EP2201584B2 - Koppeleinrichtung - Google Patents

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EP2201584B2
EP2201584B2 EP08801758.7A EP08801758A EP2201584B2 EP 2201584 B2 EP2201584 B2 EP 2201584B2 EP 08801758 A EP08801758 A EP 08801758A EP 2201584 B2 EP2201584 B2 EP 2201584B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupling
housing part
electrically conductive
capacitive
coupling device
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.)
Active
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EP08801758.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2201584A1 (de
EP2201584B1 (de
Inventor
Zhidong Hua
Olaf Simon
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.)
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Original Assignee
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39925021&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2201584(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by SEW Eurodrive GmbH and Co KG filed Critical SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Publication of EP2201584A1 publication Critical patent/EP2201584A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2201584B1 publication Critical patent/EP2201584B1/de
Publication of EP2201584B2 publication Critical patent/EP2201584B2/de
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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
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F2027/348—Preventing eddy currents
    • 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
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling

Definitions

  • the invention relates to a coupling device for a system for contactless energy and data transmission.
  • From the DE 199 32 504 A1 is a realization of a contactless energy and data transmission of two mutually rotatable parts, in which two or more coils are rotatably mounted, at least one of the coils being in one half, which has an L-shaped cross section.
  • the device discloses (column 4, lines 18-42, FIGS. 10-12) transmitters and receivers which can be driven to rotate concentrically with one another. Both parts contain both flat conductor loops, which act as coils for inductive coupling, and coupling capacitors in the form of metal foils. Both coupling devices are housed together within a shielding housing.
  • the invention is based on the object of developing a system with contactless energy and data transmission, the error rate of the transmission being reduced.
  • a first pair of coupling surfaces is formed on the first housing part and a second pair of coupling surfaces is formed on the second housing part, a contact surface of the first pair each forming a capacitive coupling element with a contact surface of the second pair.
  • the magnetic shield is preferably arranged between the inductive coupling element and the capacitive coupling elements.
  • the coupling surfaces are formed by metallic, ring-shaped bands, the surface of which is arranged radially to the axis of rotation.
  • the capacitive coupling elements are thus functional independently of the rotational position because the electrical coupling surfaces emulate the rotational symmetry of the coupling device.
  • the coupling surfaces of each pair are arranged on a common, imaginary cylinder. A compact size is thus provided.
  • the turns of the primary winding and the secondary winding each run around the axis of rotation.
  • the primary winding and the secondary winding are each connected to a plug which has a pull-out protection. So is one high current, for example of more than 10 A, can be transmitted, and the system has increased safety.
  • the inductive coupling element is arranged radially within the capacitive coupling elements.
  • the advantage here is that the inductive coupling element can be implemented with a small footprint and that the capacitive coupling can be implemented inexpensively.
  • each contact surface has a ring width of 1 cm to 3 cm, in particular 2 cm.
  • the coupling surfaces of each capacitive coupling device are preferably spaced apart by 0.5 cm to 2 cm, in particular 1 cm. Particularly favorable conditions for data transmission are thus achieved.
  • the coupling surfaces of the capacitive coupling devices each form an electrically conductive ring which is electrically severed at one point. Circulating eddy currents, which would be induced in the capacitor surfaces of the capacitive coupling elements by the inductive coupling element, are thus interrupted.
  • the coupling surfaces of the capacitive coupling devices are each connected to connecting means in the middle between the ends formed by the severing. Good data coupling is thus achieved.
  • the coupling surfaces of the capacitive coupling devices have gaps or incisions running transversely in the circumferential direction. Eddy currents which would be induced in the capacitor areas of the capacitive coupling elements by the inductive coupling element are thus further reduced.
  • the coupling surfaces are each fastened on an electrically insulating base. This enables undisturbed data transmission via the communication channel formed by the coupling surfaces.
  • Figure 1 shows a rotary transformer 1 according to the invention.
  • a first housing part 2 is connected to a second housing part 3 by a connecting ring 4.
  • the first housing part 2 and the second housing part 3 can be rotated relative to one another about the axis of the connecting ring 4.
  • connection box 5 is formed on each of the first housing part 2 and the second housing part 3.
  • a connector 6 for heavy current, that is to say for more than 10 A, and a BNC connector 8 for connecting a high-frequency line are formed on each connection box 5.
