EP1665300B1 - Induktiver drehübertrager - Google Patents

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Publication number
EP1665300B1
EP1665300B1 EP04765457A EP04765457A EP1665300B1 EP 1665300 B1 EP1665300 B1 EP 1665300B1 EP 04765457 A EP04765457 A EP 04765457A EP 04765457 A EP04765457 A EP 04765457A EP 1665300 B1 EP1665300 B1 EP 1665300B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inductive
coil
rotating
transformer according
rotating transformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Revoked
Application number
EP04765457A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1665300A1 (de
Inventor
Jens Makuth
Jürgen SCHIMMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=34353019&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1665300(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1665300A1 publication Critical patent/EP1665300A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1665300B1 publication Critical patent/EP1665300B1/de
Revoked legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H01F17/062—Toroidal core with turns of coil around it
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • H01F2019/085—Transformer for galvanic isolation

Definitions

  • the invention relates to an inductive rotary transformer.
  • Data and energy transmission (telemetry) to moving machine parts is a central problem, above all in industry, in particular in and / or in distributed automation systems.
  • Production processes primarily in machine tools, robots, etc. take place on rotating or generally moving workpieces, or the tools rotate and / or move around the workpiece to be machined.
  • Data networks needed.
  • bus systems such as e.g. Fieldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, or FireWire, but also increasingly switchable high-performance data networks, so point-to-point connections, especially real-time Ethernet (RTE) or isochronous RTE (IRTE) used.
  • RTE real-time Ethernet
  • IRTE isochronous RTE
  • the cable drag solution prevents endless rotation and limits the production speed by the necessary reverse rotation, eg of the tools (otherwise shearing of the cables).
  • minimizing non-productive time in the system plays a crucial role in productivity.
  • a preferred solution to this secondary problem is the replacement of cable tractors by rotary joints.
  • Rotary joints are available in various designs. Applicable are touch-type transformers, e.g. mechanical slip rings, brushes or liquid mercury transformers but also non-contact transformers, such. optical, capacitive, inductive or based on radio transmission realized transformer.
  • touch-type transformers e.g. mechanical slip rings, brushes or liquid mercury transformers
  • non-contact transformers such. optical, capacitive, inductive or based on radio transmission realized transformer.
  • Capacitive transformers are expensive and are used e.g. used for military applications.
  • transmission techniques which inductively transmit or couple by means of a transformer from moving to stationary components, for example video heads.
  • this transmission technology can also be used for rotary joints.
  • Rotary transducers can be further subdivided into on-axis or off-axis systems.
  • on-axis systems the rotation axis of the rotary transformer is reserved as a data transmission path for transmitting the data.
  • this is the subject of the invention in an optical rotary transformer.
  • on-axis systems Disadvantage of on-axis systems is in particular the pre-assignment of the space, or about the rotation axis for data transmission, if this space is to be used instead of data transmission for feedthroughs, such as cables, pneumatics, hydraulics, etc. or needed.
  • From the EP 0 926 690 A1 is a transformer with a fixed part on which a primary winding is mounted, and a rotating part on which a secondary winding is mounted known.
  • the primary and secondary sides each have an iron core, the respective iron cores being separated by an air gap.
  • primary-side and secondary-side windings are also separated via a further air gap.
  • the fact that the air gap between the iron cores and the air gap between the windings can be selected independently, the transformer can be designed with a high magnetic coupling, without causing too high a magnetic resistance.
  • the magnetic coupling between primary and secondary side takes place in these transformers outside the axis of rotation of the rotary transformer.
  • US Pat. No. 5,412,266 A is a rotary transformer with a rotating part and a stationary part known. On the opposite sides of the rotating part and the stationary part are trenches in which are made of a composite material manufactured coils can be inserted. Between the coils of the rotating part and the fixed part, data transmission takes place by electromagnetic means.
  • Object of the present invention is to provide a rotary transformer for bidirectional data transmission, in which the data transmission takes place by means of inductive elements and outside the space of the rotational axis of the Drehübertragers, wherein the diameter or depth of the data transmitter should be as low as possible.
  • the two parts of the rotary transformer, the fixed and the rotating part, have a common, virtual axis of rotation, wherein the rotating part about this virtual axis of rotation rotates and the direction of rotation is arbitrary.
  • the rotary transformer preferably has a rotationally symmetrical to the virtual axis of rotation housing, which also includes the corresponding mechanism with housing, storage and seal.
  • the inductive rotary transformer has a housing which has a the virtual axis of rotation enclosing implementation.
  • the inductive rotary transformer has at the location of the axis of rotation or axis of rotation space for the realization of the implementation, since the data transmission takes place outside of this space.
  • a hollow cylindrical structure of the housing allows the spatial use about the axis of rotation for feedthroughs.
  • the space available within the bushing can be used, for example, for cables, pneumatics or hydraulics.
  • the inductive element is designed as a transformer with at least a first and a second coil, wherein the first coil is assigned to the fixed part and the second coil to the rotating part.
  • first coil is assigned to the fixed part and the second coil to the rotating part.
