EP1705673A1 - Induktiver Drehübertrager - Google Patents

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EP1705673A1
EP1705673A1 EP05006641A EP05006641A EP1705673A1 EP 1705673 A1 EP1705673 A1 EP 1705673A1 EP 05006641 A EP05006641 A EP 05006641A EP 05006641 A EP05006641 A EP 05006641A EP 1705673 A1 EP1705673 A1 EP 1705673A1
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EP
European Patent Office
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winding
energy
data
carrier
primary
Prior art date
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EP05006641A
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Rudolf Mecke
Christian Rathge
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Institut fuer Automation und Kommunikation eV
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Priority to CN2006800095950A priority patent/CN101147215B/zh
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Definitions

  • the invention relates to a device for non-contact energy and data transmission with two relatively rotatable carriers on which primary and secondary windings of a transformer are arranged.
  • Out DE 199 14 395 A1 is an inductive transmitter for transmitting measurement data and / or electrical energy between two mutually movable components, in particular between the steering shaft and the steering column of a vehicle, known with a primary and a secondary transmission part.
  • a device for non-contact power and data transmission with a rotatably mounted on a first carrier primary winding assembly and a second carrier rotatably mounted secondary winding assembly, wherein the first and second carrier are rotated against each other and wherein the primary and secondary winding assembly respectively at least have a Energywicklung for inductive transmission of electrical energy, wherein primary and secondary winding arrangement each have at least one data winding for inductive data transmission and at least one data winding of the data winding at least one energy binding the energy winding so encloses that a first part of the data winding is wound with the winding sense of the energy winding and a second part of the data winding is wound against the winding sense of the energy winding.
  • a compact size of the device for non-contact power and data transmission can be achieved that primary and secondary winding assembly are each designed as a flat coil.
  • the arrangement of the integration path 11 in relation to the energy conductor piece 10 further characterizes the arrangement of the data winding with respect to the energy winding in the embodiments of the device according to the invention shown in FIG. 1 and FIG. This shows that in the case of the winding arrangements illustrated in FIGS. 1 and 2, no voltage is induced by the energy winding in the data winding. This ensures that within the data winding no interference is to be expected by the energy winding.
  • FIG. 4 shows a second flat coil arrangement with two energy windings of an energy winding 3.
  • a data winding 4 with respect to the energy winding 3 becomes such wound, that in each case a conductor of a data winding of the data winding 4 with and a conductor of the data winding opposite to the winding sense of the energy winding 3 is arranged.
  • two turns of the energy winding 3 are between two conductors of the data winding.
  • the desired compensation effect of the magnetic field strength within the data winding 4 is achieved.
  • FIG. 5 shows a third flat coil arrangement with two energy windings of an energy winding 3.
  • the number of turns of a data winding 4, as in the case of the arrangement considered in FIG. 4, is one.
  • the data winding 4 is wound in such a way that only one energy bond of the energy winding 3 is arranged between a forward and a return conductor of a data winding of the data winding 4.
  • the desired compensation effect of the induced electric field strength, which is caused by the magnetic field strength generated by the energy winding 3, is achieved.
  • the illustrated flat coil arrangement has a first coil arrangement 8 comprising an energy winding 3 and a data winding 4 and a second coil arrangement 9, which likewise has an energy winding 3 and a data winding 4.
  • the first and second coil assembly 8, 9 is connected to each other only by a cable connection for the energy winding 3 and a cable connection for the data winding 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit einer auf einem ersten Träger (5) drehfest angeordneten Primärwicklungsanordnung (1) und einer auf einem zweiten Träger (6) drehfest angeordneten Sekundärwicklungsanordnung (2), wobei der erste und zweite Träger (5,6) gegeneinander verdrehbar sind und wobei die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Energiewicklung (3) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie aufweisen. Um eine möglichst geringe Störbeeinflussung der Datenübertragung durch die Energieübertragung zu erzielen, wird vorgeschlagen dass Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Datenwicklung (4) zur induktiven Datenübertragung aufweisen und dass mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung (4) mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung (3) derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit zwei relativ zueinander verdrehbaren Trägern, auf denen primär- und sekundärseitige Wicklungen eines Übertragers angeordnet sind.
