-
Die Erfindung betrifft einen drehbaren induktiven Koppler.
-
Für die Übertragung von elektrischer Energie auf drehende Teile ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schleifringe zu verwenden. Diese weisen einen geringen Preis, eine kompakte Bauform, ein geringes Gewicht und einen hohen Wirkungsgrad auf. Allerdings unterliegen sie einem hohen Verschleiß und einer signifikanten Vibrationsempfindlichkeit und weisen ferner zumeist eine Maximaldrehzahl auf, ab der die Schleifringe den Kontakt zueinander verlieren, so dass eine Energieübertragung nicht mehr möglich ist.
-
Als Alternative sind induktive Übertrager bekannt. Diese arbeiten nach dem transformatorischen Prinzip, so dass zwei Transformatorhälften mit einem rotationssymmetrischen Kern aufeinander gesetzt werden. Eine solche aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Hier sind ein erster Spulenkern 1 für die Primärspule 4 und ein zweiter Spulenkern 2 für die Sekundärspule 5 vorgesehen. Die beiden Spulen 4, 5 sind durch eine Vergussmasse 6 voneinander getrennt. Zwischen ihnen verläuft der Luftspalt 3. Die Spulenkörper 1 und 2 sind um die Mittelachse M relativ zueinander rotierbar.
-
Um Energie übertragen zu können, wird an die primärseitige Wicklung eine rechteck- oder sinusförmige Wechselspannung angelegt, die in der Sekundärspule eine Spannung induziert, die nach einer Gleichrichtung und Filterung weiter verarbeitet werden kann. Hierbei werden zumeist Frequenzen oberhalb von 1 kHz verwendet, um die Baugröße des Übertragers möglichst klein zu halten, da mit steigender Betriebsfrequenz für gleichen Blindstrom die Grundinduktivität und damit die Windungszahl sinken kann.
-
Ein drehbarer induktiver Koppler gemäß diesem Stand der Technik weist eine relativ hohe Streuinduktivität und damit eine relativ schlechte magnetische Kopplung auf. Dies führt zu einer geringen Übertragungsleistung. Ebenso muss der Transformatorkern beim Stand der Technik neben dem durch den Blindanteil erzeugten Fluss auch noch einen Teil des durch den Wirkstrom verursachten Flusses tragen, was größere Kerne erforderlich macht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen drehbaren induktiven Koppler mit einer höheren Übertragungsleistung bereitzustellen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Der erfindungsgemäße drehbare induktive Koppler weist eine Primärspule und eine Sekundärspule auf. Der Primärspule wird eine Wechselspannung zugeführt, die ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt, dass wiederum in der Sekundärspule eine weitere Wechselspannung induziert. Diese kann vorzugsweise nach einer Gleichrichtung und Filterung weiter verarbeitet werden.
-
Die Primärspule und die Sekundärspule sind relativ zueinander rotierbar. Sie sind zylinderförmig ausgebildet und überschneiden sich in axialer Richtung.
-
Die Primärspule weist eine erste Primärteilwicklung und eine zweite Primärteilwicklung auf, wobei die Sekundärspule in radialer Richtung zwischen der ersten Primärteilwicklung angeordnet ist. Alternativ kann dieser Aufbau umgekehrt werden, so dass die Sekundärspule eine erste Sekundärteilwicklung und eine zweite Sekundärteilwicklung aufweist und die Primärspule in radialer Richtung zwischen der ersten Sekundärteilwicklung und der zweiten Sekundärteilwicklung angeordnet ist.
-
Der Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule verläuft somit erfindungsgemäß nicht mehr in radialer Richtung (wie im Stand der Technik gemäß 1), sondern zumindest teilweise in axialer Richtung. Er wird in radialer Richtung vom Magnetfeld der Spulen durchflossen.
-
Der erfindungsgemäße drehbare induktive Koppler weist eine geringere Streuinduktivität und damit eine höhere Übertragungsleistung auf. Die Qualität der induktiven Kopplung kann somit verbessert werden.
-
Es ist bevorzugt, dass die Primärspule und die Sekundärspule rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die Primärspule und die Sekundärspule sind hierbei koaxial zueinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Mittelachse auf, um die zumindest eine der beiden Spulen rotierbar ist. Es ist bevorzugt, dass die Primärspule und die Sekundärspule jeweils durch einen rotationssymmetrischen Spulenhalter gehalten werden. Der Spulenhalter erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Transformatorkerns. Dieser kann allerdings aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Spulen deutlich kleiner ausfallen als beim Stand der Technik, da sich die Flüsse der Spulen aufheben, bevor sie in den Kern gelangen. Bei sehr hohen Schaltfrequenzen könnte man sogar auf den Kern verzichten. Insofern ist es bevorzugt, dass der Spulenhalter ein magnetisches oder magnetisierbares Material aufweist, um als Transformatorkern zu fungieren.