  • first coil is assigned to the fixed part and the second coil to the rotating part.
  • first coil can also be assigned to the rotating part and the second coil to the fixed part.
  • an inductive rotary transformer for example, a known technique, such as the video head technique, modified accordingly in a new application.
  • new production techniques are used for the production of subcomponents.
  • the rotary transformer can be realized with a very small installation depth by arranging the first coil coaxially around the second coil.
  • first and / or the second coil are designed as a toroidal coil.
  • Such an arrangement may also be referred to as a ring transformer with mutually movable windings.
  • a particularly compact construction of the inductive rotary transformer can be realized by using particularly flat coils for the inductive rotary transformer.
  • a very advantageous embodiment of the invention is in this sense characterized in that the first and / or the second coil are designed as a planar coil. Planar coils are particularly well suited for miniaturization of the inductive rotary transformer according to the invention.
  • the inductive element has means for field concentration.
  • Such agents may be, for example, ferrites, which are attached at suitable positions for guiding the magnetic flux.
  • strong field coupling between the primary and secondary windings is important.
  • a pot or Becherkern can be used to couple the first and the second coil of the transformer use.
  • various other embodiments for generating the largest possible coupling factor between primary and secondary side winding by means of field concentration conceivable.
  • the inductive rotary transformer according to the invention is provided for bidirectional data transmission and has an inductive element for each transmission direction.
  • only one inductive element can be used if a so-called hybrid circuit is used.
  • the smallest possible diameter of an inductive rotary transformer with two or more than two inductive elements is achieved when the inductive elements are arranged side by side with respect to the direction of the virtual axis of rotation.
  • an inductive rotary transformer can be realized with the smallest possible installation depth if the inductive elements are arranged coaxially interlaced.
  • the means for decoupling may be simple geometric arrangements, which are seconded between the inductive elements and there ensure a minimum distance of the inductive elements to each other
  • a particularly advantageous application results for the transformer according to the invention in that the transmitter is provided for the transmission of bus protocols, in particular Fast Ethernet protocols.
  • bus protocols such as Profibus and (Fast) Ethernet can be transmitted.
  • rotary converters for Fast Ethernet are in the focus, i. for a transmission rate of 100 Mbaud.
  • Other bus protocols, in particular other fieldbus protocols would also be transferable by modifying the input or output circuit.
  • Another advantage is the transparency in data transmission. Additional protocol layers are not necessary.
  • the field-coupled or passive rotary transformer according to the invention is designed as an integrated unit. Externally connected elements are the corresponding bus cables on both sides. A preferred embodiment allows the use of connectors.
  • the method for data transmission is then, with appropriate preparation in the fixed or in the rotating part of the optical rotary transformer, solved very easily and inexpensively.
  • all possible data buses for example Ethernet, in particular fieldbuses, for example Profibus, but also point-to-point connections, for example IRTE, can be connected, the corresponding data protocols transmitted and thus the inductive rotary transformer according to the invention integrated into any automation systems.
  • the invention can be used or used in particular in and in packaging machines, presses, plastic injection molding machines, textile machines, printing machines, machine tools, robots, handling systems, woodworking machines, glass processing machines, ceramic processing machines and hoists.
  • the rotary transformer 100 consists of a fixed part 101 and a rotating part 102. Both parts of the rotary transformer 100 have a common, imaginary, virtual axis of rotation 201, wherein the rotating part 102 rotates about this virtual axis of rotation 200, where the direction of rotation is arbitrary. Because of the rotation about the virtual axis of rotation 201, the housing of the rotary transformer 100 is preferably rotationally symmetrical, for example cylindrical, with respect to the axis of rotation 201.
  • the fixed part 101 is referred to in the mechanical sense as "stator” and the rotating part 102 as "rotor". It does not matter which part moves and which part of the rotary transformer 100 is fixed.
  • the rotary transformer 100 may be rigidly fixed mechanically, the other, second part must be rotatably mounted free of tension and must be "taken free of stress" can be. This can be achieved for example by a plastic or rubber coupling. Other Seals are also conceivable and possible. Depending on the design, any desired degree of sealing can be achieved. In addition, the maximum rotational speed depends inter alia on the quality of the storage.
  • Rotary transmitters are used in particular for data transmission, whereby corresponding cables 301, 302 lead into the two parts 101, 102 of the rotary transmitter 100, wherein, for example, a cable 302, as in FIG FIG. 1 shown, along with the rotating part 102 of the rotary transformer 100 rotates with.
  • a cable 302 as in FIG FIG. 1 shown
  • the cables are preferably by means of connectors, of which in the FIG. 1 only one plug 401 is visible, connected to the rotary transformer 100.
  • the shape of the plug is essentially arbitrary.
  • the two housing parts of the rotary transformer 100 can for example be made of steel, especially stainless steel, ceramic or plastic.
  • steel especially stainless steel, ceramic or plastic.
  • other materials such as aluminum alloys, brass, etc. are conceivable and usable.
  • the use of inexpensive materials for example ceramics or plastics, is preferred.