  • Eine derartige Vorrichtung kommt beispielsweise zur Energie- und Datenübertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen zum Einsatz. Derartige Bauteilanordnungen finden sich insbesondere in Robotikanwendungen, bei denen teilweise Verdrehungswinkel zwischen Komponenten eines Roboters von 360 Grad und mehr gefordert sind und eine Daten- und oder Energieübertragung zwischen diesen Komponenten notwendig ist. Ein weiteres Beispiel für ein Anwendungsgebiet einer derartigen Vorrichtung ist die Energie- und Datenübertragung zwischen Lenkspindel und Lenksäule eines Kraftfahrzeugs.
  • Bei einer leitungsgebundenen Energie- bzw. Datenübertragung müssen die verwendeten Kabel im Bereich der Drehgelenke eine sehr hohe Flexibilität aufweisen um Verschleiß und Produktionsausfälle möglichst gering zu halten. Vorteilhaft ist daher eine induktive berührungslose Energie- und Datenübertragung zwischen relativ zueinander drehbar gelagerten Teilen.
  • Aus DE 199 14 395 A1 ist ein induktiver Übertrager zur Übertragung von Messdaten und/oder elektrischer Energie zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen, insbesondere zwischen der Lenkspindel und der Lenksäule eines Fahrzeugs, mit einem primären und einem sekundären Übertragungsteil bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine induktive berührungslose Energie- und Datenübertragung zwischen zwei gegeneinander drehbeweglichen Komponenten zu ermöglichen, wobei eine möglichst geringe Störbeeinflussung der Datenübertragung durch die Energieübertragung erzielt werden soll.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit einer auf einem ersten Träger drehfest angeordneten Primärwicklungsanordnung und einer auf einem zweiten Träger drehfest angeordneten Sekundärwicklungsanordnung, wobei der erste und zweite Träger gegeneinander verdrehbar sind und wobei die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung jeweils mindestens eine Energiewicklung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie aufweisen, wobei Primär- und Sekundärwicklungsanordnung jeweils mindestens eine Datenwicklung zur induktiven Datenübertragung aufweisen und mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Anordnung der Datenwicklung und Energiewicklung auf einen gemeinsamen Träger eine Störbeeinflussung der Datenwicklung durch die Energiewicklung nahezu eliminiert werden kann, wenn die Windungen der Datenwicklung die Energiewicklung umschließt. Bei einer derartigen Umschließung ist jedoch der Wicklungssinn der Energiewicklung zu beachten. Wird der erste Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt, so muss der zweite Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt werden. Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass eine von der Energiewicklung in den ersten Teil der Datenwindung induzierte Spannung durch einen zweiten Spannungsanteil, der von der Energiewindung in den zweiten Teil der Datenwindung induziert wird, kompensiert wird.
  • Da für Energie- und Datenübertragung jeweils ein eigener Übertrager verwendet wird, ist die Windungszahl für die induktive Datenübertragung unabhängig von der Windungszahl für die Energieübertragung wählbar. Somit können sowohl Energieals auch Datenübertragungssystem unabhängig voneinander optimiert werden.
  • Um einen möglichst großen Kompensationseffekt zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Datenwicklung derartig in Bezug auf die Energiewicklung anzuordnen, dass von der Energiewicklung erzeugte magnetische Feldstärkeanteile sich innerhalb einer von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche derart kompensieren, dass innerhalb der Fläche nahezu kein magnetischer Fluss resultiert. Der Kompensationseffekt lässt sich physikalisch dadurch erklären, dass die in einer Datenwindung induzierte Spannung proportional zur zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses innerhalb der Fläche ist, die diese Datenwindung aufspannt. Wenn nun innerhalb der Fläche durch den angestrebten Kompensationseffekt nahezu kein magnetischer Fluss resultiert, so kann auch innerhalb der Datenwindung, die die betreffende Fläche aufspannt, keine Spannung induziert werden und somit keine Störung eingekoppelt werden.