  • a foldable bracket on the plug 6 forms a pull-out protection 7 for the plug of the power line.
  • the first housing part 2 and the second housing part 3 are made of plastic.
  • Figure 2 shows an axial section through the rotary transformer Figure 1 .
  • the connecting ring 4 is connected to a hollow shaft 10 by screws 9. This forms a bearing in which the first housing part 2 and the second housing part 3 are rotatably arranged.
  • the plug 6 is connected by lines, not shown, to connections 22, which in turn are connected to the two ends of a primary winding 20.
  • the windings of the primary winding 20 run around the axis of rotation of the rotary transformer.
  • a magnetic field which passes through a secondary winding 21 running in a ring around the axis of rotation and induces a current in the secondary winding 21.
  • the secondary winding 21 is fixedly connected to the second housing part and connected to an in via connections and conductors, not shown Figure 2 not visible connector 6 connected.
  • Primary winding 20 and secondary winding 21 have a common axis.
  • the primary winding and secondary winding thus form an inductive coupling element, and energy can be transmitted inductively via the swivel joint.
  • An air gap 24 is set up between the primary winding 20 and the secondary winding 21, which enables the first and second housing parts to be rotated relative to one another.
  • Primary winding 20 and secondary winding 21 are each encompassed by cross-sectionally U-shaped, annular trough-shaped shields 23, the openings of which face one another.
  • the magnetic field generated by the primary winding and the secondary winding is enclosed and essentially does not come out of the ring area enclosed by the shields 23.
  • a ring insert 25 which is concentric with the axis of rotation, is formed on the first housing part 2, on the inside of which a pair of annular copper strips 26, 27 are attached.
  • the copper strips 26, 27 are electrically connected to the two connections of the BNC connection 8 in the connection box 5 of the first housing part 2.
  • a second concentrically extending ring insert 31 is formed on the second housing part 3, on the outside of which a further pair of ring-shaped copper strips 28, 29 is arranged.
  • the copper strips 28, 29 are electrically connected to the two connections of the BNC connection 8 in the connection box 5 of the second housing part 3.
  • the ring inserts 25, 31 are arranged concentrically one inside the other and thus allow an unrestricted rotary movement of the rotary connector.
  • the copper strips 26, 27, 28, 29 are aligned radially, that is to say the normal to the surface points in each case in the radial direction with respect to the axis of rotation.
  • the copper bands 26 and 28 are arranged opposite one another in the same axial position and thus form a capacitive coupling element in the form of a capacitor.
  • the copper strips 27 and 29 are arranged opposite one another in the same axial position and thus form a second capacitive coupling element in the form of a capacitor.
  • the two capacitive coupling elements operated in parallel enable RF signals to be transmitted from the BNC connector 8 of the first housing part 2 to the BNC connector 8 of the second housing part 3 in a contactless manner, regardless of the rotational position of the rotary transmitter.
  • the ring width of the copper strips 26, 27, 28, 29 used is 2 cm, the copper strips 26, 27, 28, 29 of each capacitive coupling element are 1 cm apart.
  • Figure 3 showed another embodiment of a rotary transmitter according to the invention.
  • a sectional view of one side of the rotary transmitter is shown.
  • the axis of rotation 31 is indicated by a chain line.
  • the representation of the bearings and the electrical connections has been suppressed to improve the clarity of the drawing.
  • An annular trough 33 made of ferromagnetic material is let into a first housing part 2.
  • the primary winding 32 is wound into this trough 33.
  • An annular carrier 35 engages with the secondary winding 34 in the space enclosed by the trough 33.
  • the primary winding 32 is thus arranged radially within the secondary winding 35.
  • the ring-shaped carrier 35 is fastened to the second housing part 3.
  • a cover 36 made of ferromagnetic material is worked into the second housing part 3 and closes the trough 33 in a ring shape.
  • the interior of the trough 33 which receives the primary winding 32 and the secondary winding 34, is magnetically sealed off from the outside area.
  • the first housing part 2 and the second housing part 3 are rotatably supported relative to one another about the axis of rotation 31.
  • a gap 37 is formed between the housing parts, which has an axially running, rotationally symmetrical region 38 and ends in a labyrinth seal 30.
  • a first pair of copper strips 26, 27 is embedded in the side walls of area 38 and, opposite the pair of copper strips 26, 27, a second pair of copper strips 28, 29.