  • cost-effective production techniques for example injection molding technology, can be used.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of an inductive rotary transformer 100 according to the invention in axial design, which works with conventional coil technology, in particular conventional windings.
  • the field-coupled rotary transformer 100 according to the invention consists in principle of two tubes 101, 102 which can be rotated relative to one another.
  • the rotary transformer 100 has two inductive elements 500, 800 for data transmission, each element being assigned a channel.
  • An inductive element 500,800 consists of two coils 501,502 or coil parts with cup or pot cores 503, for example with a ferrite shell, which are separated by an air gap.
  • the inductive elements 500, 800 are located axially next to one another, which makes possible a construction with a small diameter 202. Between the inductive elements 500, 800 there is a "spacer" 600, which serves to separate the channels, and thus in particular to prevent the field coupling between the inductive elements 500, 800.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an inventive inductive Drehübertragers 100 in radial design, which operates with conventional coil technology. It consists in principle of two mutually rotatable tubes 101,102.
  • the rotary transformer 100 has two inductive elements 500, 800 for data transmission, each element 500, 800 being assigned a channel.
  • An inductive element 500,800 consists of two coils 501,502 or coil parts with cup or pot cores 503, for example with a ferrite shell, which are separated by an air gap.
  • the channels or the inductive elements 500,800 are radially adjacent to each other, whereby a construction with a small installation depth 203 is possible. There may again be a spacer between the channels, which improves the separation of the channels.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of an inductive rotary transformer according to the invention with planar coils 501,502.
  • These coils are in principle made like printed circuit boards, ie printed circuit boards on substrate 504, made with the processes of conventional LP production.
  • the properties of coils 502,503 are simple by mechanical parameters can be calculated or simulated.
  • the finished planar coil 502, 501 is then embedded only in cup or cup cores 503.
  • the planar coils 502, 501 are in turn physically separated from one another by an air gap.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a Planarspulentowns.
  • the properties of coils 501, 505 are largely determined by their geometry. For radially arranged coils with the same inductance, in principle the same coil areas are necessary with the same conductor cross section.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of an inductive rotary transformer according to the invention as an MID variant (molded interconnect device).
  • the MID variant offers the greatest potential in the direction of low-cost and miniaturization.
  • an inductive element 500, 800 having an inner coil body 702 and an outer coil body 701 is embodied, the outer coil body 701 concentrically enclosing the inner coil body 702.
  • coils 501 are embedded, the windings in the axial direction, d. h in the direction of the virtual axis of rotation, are arranged side by side.
  • coils 502 are embedded in the inner bobbin 702, whose windings in the axial direction, d. h in the direction of the virtual axis of rotation, are arranged side by side.
  • the coils 501 of the outer bobbin 701 may be considered as a primary winding of a transformer whose secondary side windings are represented by the coils 502 on the inner bobbin 702.
  • the primary and secondary sides of the inductive element 500 are separated by an air gap 704, within which a bearing is provided which allows a rotation of one of the bobbins 701, 702.
  • the rotary transformer is designed with two axially juxtaposed inductive elements 500.800, whereby two transmission channels can be realized.
  • the number of channels or inductive elements is of course scalable.
  • the production of Drehfaners is particularly cost.
  • the HF magnets 705 and the coils 502 are positioned and overmoulded with plastic.
  • Post-processing such as Etching (in terms of ablation) of auxiliary structures is possible.
  • the recordings for storage can be produced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen induktiven Drehübertrager.
  • Daten- und Energieübertragung (Telemetrie) zu bewegten Maschinenteilen ist vor allem in der Industrie, insbesondere bei und/oder in verteilten Automatisierungssystemen ein zentrales Problem. Produktionsprozesse, vorrangig beispielsweise bei Werkzeugmaschinen, Robotern, etc. finden an rotierenden oder allgemein bewegten Werkstücken statt, oder die Werkzeuge rotieren und/oder bewegen sich um das zu bearbeitende Werkstück herum. Zur Datenübertragung in solchen Systemen werden u.a. Datennetze benötigt. Dazu werden beispielsweise Bussysteme wie z.B. Feldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, oder auch FireWire, aber auch zunehmend schaltbare Hochleistungsdatennetze, also Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, insbesondere Realtime Ethernet (RTE) oder auch isochrones RTE (IRTE) eingesetzt.
  • Datenübertragung wird heute entweder mit konventionellen Kabelschlepps oder mechanischen Schleifringen realisiert. Es existieren jedoch auch kapazitive und optische Verfahren, die aber technische Einschränkungen oder Kostenprobleme mit sich bringen. Funk fällt bislang aufgrund der geringen Nettodatenraten und zusätzlicher Protokoll-Layer, aber auch wegen Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und aus Zuverlässigkeitsgründen ganz aus diesem Raster heraus.
  • Die Kabelschlepplösung verhindert eine Endlosdrehung und begrenzt die Produktionsgeschwindigkeit durch die notwendige Rückdrehung z.B. der Werkzeuge (sonst Abscherung der Kabel). Die Minimierung der Nebenzeiten im System spielt jedoch beispielsweise für die Produktivität eine entscheidende Rolle. Eine bevorzugte Lösung für dieses Nebenzeitproblem ist das Ersetzen der Kabelschlepps durch Drehübertrager.