  • Die oben beschriebene Minimierung des magnetischen Flusses innerhalb der Fläche, die von der Datenwicklung aufgespannt wird, lässt sich insbesondere dadurch erzielen, dass die Energiewindung im wesentlichen mittig zwischen dem ersten Teil der Datenwindung angeordnet ist, der mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist und dem zweiten Teil der Datenwindung, der entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist. Hierdurch wird erreicht, dass etwa die Hälfte der von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche von einer magnetischen Feldstärke durchsetzt wird, die entgegengesetzt gerichtet zu der Feldstärke ist, die die andere Hälfte der eingeschlossenen Fläche durchsetzt. Somit kompensieren sich die Feldstärkeanteile der beiden Flächenhälften und es resultiert auf die Gesamtfläche gesehen nahezu kein magnetischer Fluss. Aufgrund des verschwindenden resultierenden magnetischen Flusses kann auch in der Datenwindung keine Spannung induziert werden und somit keine Störung von der Energiewicklung in die Datenwindung eingekoppelt werden.
  • Eine kompakte Baugröße der Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung kann dadurch erzielt werden, dass Primär- und Sekundärwicklungsanordnung jeweils als Flachspule ausgeführt sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Träger rotationssymmetrisch ausgeführt und gegeneinander axial versetzt angeordnet und weisen eine gemeinsame Rotationsachse auf. Bei einer solchen Ausführungsform sind der erste und zweite Träger über die gemeinsame Rotationsachse gegeneinander verdrehbar.
  • Insbesondere bei einer Ausführung der Primär- und Sekundärwicklungsanordnung in Form einer Flachspule ist zur Minimierung des Streuflusses vorteilhaft, den ersten und zweiten Träger als Ferritspiegel auszuführen. Ferrite eignen sich hervorragend als Kernmaterial für induktive Übertrager, da diese aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit auch bei hohen Frequenzen nur geringe Wirbelstromverluste verursachen.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung der Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung ist die Vorrichtung zur Montage in drehbeweglichen Anlagen, insbesondere für die Automatisierungstechnik vorgesehen, wobei der erste Träger mit einem feststehenden Teil der Anlage verbunden ist und der zweite Träger mit einem drehbeweglichen Teil der Anlage verbunden ist. Als Beispiel kann hier ein Roboter genannt werden, der einen drehbeweglichen Greifarm aufweist. Hierbei wird teilweise ein Drehwinkelbereich von 0 bis 360° oder noch mehr gefordert, über den der erste Träger gegenüber dem zweiten Träger verdrehbar sein muss. Z.B. bei einer Anwendung der Vorrichtung im Bereich der Robotik, bei der eine Energie- und Datenübertragung zwischen gegeneinander verdrehbaren Bauteilen realisiert werden soll, bietet es sich an, die Vorrichtung direkt auf eine entsprechende Gelenkwelle zu montieren. Bei einer solchen Ausführungsform ist es zweckmäßig, dass der erste und zweite Träger ringförmig ausgeführt sind. Durch die ringförmige Ausführung kann die Gelenkwelle direkt durch den ersten und zweiten Träger und somit durch die Vorrichtung hindurchgeführt werden.
  • Insbesondere dann, wenn die Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung bei einer bestehenden Anordnung gegeneinander verdrehbarer Bauteile nachgerüstet werden soll, ist es zweckmäßig, wenn der erste und zweite Träger jeweils in einen ersten und zweiten Teilträger teilbar sind, wobei der erste und zweite Teilträger insbesondere jeweils eine halbkreisförmige Aussparung aufweisen. Durch die Teilbarkeit der Vorrichtung kann der durch den ersten und zweiten Träger und die zugehörigen Primär- und Sekundärwicklungsanordnungen gebildeten Übertrager auf eine Gelenkwelle montiert werden, ohne hierzu diese Gelenkwelle auftrennen zu müssen. Hierdurch wird der Montage- und Kostenaufwand erheblich reduziert. Durch die halbkreisförmigen Aussparungen können die Teilsträger sehr leicht um eine Gelenkwelle herum angebracht werden.