-
Weiterhin kann mindestens einer der Spulenhalter einen ringförmigen Hohlraum aufweisen, der in radialer Richtung nach innen und/oder nach außen von einer kreisförmigen Wand umgeben ist. In diesem Hohlraum sind die Primärspule und die Sekundärspule angeordnet, die sich in axialer Richtung überschneiden.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 einen drehbaren induktiven Koppler gemäß dem Stand der Technik
-
2 bis 5 eine erste bis vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen drehbaren induktiven Kopplers,
-
6 den Magnetfeldverlauf bei einem drehbaren induktiven Koppler gemäß dem Stand der Technik,
-
7 den Magnetfeldverlauf beim erfindungsgemäßen drehbaren induktiven Koppler,
-
8 eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen drehbaren induktiven Kopplers.
-
1 wurde bereit in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
-
Der drehbare induktive Koppler 10 gemäß 2 weist einen ersten Spulenhalter 18 auf, in dem ein ringförmiger Hohlraum 18a ausgebildet ist. Dieser Hohlraum ist in Richtung des zweiten Spulenhalters 20 offen. In diesem ringförmigen Hohlraum 18a ist die Primärspule 12 angeordnet. Diese weist eine erste Primärteilwicklung 12a und eine zweite Primärteilwicklung 12b auf. Diese beiden Primärteilwicklungen sind zylinderförmig ausgebildet und erstrecken sich in axialer Richtung a vom ersten Spulenhalter 18 weg in Richtung des zweiten Spulenhalters 20. Zwischen der ersten Primärteilwicklung 12a und der zweiten Primärteilwicklung 12b in radialer Richtung r ist die Sekundärspule 14 angeordnet, die in dieser Ausführungsform eine einzige Wicklung aufweist. Diese wird gehalten vom zweiten Spulenhalter 20. Dieser ist um die Mittelachse M relativ zum ersten Spulenhalter 18 rotierbar.
-
Zwischen der ersten Primärteilwicklung 12a und der Sekundärspule 14 sowie zwischen der Sekundärspule 14 und der zweiten Primärteilwicklung 12b ist jeweils ein in axialer Richtung verlaufender Luftspalt 16 angeordnet. Der Verlauf der Magnetfeldlinien ist in 7 dargestellt. Hier ist erkennbar, dass der Luftspalt 16 in radialer Richtung r von den Magnetfeldlinien durchflossen wird.
-
Die erste Primärteilwicklung 12a und die zweite Primärteilwicklung 12b können elektrisch in Serie geschaltet sein. Der erfindungsgemäße drehbare induktive Koppler kann bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung und insbesondere eine höhere Spitzenleistung übertragen, da die übertragbare Leistung nicht mehr von der Flußtragfähigkeit des Kernmaterials, sondern von der Strombelastbarkeit des Leiters abhängt. Dies ermöglicht im Gegensatz zu einem sättigenden Kern eine kurzzeitige Überlastung.
-
Es ist bevorzugt, dass die erste Primärteilwicklung 12a und die zweite Primärteilwicklung 12b dieselbe Windungszahl aufweisen.
-
Die Größe des Luftspalts 16 zwischen der Primärspule und der Sekundärspule wird derart gewählt, dass trotz Positionierungstoleranzen und Langerspiel der rotierenden Achsen eine Berührung der Wicklungen vermieden werden kann.
-
Zur besseren Montierbarkeit der Wicklungen kann die Wicklung vor der Montage in die Spulenhalter 18, 20 noch auf einen nicht näher dargestellten Spulenträger aufgebracht werden.
-
Der Hohlraum 18a des ersten Spulenhalters 18 wird in radialer Richtung außen durch eine Wand 22 begrenzt, während er in radialer Richtung innen durch eine Wand 24 begrenzt wird. Entsprechend wird der zweite Spulenhalter 20 in radialer Richtung nach außen durch eine äußere Wand 26 und in radialer Richtung nach innen durch eine innere Wand 28 begrenzt.
-
In der Ausführungsform gemäß 2 können die Primärspule 12 und die Sekundärspule 14 auch vertauscht werden, so dass die Sekundärspule 14 eine erste Sekundärteilwicklung 14a und eine zweite Sekundärteilwicklung 14b aufweist, zwischen denen die Primärspule 12 angeordnet ist.