  • Drehübertrager gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Einsetzbar sind berührungsbehaftete Übertrager, z.B. mechanische Schleifringe, Bürsten oder flüssigkeitsbehaftete Quecksilberübertrager aber auch berührungslose Übertrager, wie z.B. optische, kapazitive, induktive oder auf Basis von Funkübertragung realisierte Übertrager.
  • Bei Verwendung von konventionellen, mechanischen Schleifringen treten Probleme in Bezug auf Abnutzung, EMV und Zuverlässigkeit auf, u.a. auch deshalb, weil in unmittelbarer Nachbarschaft auch die Energie selbst übertragen wird.
  • Kapazitive Übertrager sind teuer und werden z.B. für militärische Anwendungen eingesetzt.
  • Für drahtgebundene Systeme (Busse oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen) gibt es bislang keine ideale Lösung. Eine kostengünstige Vorrichtung, die eine transparente (ohne zusätzliche Protokoll-Layer), bidirektionale und full duplex-Datenübertragung ermöglicht, und bei der prinzipiell verschiedene Busprotokolle eingesetzt werden können, existiert derzeit nicht.
  • Noch wesentlich größere Kosten verursacht ein Fiber-Luft-Fiber-Koppler, der in Form von FORJ's (Fiber Optic Rotary Joints) mit Fiberanschluss verfügbar wäre. Solche FORJs sind beispielsweise mit passiven optischen Elementen ausgestattet und müssen wegen entsprechend hoher Anforderungen auch mit aufwändiger Mechanik, insbesondere Lagertechnik, ausgestattet sein. Diese werden bislang nur in kleiner Stückzahl manuell gebaut und bestehen im wesentlichen aus Edelstählen. Neben den sehr hohen Kosten gibt es auch technische Einschränkungen, z.B. Übertragungsraten, Vibrationen, Drehgeschwindigkeit, Temperatur, etc.
  • Aus der Video-Technik sind Übertragungstechniken bekannt, die mittels Transformer induktiv von bewegten zu unbewegten Komponenten, beispielsweise Videokopf, übertragen bzw. koppeln.
  • In Variationen bzw. mit neuen Fertigungstechnologien kann diese Übertragungstechnik auch für Drehübertrager genutzt werden.
  • Drehübertrager können weiter führend in On-Axis- oder Off-Axis-Systeme unterteilt werden. Bei On-Axis-Systemen ist die Rotationsachse des Drehübertragers als Datenübertragungsstrecke zur Übertragung der Daten reserviert. Bei der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten deutschen Anmeldung DE 10230537.4 der Anmelderin ist dies Gegenstand der Erfindung bei einem optischen Drehübertrager.
  • Nachteil bei On-Axis-Systemen ist insbesondere die Vorbelegung des Raumes der, bzw. um die Rotationsachse zur Datenübertragung, wenn dieser Raum anstelle zur Datenübertragung für Durchführungen, beispielsweise Kabel, Pneumatik, Hydraulik, etc. benutzt werden soll oder benötigt wird.
  • Aus der EP 0 926 690 A1 ist ein Übertrager mit einem feststehenden Teil, auf dem eine Primärwicklung montiert ist, und einem rotierenden Teil, auf dem eine Sekundärwicklung montiert ist, bekannt. Primär- und Sekundärseite weisen jeweils einen Eisenkern auf, wobei die jeweiligen Eisenkerne über einen Luftspalt getrennt sind. Ferner sind auch primärseitige und sekundärtseitige Wicklungen über einen weiteren Luftspalt getrennt. Dadurch, dass der Luftspalt zwischen den Eisenkernen und der Luftspalt zwischen den Wicklungen unabhängig voneinander gewählt werden können, kann der Übertrager mit einer hohen magnetischen Kopplung ausgelegt werden, ohne einen allzu hohen magnetischen Widerstand zu bewirken. Die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite findet bei diesen Übertrager außerhalb der Drehachse des Drehübertragers statt.
  • Aus US 5 412 266 A ist ein Drehübertrager mit einem rotierenden Teil und einem stationären Teil bekannt. Auf den sich gegenüber liegenden Seiten des rotierenden Teils und des stationären Teils befinden sich Gräben, in die aus einem Verbundstoff gefertigte Spulen eingelegt werden können. Zwischen den Spulen des rotierenden Teils und des feststehenden Teils findet auf elektromagnetischem Wege eine Datenübertragung statt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehübertrager zur bidirektionalen Datenübertragung anzugeben, bei dem die Datenübertragung mittels induktiver Elemente und außerhalb des Raumes der Dreh- bzw. Rotationsachse des Drehübertragers stattfindet, wobei der Durchmesser oder die Einbautiefe des Datenübertragers möglichst gering sein soll.