  • Bei einem derartigen teilbaren Übertrager ist es besonders vorteilhaft, wenn die Energiewicklung und die Datenwicklung jeweils eine erste und eine zweite, insbesondere in Reihe geschaltete Spule aufweisen, wobei die erste Spule auf dem ersten Teilträger und die zweite Spule auf dem zweiten Teilträger angeordnet sind. Besonders vorteilhaft bei einer derartigen Wicklungsanordnung ist, dass auch bei einer großen Windungszahl in der ersten und zweiten Spule lediglich eine Kabelverbindung zwischen den beiden Spulen und somit zwischen den beiden Teilträgern für die Energiewicklung und eine für die Datenwicklung notwendig sind.
  • Insbesondere bei rotationssymmetrischen ringförmigen Übertragern kann die Teilbarkeit der Energie- und Datenübertragung dadurch erreicht werden, dass mindestens eine erste Windung der ersten Spule innerhalb des ersten Teilträgers und mindestens eine zweite Windung der zweiten Spule innerhalb des zweiten Teilträgers derart geschlossen sind, dass sie jeweils einen inneren Windungsteil mit einem Innenradius und einen äußeren Windungsteil mit einem Außenradius, der größer als der Innenradius ist, aufweisen. Dadurch ist die Windungszahl der Spulen eines Teilträgers frei wählbar und ein optimales Übertragungsverhalten einstellbar (separat für die Energie- und Datenübertragung). Für die Verbindung der Spulen auf den Teilträgern ist für die Energiewicklung und für die Datenwicklung jeweils nur eine Kabelverbindung nötig.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine Schnittdarstellung einer ersten Flachspulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung,
    FIG 2
    eine Draufsicht der ersten Flachspulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung,
    FIG 3
    ein Energieleiterstück und ein Integrationsweg für eine induzierte elektrische Feldstärke,
    FIG 4
    eine zweite Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen,
    FIG 5
    eine dritte Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen,
    FIG 6
    eine vierte Flachspulenanordnung mit zwei Datenwindungen und
    FIG 7
    eine teilbare Flachspulenanordnung.
  • FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Spulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung umfassend einen ersten Träger 5, auf dem eine Primärwicklungsanordnung drehfest angeordnet ist, und einen zweiten Träger 6, auf dem eine Sekundärwicklungsanordnung 2 drehfest angeordnet ist. Die dargestellte Flachspulenanordnung wird beispielsweise zur induktiven Energie- und Datenübertragung bei einem Roboter mit einem drehbaren Gelenk eingesetzt. Beispielsweise ist hierbei der erste Träger 5 mit einem feststehenden Teil des Roboters verbunden und der zweite Träger 6 mit einem drehbar gegenüber dem ersten Teil des Roboters gelagerten Teil verbunden. In einer solchen Anwendung werden der erste und zweite Träger 5,6 ringförmig ausgeführt und auf der Drehgelenkwelle des Roboters angebracht. Die Primärwicklungsanordnung 1 weist eine primärseitige Energiewicklung 3a auf, die beispielsweise von einem Stromrichter gespeist wird und ein Feld erzeugt, welches in eine sekundärseitige Energiewicklung 3b einkoppelt, die Bestandteil der Sekundärwicklungsanordnung 2 ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, Energie über das Drehgelenk des Roboters zu übertragen, ohne hierbei eine verschleißanfällige Kabelverbindung zu benötigen.
  • Neben der Energieübertragung leistet die dargestellte Flachspulenanordnung auch eine berührungslose induktive Datenübertragung zwischen den drehbar gelagerten Teilen des Roboters. Hierzu weisen Primärwicklungsanordnung 1 eine primärseitige Datenwicklung 4a und Sekundärwicklungsanordnung eine sekundärseitige Datenwicklung 4b auf, wobei ein von der primärseitigen Datenwicklung 4a erzeugtes magnetisches Feld in die sekundärseitige Datenwicklung 4b einkoppelt.
  • Der erste und zweite Träger 5,6 sowie die Primärwicklungsanordnung 1 und die Sekundärwicklungsanordnung 2 sind rotationssymmetrisch ausgeführt, axial versetzt und weisen eine gemeinsame Rotationsachse 7 auf. Eine derartige Ausführung ist insbesondere für eine Montage auf einer Drehgelenkwelle vorteilhaft. Der erste und zweite Träger 5,6 sind ferner ringförmig ausgeführt und weisen eine Einsparung im Bereich der Rotationsachse 7 auf. Die Einsparung dient zur Durchführung der Drehgelenkwelle des Roboters.
