraucher, beispielsweise Bilderfassungssystem von Computertomographen, Magnetresonanztomografen oder dergleichen, drehenden Manipulatoren oder dergleichen verbunden. Die Wicklungen 7, 8 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in ringförmige Ausnehmungen 9, 10 der Trägerteile 2, 3 eingelassen und gegebenenfalls in diesen vergossen. Die hier dargestellten Wicklungen 7, 8 dienen der induktiven Übertragung von elektrischer Energie. Zur Einstellung des Magnetflusses 11 sind an dem Trägerteil 2 radial außerhalb und an dem Trägerteil 3 radial innerhalb des Luftspalts 6 beziehungsweise der Wicklungen 7, 8 die Ferritübertrager 12, 13 vorgesehen.
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Die Ferritübertrager 12, 13 sind jeweils aus über den Umfang verteilt angeordneten Ferritkörpern 14, 15 gebildet, die bezüglich ihrer Längserstreckung parallel zu dem Luftspalt 6, also in der gezeigten Ausführungsform bezüglich der Drehachse d axial ausgerichtet sind. Durch die Vielzahl einzelner, aus Standardteilen gebildeter Ferritkörper 14, 15 können die Ferritübertrager 12, 13 flexibel, modular und ohne hohe Bearbeitungstiefe gegenüber umlaufenden, einteiligen Ferritübertragern kostengünstig vorgesehen werden. Desweiteren lässt sich mittels einer entsprechenden Beabstandung und Spaltbildung zwischen Ferritkörpern der Magnetfluss 11 in einfacher Weise steuern. Hierbei kann durch die axial übergreifende Bauform der Ferritkörper 14, 15 bezüglich der Wicklungen 7, 8 dennoch eine relevante Störabstrahlung vermieden werden. Die Ferritkörper 14, 15 können beispielsweise stabförmig, zylinderförmig, quaderförmig oder in ähnlicher Weise ausgebildet sein. In Spezialfällen, insbesondere bei schmalen Ringteilen 4, 5 mit großem Durchmesser kann die äußere und innere Fläche der Ferritkörper 14, 15 quadratisch ausgebildet sein.
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Die Trägerteile 2, 3 sind aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik ausgebildet. Die Ferritkörper 14, 15 sind in Taschen 16, 17 der Trägerteile 2, 3 eingebracht und in diesen beispielsweise form-, reib-, stoffschlüssig und/oder adhäsiv befestigt. Die Taschen 16, 17 und Ausnehmungen 9, 10 können spanend aus den Trägerteilen 2, 3 ausgenommen sein. Alternativ oder zusätzlich können die Trägerteile 2, 3 mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellt sein, wobei zumindest ein Teil der Taschen 16, 17 und/oder Ausnehmungen 9, 10 werkzeugfallend während des Spritzgießverfahrens hergestellt werden können.
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Die 2 zeigt ausschnittsweise ein als Ringteil 4a des Energieübertragungssystems 1 konstruktiv ausgebildetes radial äußeres Trägerteil 2a in 3D-Ansicht. Das Trägerteil 2a ist über den angedeuteten Umfang 18a angeordnet und enthält radial innen die Ausnehmungen 9a für die Wicklungen 7 (1) und axial über den Umfang verteilte – hier runde – Taschen 16a zur Aufnahme über den Umfang gleichmäßig angeordneter zylindrischer beziehungsweise stabförmiger Ferritkörper entsprechend den schematisch in 1 dargestellten Ferritkörpern 14.
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Die 3 zeigt ein Detail des in 2 dargestellten Ringteils 4a mit den ringförmigen Ausnehmungen 9a für die Wicklungen 7 (1) und den Taschen 16a zur Aufnahme der Ferritkörper. Dargestellt ist zudem der sich senkrecht zum Stromfluss über die Wicklungen 7 (1) einstellende Magnetfluss 11 zwischen den Ferritkörpern 14 (1).
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Die 4 und 5 zeigen jeweils die radial inneren und radial äußeren Trägerteile 2b, 3b des gegenüber dem Energieübertragungssystem 1 der Figur konstruktiv ausgearbeiteten Energieübertragungssystems 1b in 3D-Ansicht. Die 4 zeigt dabei das radial innere Ringteil 5b mit den radial außen angeordneten Ausnehmungen 10b für die Anordnung der noch nicht eingebrachten Wicklungen. In dem ausgesparten Bereich 19b werden die Wicklungen mittels Ableitungen beispielsweise Stanzgittern oder dergleichen abgeleitet oder direkt mit einer weiterverarbeitenden Platine verbunden. Radial innerhalb der Ausnehmungen 10b sind die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Taschen 17b vorgesehen, in die die hier quaderförmigen Ferritkörper 15b eingebracht sind.
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Die 5 zeigt das radial äußere Gegenstück zu dem Ringteil 5b der 4 in Form des als Ringteil 4b ausgebildeten, radial äußeren Trägerteils 2b in 3D-Ansicht. Entsprechend sind die Ausnehmungen 9b radial innen und die Taschen 16b zur Aufnahme der Ferritkörper 14b radial außen angeordnet.
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Die Taschen 16, 16a, 16b, 17, 17b der vorhergehenden Figuren weisen – wie in 5 beispielhaft dargestellt – bevorzugt gleiche Abstände a zwischen den einzelnen Taschen 16, 16a, 16b, 17, 17b und damit zwischen den Ferritkörpern 14, 14b, 15, 15b auf. Die Abstände a legen dabei die maximal verwendbare Anzahl an Ferritkörpern 14, 14b, 15, 15b fest und damit den maximalen Magnetfluss 11 sowie die Störstrahlung der Energieübertragungssysteme 1, 1b nach außen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieübertragungssystem
- 1b
- Energieübertragungssystem
- 2
- Trägerteil
- 2a
- Trägerteil
- 2b
- Trägerteil
- 3
- Trägerteil
- 3b
- Trägerteil
- 4
- Ringteil
- 4a
- Ringteil
- 4b
- Ringteil
- 5
- Ringteil
- 5b
- Ringteil
- 6
- Luftspalt
- 7
- Wicklung
- 8
- Wicklung
- 9
- Ausnehmung
- 9a
- Ausnehmung
- 9b
- Ausnehmung
- 10
- Ausnehmung
- 10b
- Ausnehmung
- 11
- Magnetfluss
- 12
- Ferritübertrager
- 13
- Ferritübertrager
- 14
- Ferritkörper
- 14b
- Ferritkörper
- 15
- Ferritkörper
- 15b
- Ferritkörper
- 16
- Tasche
- 16a
- Tasche
- 16b
- Tasche
- 17
- Tasche
- 17b
- Tasche
- 18a
- Umfang
- 19b
- Bereich
- a
- Abstand
- d
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057150 A1 [0003]