  • Diese Aufgabe wird durch einen induktiven Drehübertrager gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die beiden Teile des Drehübertragers, der feststehende und der rotierende Teil, weisen eine gemeinsame, virtuelle Drehachse auf, wobei der rotierende Teil um diese virtuelle Drehachse rotiert und die Drehrichtung beliebig ist. Der Drehübertrager weist vorzugsweise ein zur virtuellen Drehachse rotationssymetrisches Gehäuse auf, das auch die entsprechende Mechanik mit Häusung, Lagerung sowie Dichtung umfasst.
  • Da die Datenübertragungsstrecke erfindungsgemäß außerhalb der Drehachse angeordnet ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der induktive Drehübertrager ein Gehäuse aufweist, welches eine die virtuelle Drehachse umschließende Durchführung aufweist. Der induktive Drehübertrager weist am Ort der Drehachse bzw. Rotationsachse Raum zur Realisierung der Durchführung auf, da die Datenübertragung außerhalb dieses Raumes erfolgt. Beispielsweise ermöglicht ein hohlzylinderförmiger Aufbau des Gehäuses die räumliche Nutzung um die Rotationsachse für Durchführungen. Der innerhalb der Durchführung zur Verfügung stehende Raum kann beispielsweise für Kabel, Pneumatik oder Hydraulik benutzt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers ist das induktive Element als Transformator mit zumindest einer ersten und einer zweiten Spule ausgeführt, wobei die erste Spule dem feststehenden Teil und die zweite Spule dem rotierenden Teil zugeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist z. B. die erste Spule als Primärwicklung des Transformators anzusehen und die zweite Spule als Sekundärwicklung des Transformators anzusehen. Selbstverständlich ist die Zuordnung von Primär- und Sekundärseite beliebig austauschbar. Die erste Spule kann auch dem rotierenden Teil zugeordnet werden und die zweite Spule dem feststehenden Teil.
  • Zur Realisierung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers wird beispielsweise eine an sich bekannte Technik, wie beispielsweise die Videokopftechnik, in einer neuen Applikation entsprechend modifiziert. Dazu werden neue Fertigungstechniken zur Herstellung von Teilkomponenten benutzt.
  • Um den erfindungsgemäßen Drehübertrager mit möglichst geringen Durchmesser zu realisieren, bietet es sich an, die erste und die zweite Spule in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse nebeneinander anzuordnen.
  • Hingegen lässt sich in einer vorteilhaften Ausführungsform der Drehübertrager mit sehr geringer Einbautiefe realisieren, indem die erste Spule koaxial um die zweite Spule angeordnet ist.
  • Insbesondere bei einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau des Gehäuses des Drehübertragers ist eine vorteilhafte Ausführung dadurch gegeben, dass die erste und/oder die zweite Spule als Ringspule ausgeführt sind. Eine derartige Anordnung kann auch als Ringtransformator mit zueinander beweglichen Wicklungen bezeichnet werden.
  • Eine besonders kompakte Bauweise des induktiven Drehübertragers lässt sich realisieren, indem besonders flache Spulen für den induktiven Drehübertrager eingesetzt werden. Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Sinne dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spule als Planarspule ausgeführt sind. Planarspulen eigenen sich besonders gut für eine Miniaturisierung des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers.
  • Unter Anwendung von replizierenden Techniken bzw. Verfahren wie beispielsweise Spritzgießen oder MID (molded interconnect device), die beispielsweise auch in der Mikrosystemtechnik benutzt werden, wird sowohl eine Miniaturisierung als auch zusätzlich eine kostengünstige Herstellung eines erfindungsgemäßen Drehübertragers erreicht. Insbesondere durch die Miniaturisierung des Drehübertragers ist ein Einsatz in weiteren potenziellen Anwendungsgebieten, z.B. Robotergelenke, bei denen Durchführungen beispielsweise zur Energieversorgung benötigt werden, denkbar und möglich.
  • Um den Streufluss des induktiven Elementes zu minimieren ist es zweckmäßig, dass das induktive Element Mittel zur Feldkonzentration aufweist. Derartige Mittel können beispielsweise Ferrite sein, die an geeigneten Positionen zur Führung des magnetischen Flusses angebracht werden. Für eine effiziente induktive Datenübertragung ist eine starke Feldkopplung zwischen primär- und sekundärseitiger Wicklung wichtig. Auch ein Topf- oder Becherkern kann zur Kopplung der ersten und der zweiten Spule des Transformators Verwendung finden. Selbstverständlich sind verschiedene andere Ausführungsformen zur Erzeugung eines möglichst großen Kopplungsfaktors zwischen primär- und sekundärseitiger Wicklung mittels Feldkonzentration denkbar.
  • Der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager ist zur bidirektionalen Datenübertragung vorgesehen und weist für jede Übertragungsrichtung ein induktives Element auf. Alternativ kann auch nur ein induktives Element verwendet werden, wenn eine so genannte Gabelschaltung eingesetzt wird.