  • the copper strips 26, 27, 28, 29 are fastened on an electrically non-conductive base and electrically isolated from each other and from the environment.
  • a first copper strip 26 of the first pair thus forms, together with a first copper strip 28 of the second pair, a capacitor and thus a first capacitive coupling element.
  • the second copper strip 27 of the first pair, together with the second copper strip 29 of the second pair forms a capacitor and thus a second capacitive coupling element.
  • Air is arranged between the two copper strips belonging to each capacitive coupling element.
  • the first capacitive coupling element and the second capacitive coupling element jointly form a transmission channel for data transmission.
  • the copper strips 26, 27, 28, 29 of the rotary transformer are designed in such a way that the lowest possible eddy currents are induced by the inductive coupling element.
  • FIG. 4a shows a first example of such a development, which is not included in the invention.
  • transverse strips 42 made of copper are arranged on a longitudinal strip 41 made of copper and electrically connected thereto, so that gaps 43 are formed between the transverse strips 42. These gaps reduce induced eddy currents in the copper strip 40.
  • the copper strip 40 is assembled at the ends 44 to form an annular copper band.
  • ends 44 become one but one Gap assembled so that no circular currents can flow along the longitudinal strip 41.
  • Figure 4b shows an exemplary embodiment according to the invention for a further development of the copper strips 26, 27, 28, 29.
  • cuts 45 are alternately made laterally in the longitudinal direction, so that overall a meandering conductor results.
  • the copper strip 40 is assembled at the ends 44 to form an annular copper band.
  • the ends 44 are put together except for a gap, so that no circular currents can flow along the copper strip 40.
  • Figure 5 shows the basic circuit diagram of a contactless energy and data transmission via a freely rotatable coupling.
  • a rotary transmitter 61 designed as a transmitter head comprises a primary side 56 and a secondary side 57 of a transformer, which are arranged such that they can be rotated relative to one another.
  • the transformer forms the inductive coupling element for contactless power transmission.
  • the primary side 56 is fed from a generator 54 with a constant alternating current with a current of 10 A or 60 A and a frequency of 25 kHz. Other frequencies between 10 kHz and 200 kHz can also be provided.
  • the rectifier comprises a resonant circuit whose resonant frequency is matched to the frequency of the alternating current fed in.
  • the rectifier 55 supplies a consumer 60, for example a converter or a motor or an electronic circuit.
  • the generator 54 also supplies a modem 50 and a transceiver 52.
  • the modem 50 receives data via a line (not shown) and passes this on to the transceiver 52 as signals.
  • the transceiver 52 amplifies the signals.
  • the rotary transformer 61 comprises a first capacitor 58 and a second capacitor 59.
  • the capacitors 58, 59 form the capacitive coupling elements of a transmission channel for data transmission.
  • the capacitors 58, 59 are each designed such that the two plates are movable relative to one another.
  • Signals can be transmitted from the transceiver 52 to the transceiver 53 and vice versa via the capacitors 58, 59 arranged in parallel. A return via a ground line is not necessary. This reduces the susceptibility to faults.
  • the transceiver 53 is fed from the alternating current transmitted via the inductive coupling element, in particular from the rectifier 55.
  • the signals come from the transceiver 53 to the modem 51, which is also supplied by the rectifier 55.
  • the modem 51 can send data to the transceiver 53 that is received in the modem 50.
  • a bidirectional data exchange is thus provided via a movable coupling device, an inductive coupling for energy being provided in parallel with the coupling for the data exchange, from which a consumer and the transceivers 52, 53 and / or the modems 50, 51 are supplied.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Koppeleinrichtung für eine Anlage zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung.
  • Aus der DE 199 32 504 A1 ist eine Realisierung einer kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zweier zueinander drehbarer Teile bekannt, bei dem zwei oder mehr Spulen drehbar gelagert sind, wobei mindestens eine der Spulen sich in einer Hälfte befindet, die einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
  • Aus der DE 4125143 ist eine Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselsignalen bekannt. Die Einrichtung offenbart (Spalte 4, Zeilen 18 - 42, Fig. 10 - 12) Sender und Empfänger, die konzentrisch zueinander rotierend antreibbar sind. Beide Teile beinhalten sowohl flache Leiterschleifen, welche als Spulen für die induktive Kopplung agieren als auch Koppelkondensatoren in Form von Metallfolien. Beide Koppelvorrichtungen sind gemeinsam innerhalb eines schirmenden Gehäuses untergebracht.