-
3 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 2 durch den Aufbau der Spulenhalter 18, 20. Der erste Spulenhalter 18 weist im Querschnitt die Form eines auf dem Kopf stehenden T's auf, dessen Mittelteil durch eine Ausnehmung im zweiten Spulenhalter 20 hindurchgeführt ist. Zwischen dem ersten Spulenhalter 18 und dem zweiten Spulenhalter 20 ist ein Hohlraum 18a/20a ausgebildet, in dem die Primärspule 12 und die Sekundärspule 14 angeordnet sind.
-
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Spulenhalter 18, 20 ist in 4 dargestellt. Hier weist der zweite Spulenhalter 20 im Querschnitt eine Doppel-U-Form auf, wobei der erste Spulenhalter 18 ringförmig ausgebildet ist. Der Mittelteil des zweiten Spulenhalters 20 ist durch die zentrale Öffnung des ringförmigen ersten Spulenhalters 18 hindurchgeführt. Der zweite Spulenhalter 20 weist einen ringförmigen Hohlraum 20a auf, innerhalb dessen die erste Sekundärteilwicklung 14a und die zweite Sekundärteilwicklung 14b angeordnet sind. In axialer Richtung zwischen diesen ist die Sekundärwicklung 12 angeordnet, die sich in axialer Richtung nach oben vom ersten Spulenhalter 18 weg erstreckt.
-
In der Ausgestaltung gemäß 5 sind die erste Sekundärteilwicklung 14a und die zweite Sekundärteilwicklung 14b mit den Innenwänden des Hohlraums 20a des zweiten Spulenhalters 20 verklebt.
-
In allen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Verschaltung der beiden Hälften der Primarwicklung oder der Sekundärwicklung außerhalb des Spulenhalters stattfinden.
-
6 zeigt den Magnetfeldverlauf bei einem drehbaren induktiven Koppler gemäß dem Stand der Technik. Hierbei erzeugen sowohl Primär- als auch Sekundärwicklung jeweils ein magnetisches Feld, das dem anderen entgegen gerichtet ist, sich aber erst im Bereich des Luftspaltes aufhebt und dabei zu einem erheblichen Streufluss führt.
-
In 7 dagegen kann die lokale Aufhebung der Felder erkannt werden, welche durch den primären und den sekundären Wirkstrom erzeugt werden, bevor diese in den Kern gelangen. Dies verbessert den Streufluss und stromabhängige Sättigungseffekte deutlich. Das Feld im Spulenhalter wird im Wesentlichen nur noch vom Blindstrom erzeugt.
-
In 8 ist eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen drehbaren induktiven Kopplers 10 dargestellt. In der Mitte ist der zentrale Teil 28 des zweiten Spulenhalters 20 dargestellt. Um diesen herum ist die erste Sekundärteilwicklung 14a angeordnet. An diese schließt sich in radialer Richtung r nach außen ein Luftspalt 16 an, der von der Primärwicklung 12 gefolgt wird. Hiernach wiederum schließt sich die zweite Sekundärteilwicklung 14b an. Um diese herum ist die äußere Wand 26 des zweiten Spulenhalters 20 angeordnet.
-
Der erfindungsgemäße drehbare induktive Koppler kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nicht als normaler fest gekoppelter Transformator mit Stromfluss der Ausgangswicklung bei Stromfluss der Eingangswicklung ausgebildet sein, sondern als Sperrwandler-Transformator eingesetzt werden, da konstruktionsbedingt ohnehin ein gegebenenfalls beliebig kleiner Luftspalt im magnetischen Kreis enthalten ist, welcher auf diese Art zur Spannungskonvertierung mit regelbarer Ausgangsspannung eingesetzt werden kann. Dies wäre beim rein transformatorischen Betrieb ohne weitere Bauteile nicht möglich. Ebenso kann ein Gegentakt- oder Durchflusswandler mit sekundärseitiger Speicherdrossel realisiert werden. Die hierfür jeweils erforderliche Rückführung des Messsignals der Ausgangsspannung kann durch Ausnutzung eines bestehenden Datenkanals, welcher beispielsweise durch ein Mittelloch im Spulenhalter geführt wird, stattfinden oder aber als zusätzliches Datensignal in einem anderen Frequenzband als die Energieübertragung oder als Puls außerhalb der Schaltzeiten durch den Übertrager selbst übertragen werden.