  • Die Wicklungsanordnungen zeigen, dass ein Leiter der primärseitigen Energiewicklung 3a zu beiden Seiten von einem Leiter der primärseitigen Datenwicklung 4a umgeben ist. Dies, wie auch die folgende Betrachtung gelten in analoger Weise für die Sekundärseite, da der prinzipielle Aufbau von Primär- und Sekundärwicklungsanordnung 1,2 gleich ist.
  • Jeder Leiter der primärseitigen Energiewicklung 3a ist im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Leitern der primärseitigen Datenwicklung 4a angeordnet. Insbesondere ist hierbei zu beachten, dass der Wicklungssinn der primärseitigen Datenwicklung 4a auf der einen Seite des Leiters der primärseitigen Energiewicklung 3a entgegengesetzt dem Wicklungssinn der primärseitigen Datenwicklung 4a auf der anderen Seite der primärseitigen Energiewicklung 3a orientiert ist. Bei einer stromdurchflossenen primärseitigen Energie- und Datenwicklung 3a,4a bedeutet dies, dass ein Leiter der primärseitigen Energiewicklung 3a linksseitig von einem Leiter der primärseitigen Datenwicklung 4a benachbart ist, dessen Strom in dieselbe Richtung fließt wie die des Energieleiters, wobei auf der anderen Seite des Energieleiters die Stromrichtung innerhalb des Datenleiters entgegengesetzt der Stromrichtung des Energieleiters ist. Hierdurch werden in den Datenleitern rechts und links des Energieleiters entgegengesetzt gerichtete Spannungen induziert die sich innerhalb einer Datenwindung aufheben. Diese Wicklungsanordnung wird auch anhand der FIG 2 noch einmal veranschaulicht.
  • FIG 2 zeigt eine Draufsicht der ersten Spulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung. Da sich die Wicklungskonzepte der Primär- und Sekundärwicklungsanordnung im Allgemeinen nicht unterscheiden werden, ist hier nur eine Seite des Übertrager dargestellt, die sowohl die primärseitige Wicklungsanordnung als auch die sekundärseitige Wicklungsanordnung darstellen kann. FIG 2 zeigt, dass eine Windung der Energiewicklung 3 zu beiden Seiten von einem Leiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 umgeben ist. Bei einer stromdurchflossenen Datenwindung ist die Stromrichtung innerhalb der die Energiewindung benachbarten Datenleiter jeweils entgegengesetzt. Durch diese Art der Wicklung wird ein Kompensationseffekt der induzierten Spannungen innerhalb der Datenwindung erreicht, der anhand der FIG 3 verdeutlicht werden soll.
  • FIG 3 zeigt ein Energieleiterstück 10 und einen Integrationsweg 11 für eine induzierte elektrische Feldstärke. Durch den Integrationsweg 11 wird eine rechteckige Fläche aufgespannt, bei der das Energieleiterstück 10 eine Symmetrieachse bildet.
  • Für das Energieleiterstück 10 ist eine Stromrichtung durch einen Pfeil gekennzeichnet. Eine solche Stromrichtung erzeugt eine magnetische Feldstärke, die rechts des Energieleiterstücks 10 in die Zeichenebene hineingerichtet ist und links des Energieleiterstücks 10 aus der Zeichenebene herausragt. Innerhalb der Fläche, die von dem Integrationsweg 11 aufgespannt wird, kompensieren sich somit die Feldstärkeanteile rechts des Energieleiterstücks 10 mit denen links des Energieleiterstücks 10, so dass innerhalb der durch den Integrationsweg 11 aufgespannten Fläche kein magnetischer Fluss resultiert. Daraus folgt, dass die induzierte Spannung innerhalb einer durch den Integrationsweg 11 gekennzeichneten Leiterschleife gerade Null ergibt. Die Anordnung des Integrationsweges 11 in Bezug auf das Energieleiterstück 10 kennzeichnet ferner gerade die Anordnung der Datenwicklung in Bezug auf die Energiewicklung bei den in FIG 1 und FIG 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dies zeigt, dass bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wicklungsanordnungen keine Spannung von der Energiewicklung in die Datenwicklung induziert wird. Hierdurch wird erreicht, dass innerhalb der Datenwicklung keine Störbeeinflussung durch die Energiewicklung zu erwarten ist.
  • Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Wicklungsanordnungen mit einer Flachspulenanordnung wurde jeweils die Windungszahl Eins sowohl für die Energiewicklung als auch für die Datenwicklung vorausgesetzt. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der Energiewicklung und der Datenwicklung möglich und von der Erfindung umfasst.
  • FIG 4 zeigt eine zweite Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen einer Energiewicklung 3. In diesem Fall wird eine Datenwicklung 4 in Bezug auf die Energiewicklung 3 derart gewickelt, dass jeweils ein Leiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 mit und ein Leiter der Datenwindung entgegen des Wicklungssinns der Energiewicklung 3 angeordnet ist. Auf diese Art und Weise liegen zwischen zwei Leitern der Datenwindung jeweils zwei Windungen der Energiewicklung 3. Auch bei der hier dargestellten Ausführungsform wird der gewünschte Kompensationseffekt der magnetischen Feldstärke innerhalb der Datenwicklung 4 erzielt.
  • FIG 5 zeigt eine dritte Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen einer Energiewicklung 3. Auch in diesem Fall beträgt die Windungszahl einer Datenwicklung 4, wie auch schon bei der in FIG 4 betrachteten Anordnung Eins. In diesem Fall ist die Datenwicklung 4 jedoch derart gewickelt, dass zwischen einem Hin- und einen Rückleiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 jeweils nur eine Energiewindung der Energiewicklung 3 angeordnet ist. Auch in diesem Fall wird der gewünschte Kompensationseffekt der induzierten elektrischen Feldstärke, die durch die von der Energiewicklung 3 erzeugte magnetische Feldstärke hervorgerufen wird, erzielt. Da sich jedoch bei einer derartig eng benachbarten Anordnung von Energieleitern entgegengesetzter Stromrichtung die durch die Energieleiter hervorgerufenen Teilmagnetfelder gegenseitig in horizontaler Richtung verdrängen, ist die Ausbreitung des Magnetfeldes in vertikaler Richtung (über den Luftspalt) relativ gering. Dadurch verringert sich die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite für die Energieübertragung.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, die Datenwicklung 4 mit zwei Windungen auszuführen. FIG 6 zeigt eine vierte Flachspulenanordnung mit zwei Datenwindungen einer Datenwicklung 4. In dem hier dargestellten Fall beträgt die Windungszahl einer Energiewicklung 3 Eins. Hierbei ist die dargestellte Windung der Energiewicklung 3 zu beiden Seiten von zwei Leitern der Datenwicklung 4 umgeben. Auch hier kompensieren sich wiederum die durch die Energiewicklung 3 induzierten Feldstärkeanteile innerhalb der Datenwindungen der Datenwicklung 4. Somit kann auch hier eine Störbeeinflussung der Datenwicklung 4 durch die Energiewicklung 3 weitgehend ausgeschlossen werden.
  • FIG 7 zeigt eine teilbare Flachspulenanordnung, die zur induktiven berührungslosen Energie- und Datenübertragung vorgesehen ist. Eine derartige Flachspulenanordnung wird beispielsweise auf einen teilbaren ringförmigen Träger angeordnet. Mit einem solchen Träger kann die dargestellte Flachspulenanordnung sehr leicht auf eine Drehgelenkwelle insbesondere eines Roboters montiert werden. Durch die Teilbarkeit der Flachspulenanordnung kann der Übertrager direkt auf die Gelenkwelle angebracht werden, ohne diese zuvor demontieren zu müssen. Die dargestellte Flachspulenanordnung weist eine erste Spulenanordnung 8 bestehend aus einer Energiewicklung 3 und einer Datenwicklung 4 auf sowie eine zweite Spulenanordnung 9, die ebenfalls eine Energiewicklung 3 und eine Datenwicklung 4 aufweist. Die erste und zweite Spulenanordnung 8,9 ist lediglich durch eine Kabelverbindung für die Energiewicklung 3 und eine Kabelverbindung für die Datenwicklung 4 miteinander verbunden. Auch bei einer weitaus höheren Wicklungszahl für die erste und zweite Spulenanordnung 8,9 wäre lediglich jeweils eine Verbindung für die Daten- und Energiewicklung 3,4 notwendig. Die teilbare Flachspulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Spulenanordnung 8 in Reihe zu der zweiten Spulenanordnung 9 geschaltet ist, wobei die Spulenanordnungen 8,9 wiederum derartig gewickelt sind, dass mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung 4 mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung 3 derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung 3 gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung 3 gewickelt ist.