  • Bei der Verwendung zweier induktiver Elemente kommen verschiedene geometrische Anordnungen der induktiven Elemente in Frage. Ein möglichst geringer Durchmesser eines induktiven Drehübertragers mit zwei oder auch mehr als zwei induktiven Elementen wird erzielt, wenn die induktiven Elemente in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse nebeneinander angeordnet sind.
  • Hingegen lässt sich ein induktiver Drehübertrager mit möglichst geringer Einbautiefe realisieren, wenn die induktiven Elemente koaxial ineinander verschachtelt angeordnet sind. Zur Trennung der Kanäle, denen die verschiedenen induktiven Elemente zugeordnet sind, ist es zweckmäßig, Mittel zur Feldkonzentration zu verwenden, um eine magnetische Kopplung durch Streufluss der induktiven Elemente untereinander weitgehend zu vermeiden.
  • Zur Trennung der Kanäle bei Verwendung mehrerer induktiver Elemente ist es darüber hinaus zweckmäßig, zwischen den induktiven Elementen Mittel zur Entkopplung magnetischer Felder anzuordnen. Bei den Mitteln zur Entkopplung der magnetischen Felder kann es sich um einfache geometrische Anordnungen handeln, die zwischen den induktiven Elementen abgeordnet sind und dort einen Mindestabstand der induktiven Elemente zueinander sichern
  • Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich für den erfindungsgemäßen Übertrager dadurch, dass der Übertrager zur Übertragung von Busprotokollen, insbesondere Fast Ethernet Protokollen, vorgesehen ist.
  • Ohne große prinzipielle Änderungen können verschiedene Busprotokolle, wie beispielsweise Profibus und (Fast) Ethernet übertragen werden. Dabei stehen insbesondere Drehübertrager für Fast Ethernet im Fokus d.h. für eine Übertragungsrate von 100 Mbaud. Andere Busprotokolle, insbesondere andere Feldbusprotokolle wären ebenfalls durch Modifikation der Ein- bzw. Ausgangsschaltung übertragbar.
  • Ein weiterer Vorteil ist die Transparenz bei der Datenübertragung. Zusätzliche Protokoll-Layer sind nicht notwendig.
  • Weiterhin können ohne große prinzipielle Änderungen verschiedene, insbesondere gleichstromarme Protokolle mit dem erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager übertragen werden. Selbst beispielsweise NRZ-kodierte Datenströme (NRZ = non return to zero), welche einen Gleichstromanteil haben, können für die passive Übertragung genutzt werden, wenn im Drehübertrager eine entsprechende Umkodierung zu einem RZ-Code (RZ = return to zero) vorgenommen wird.
  • Um eine möglichst günstige Herstellung des induktiven, bzw. feldgekoppelten Drehübertragers zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass dieser passiv arbeitet. Selbstverständlich ist aber auch eine aktive Variante, die ein- und/oder ausgangsseitig eine Signalformung realisiert, denkbar und möglich. Bei der Realisierung dieser Variante sind zusätzliche Verzögerungszeiten bzw. Jitter, die zur Signallaufzeit dazu kommen, zu berücksichtigen.
  • Als eine bevorzugte Ausführungsform wird der erfindungsgemäße feldgekoppelte, bzw. passive Drehübertrager als integrierte Einheit ausgeführt. Extern anzuschließende Elemente sind die entsprechenden Buskabel auf beiden Seiten. Eine bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht dabei den Einsatz von Steckverbindern. Das Verfahren zur Datenübertragung ist dann, bei entsprechender Vorbereitung im feststehenden bzw. im rotierenden Teil des optischen Drehübertragers, sehr einfach und kostengünstig gelöst. Damit können prinzipiell alle möglichen Datenbusse, beispielsweise Ethernet, insbesondere Feldbusse, beispielsweise Profibus, aber auch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, beispielsweise IRTE, angeschlossen, die entsprechenden Datenprotokolle übertragen und damit der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager in beliebige Automatisierungssysteme integriert werden.
  • Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus, dass die Erfindung insbesondere bei und in Verpackungsmaschinen, Pressen, Kunststoffspritzmaschinen, Textilmaschinen, Druckmaschinen, Werkzeugmaschinen, Roboter, Handlingsystemen, Holzbearbeitungsmaschinen, Glasverarbeitungsmaschinen, Keramikverarbeitungsmaschinen sowie Hebezeugen eingesetzt bzw. verwendet werden kann.
  • Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine Prinzipdarstellung eines Drehübertragers,
    FIG 2
    eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers in axialer Ausführung,
    FIG 3
    eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers in radialer Ausführung,
    FIG 4
    eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers mit Planarspulen,
    FIG 5
    eine Prinzipdarstellung eines Planarspulenaufbaus und
    FIG 6
    eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers als MID-Variante (molded interconnect device).