  • Alle in den Figuren dargestellten Flachspulenanordnungen haben den Vorteil, dass für die Energiewicklung 3 und die Datenwicklung 4 separate Wicklungen zur Verfügung gestellt werden. Somit kann die Energiewicklung 3 für eine optimale induktive Energieübertragung zwischen der Primärwicklungsanordnung und der Sekundärwicklungsanordnung optimiert werden und die Datenwicklung 4 für eine optimale induktive Datenübertragung zwischen dem ersten und zweiten Träger bzw. zwischen der Primärwicklungsanordnung und der Sekundärwicklungsanordnung. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Datenwicklung 4 in Bezug auf die Energiewicklung 3 erreicht, dass das magnetische Feld der Energiewicklung 3 nahezu keine Spannung innerhalb der Datenwindungen der Datenwicklung 4 induziert und somit keine Störbeeinflussung auf die Datenübertragung ausübt.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit einer auf einem ersten Träger (5) drehfest angeordneten Primärwicklungsanordnung (1) und einer auf einem zweiten Träger (6) drehfest angeordneten Sekundärwicklungsanordnung (2), wobei der erste und zweite Träger (5,6) gegeneinander verdrehbar sind und wobei die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Energiewicklung (3) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Datenwicklung (4) zur induktiven Datenübertragung aufweisen und dass mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung (4) mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung (3) derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    wobei die Datenwicklung (4) derartig in Bezug auf die Energiewicklung (3) angeordnet ist, dass von der Energiewicklung (3) erzeugte magnetische Feldstärkeanteile sich innerhalb einer von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche derart kompensieren, dass innerhalb der Fläche nahezu kein magnetischer Fluss resultiert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Energiewindung im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten Teil der Datenwindung angeordnet ist, der mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist und dem zweiten Teil der Datenwindung, der entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils als Flachspule ausgeführt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der erste und zweite Träger (5,6) rotationssymmetrisch ausgeführt und gegeneinander axial versetzt angeordnet sind und eine gemeinsame Rotationsachse (7) aufweisen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der erste und zweite Träger (5,6) als Ferritspiegel ausgeführt sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Vorrichtung zur Montage in drehbeweglichen Anlagen insbesondere für die Automatisierungstechnik vorgesehen ist,
    wobei der erste Träger (5) mit einem feststehenden Teil der Anlage verbunden ist und der zweite Träger (6) mit einem drehbeweglichen Teil der Anlage verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der erste und zweite Träger (5,6) ringförmig ausgeführt sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der erste und zweite Träger (5,6) jeweils in einen ersten und einen zweiten Teilträger teilbar sind, wobei der erste und zweite Teilträger insbesondere jeweils eine halbkreisförmige Aussparung aufweisen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    wobei die Energiewicklung (3) und die Datenwicklung (4) jeweils eine erste und eine zweite insbesondere in Reihe geschaltete Spulen aufweisen, wobei die erste Spule auf dem ersten Teilträger und die zweite Spule auf dem zweiten Teilträger angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10,
    wobei mindestens eine erste Windung der ersten Spule innerhalb des ersten Teilträgers und mindestens eine zweite Windung der zweiten Spule innerhalb des zweiten Teilträgers derart geschlossen sind, dass sie jeweils einen inneren Windungsteil mit einem Innenradius und einen äußeren Windungsteil mit einem Außenradius, der größer als der Innenradius ist, aufweisen.
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