  • FIG 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Drehübertragers 100. Der Drehübertrager 100 besteht aus einem feststehenden Teil 101 und einem rotierenden Teil 102. Beide Teile des Drehübertragers 100 weisen eine gemeinsame, gedachte, virtuelle Drehachse 201 auf, wobei der rotierende Teil 102 um diese virtuelle Drehachse 200 rotiert, wobei die Drehrichtung beliebig ist. Das Gehäuse des Drehübertragers 100 ist wegen der Drehung um die virtuelle Drehachse 201 bevorzugterweise rotationssymmetrisch, beispielsweise zylinderförmig, zur Drehachse 201 ausgeführt. Der feststehende Teil 101 wird im mechanischen Sinn auch als "Stator" und der rotierende Teil 102 als "Rotor" bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, welcher Teil sich bewegt und welcher Teil des Drehübertragers 100 fixiert ist. Letztlich darf nur ein Teil des Drehübertragers 100 mechanisch starr befestigt sein, der andere, zweite Teil muss spannungsfrei drehbar gelagert sein und muss "spannungsfrei mitgenommen" werden können. Dies kann beispielsweise durch eine Kunststoff- oder Gummikupplung erreicht werden. Andere Dichtungen sind jedoch auch denkbar und möglich. Dabei sind je nach Ausführung beliebige Grade der Dichtung erreichbar. Darüber hinaus hängt die maximale Drehgeschwindigkeit u.a. von der Güte der Lagerung ab.
  • Drehübertrager werden insbesondere zur Datenübertragung verwendet, wobei entsprechende Kabel 301,302 in die beiden Teile 101,102 des Drehübertragers 100 führen, wobei beispielsweise ein Kabel 302 wie in der FIG 1 gezeigt, zusammen mit dem rotierenden Teil 102 des Drehübertragers 100 mit rotiert. Zur Datenübertragung sind prinzipiell alle Arten von geeigneten Kabeln möglich, beispielsweise Buskabel, Lichtwellenleiter, etc. Die Kabel werden bevorzugt mittels Stecker, von denen in der FIG 1 lediglich ein Stecker 401 sichtbar ist, mit dem Drehübertrager 100 verbunden. Selbstverständlich ist die Form der Stecker im Wesentlichen beliebig.
  • Die beiden Gehäuseteile des Drehübertragers 100 können beispielsweise aus Stahl, insbesondere Edelstahl, aus Keramik oder aus Kunststoff hergestellt werden. Jedoch sind auch andere Materialien, beispielsweise Aluminiumlegierungen, Messing, etc. denkbar und verwendbar. Um die Produktionskosten zu erniedrigen bzw. kostengünstige Produktionsverfahren, welche die Herstellungskosten weiter reduzieren, anwenden zu können, wird die Verwendung von preiswerten Materialien, beispielsweise Keramiken bzw. Kunststoffe bevorzugt. Dadurch, insbesondere bei der Verwendung von Kunststoffen, können entsprechend kostengünstige Fertigungstechniken, beispielsweise die Spritzgusstechnik, eingesetzt werden.
  • FIG 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 100 in axialer Ausführung, der mit konventioneller Spulentechnik, insbesondere konventionellen Wicklungen arbeitet. Der erfindungsgemäße, feldgekoppelte Drehübertrager 100 besteht prinzipiell aus zwei zueinander verdrehbaren Röhren 101,102.
  • Der Drehübertrager 100 weist zwei induktive Elemente 500,800 zur Datenübertragung auf, wobei jedem Element ein Kanal zugeordnet ist. Ein induktives Element 500,800 besteht aus zwei Spulen 501,502 bzw. Spulenteilen mit Becher- oder Topfkernen 503, beispielsweise mit einer Ferritschale, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
  • Die induktiven Elemente 500,800 liegen axial nebeneinander, wodurch ein Aufbau mit geringem Durchmesser 202 möglich wird. Zwischen den induktiven Elementen 500,800 befindet sich ein "Spacer" 600 der zur Trennung der Kanäle, und damit insbesondere zur Verhinderung der Feldkopplung zwischen den induktiven Elementen 500,800 dient.
  • FIG 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 100 in radialer Ausführung, der mit konventioneller Spulentechnik arbeitet. Er besteht prinzipiell aus zwei zueinander verdrehbaren Röhren 101,102.
  • Der Drehübertrager 100 weist zwei induktive Elemente 500,800 zur Datenübertragung auf, wobei jedem Element 500,800 ein Kanal zugeordnet ist. Ein induktives Element 500,800 besteht aus zwei Spulen 501,502 bzw. Spulenteilen mit Becher- oder Topfkernen 503, beispielsweise mit einer Ferritschale, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
  • Die Kanäle bzw. die induktiven Elemente 500,800 liegen radial nebeneinander, wodurch ein Aufbau mit geringer Einbautiefe 203 möglich wird. Zwischen den Kanälen kann sich wieder ein Spacer befinden, der die Trennung der Kanäle verbessert.
  • FIG 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers mit Planarspulen 501,502. Diese Spulen werden im Prinzip wie Leiterplatten hergestellt, d.h. Leiterbahnen auf Trägermaterial 504, hergestellt mit den Prozessen der konventionellen LP-Produktion. Die Eigenschaften der Spulen 502,503 sind durch mechnanische Parameter einfach berechen- bzw. simulierbar. Die fertige Planarspule 502,501 wird dann nur noch in Becher- oder Topfkerne 503 eingebettet. Die Planarspulen 502,501 sind wiederum durch einen Luftspalt physikalisch voneinander getrennt.
  • FIG 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Planarspulenaufbaus. Die Eigenschaften der Spulen 501,505 werden maßgeblich durch deren Geometrie bestimmt. Für radial angeordnetete Spulen mit gleicher Induktivität sind im Prinzip gleiche Spulenflächen bei gleichem Leiterquerschnitt notwendig.
  • FIG 6 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers als MID-Variante (molded interconnect device). Die MID-Variante bietet das größte Potential in Richtung low-cost und Miniaturisierung.
  • Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist jeweils ein induktive Element 500,800 mit einem inneren Spulenkörper 702 und einem äußeren Spulenkörper 701 ausgeführt, wobei der äußere Spulenkörper 701 den inneren Spulenkörper 702 konzentrisch umschließt. In den äußeren Spulenkörper 701 sind Spulen 501 eingebettet, deren Wicklungen in axialer Richtung, d. h in Richtung der virtuellen Drehachse, nebeneinander angeordnet sind. Analog sind in den inneren Spulenkörper 702 Spulen 502 eingebettet, deren Wicklungen in axialer Richtung, d. h in Richtung der virtuellen Drehachse, nebeneinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Wicklungen kann der induktive Drehübertrager mit besonders geringem Durchmesser 202 realisiert werden.
  • Die Spulen 501 des äußeren Spulenkörpers 701 können als Primärwicklung eines Transformators betrachtet werden, dessen sekundärseitige Wicklung durch die Spulen 502 auf dem inneren Spulenkörper 702 repräsentiert werden. Zur Feldkonzentration sind entsprechende Mittel 705, z. B HF Magnete, sowohl am inneren 702 als auch am äußeren Spulenkörper 701 vorgesehen.
  • Primär- und Sekundärseite des induktiven Elementes 500 sind durch einen Luftspalt 704 getrennt, innerhalb dessen auch eine Lagerung vorgesehen ist, die eine Rotation eines der Spulenkörper 701,702 ermöglicht.
  • Der Drehübertrager ist mit zwei axial nebeneinander angeordneten induktiven Elementen 500,800 ausgeführt, wodurch zwei Übertragungskanäle realisiert werden. Die Anzahl der Kanäle bzw. der induktiven Elemente ist selbstverständlich skalierbar.
  • Die Herstellung des Drehübertragers ist besonders kostengünstig. Die HF Magnete 705 und die Spulen 502 werden positioniert und mit Kunststoff umspritzt. Eine Nachbearbeitung wie z.B. Ätzen (im Sinne von Abtragen) von Hilfsstrukturen ist möglich. Gleichzeitig sind die Aufnahmen für die Lagerung herstellbar. Wenn der Prozess entwickelt ist, sind nur wenige Schritte zur Fertigung des gesamten Gebildes notwendig.

Claims (11)

  1. Induktiver Drehübertrager (100) zur Übertragung von Daten, mit einem feststehenden Teil (101) und einem rotierenden Teil (102), wobei der rotierende Teil (102) und der feststehende Teil (101) eine gemeinsame, virtuelle Drehachse (201) aufweisen, und wobei sich der rotierende Teil (102) um den feststehenden Teil (101) dreht, und wobei die Datenübertragung über wenigstens eine Datenübertragungsstrecke mittels wenigstens eines induktiven Elements (500,800) erfolgt, und wobei die Datenübertragungsstrecke außerhalb der Drehachse (201) des Drehübertragers (100) angeordnet ist, und wobei der Übertrager (100) zur bidirektionalen Datenübertragung vorgesehen ist und für jede Übertragungsrichtung ein induktives Element aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Elemente (500,800) in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse (201) nebeneinander angeordnet sind oder die induktiven Elemente (500,800) koaxial ineinander verschachtelt angeordnet sind.
  2. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Drehübertrager (100) ein Gehäuse aufweist, welches eine die virtuelle Drehachse (201) umschließende Durchführung aufweist.
  3. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (500,800) als Transformator mit zumindest einer ersten und einer zweiten Spule ausgeführt ist, wobei die erste Spule (501,502,503) dem feststehenden Teil und die zweite Spule dem rotierenden Teil zugeordnet ist.
  4. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spule (501,502,503) in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse nebeneinander angeordnet sind.
  5. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule koaxial um die zweite Spule (501,502,503) angeordnet ist.
  6. Induktiver Drehübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spule (501,502,503) als Ringspule ausgeführt sind.
  7. Induktiver Drehübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spule (501,502,503) als Planarspule ausgeführt sind.
  8. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (500,800) Mittel zur Feldkonzentration (705) aufweist.
  9. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den induktiven Elementen (500,800) Mittel zur Entkopplung magnetischer Felder angeordnet sind.
  10. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (100) zur Übertragung von Busprotokollen, insbesondere Fast Ethernet Protokollen, vorgesehen ist.
  11. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Drehübertrager (100) als integrierte Einheit ausgeführt ist.
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