  • Aus der CA 2 071 681 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Vorrichtung zur Übertragung von Leistung und Energie in einem Fahrzeug bekannt.
  • Aus der DE 41 25 143 A1 ist eine Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselsignalen bekannt.
  • Aus der US 5 814 900 A1 ist eine Anordnung für eine kombinierte Übertragung von Energie und elektrischen Signalen bekannt.
  • Aus der US 4 674 814 ist eine Verbindungsanordnung bekannt.
  • Aus der JP 2002 198 238 A ist eine Daten- und Leistungsübertragung für eine rotierende Verbindung bekannt.
  • Aus der EP 1 241 058 A2 ist ein rotatorischer, nicht berührender Verbinder bekannt.
  • Aus der GB 2 381 075 A ist eine berührungslose Datenübertragung in einer rotierenden Maschine bekannt.
  • Aus der US 7 425 096 B2 ist ein Gantry für ein Röntgengerät bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit berührungsloser Energie- und Datenübertragung weiterzubilden, wobei die Fehlerrate der Übertragung verringert ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Koppeleinrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Koppeleinrichtung sind, dass ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil vorgesehen sind, die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind, wobei
    • eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement bilden, wobei
      die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist,
    • am ersten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist und am zweiten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist, die zusammen ein kapazitives Koppelelement bilden,
    dass das induktive Koppelelement von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist und dass die kapazitiven Koppelelemente außerhalb der magnetischen Abschirmung des induktiven Koppelelements angeordnet sind.
  • Somit ist die Induktion von Wirbelströmen durch die induktive Übertragung in die kapazitiven Koppelelemente weiter vermindert und sind Störquellen für die Datenübertragung vom Übertragungsbereich ferngehalten.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am ersten Gehäuseteil ein erstes Paar von Koppelflächen und am zweiten Gehäuseteile ein zweites Paar von Koppelflächen ausgebildet, wobei je eine Kontaktfläche des ersten Paars mit einer Kontaktfläche des zweiten Paars ein kapazitives Koppelelement bilden.
    Von Vorteil ist dabei, dass das Signal der Leistungsübertragung nicht auf das Signal der Datenübertragung übersprechen kann. Somit sind die Übertragungsfehler verringert. Von Vorteil ist weiter, dass mit dem induktiven Koppelelement große Stromstärken übertragbar sind und somit eine Leistungsversorgung möglich ist, während mit den kapazitiven Koppelelementen Datensignale mit kleiner Stromstärke verzerrungsarm übertragen werden.
  • Vorzugsweise ist die magnetische Abschirmung zwischen induktivem Koppelelement und kapazitiven Koppelelementen angeordnet.
  • Erfindungsgemäß werden die Koppelflächen durch metallische, ringförmige Bänder gebildet, deren Oberfläche jeweils radial zur Drehachse angeordnet ist. Somit sind die kapazitiven Koppelelemente unabhängig von der Drehposition funktionsfähig, weil die elektrischen Koppelflächen die Drehsymmetrie der Koppeleinrichtung nachbilden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jedes Paars auf einem gemeinsamen, gedachten Zylinder angeordnet. Somit ist eine kompakte Baugröße bereitgestellt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils um die Drehachse. Von Vorteil ist dabei, dass die Leistungsversorgung unabhängig von der Drehposition der Koppeleinrichtung bereitsteht.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit einem Stecker verbunden, der eine Auszugssicherung aufweist. Somit ist eine hohe Stromstärke, beispielsweise von mehr als 10 A, übertragbar, und die Anlage weist eine erhöhte Sicherheit auf.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das induktive Koppelelement radial innerhalb der kapazitiven Koppelelemente angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass das induktive Koppelelement mit geringem Platzbedarf ausführbar ist, und dass die kapazitive Kopplung preiswert realisierbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Kontaktfläche eine Ringbreite von 1 cm bis 3 cm auf, insbesondere 2 cm. Vorzugsweise sind die Koppelflächen jeder kapazitiven Koppeleinrichtung 0,5 cm bis 2 cm, insbesondere 1 cm, beabstandet. Somit sind besonders günstige Verhältnisse für die Datenübertragung erreicht.
  • Erfindungsgemäß bilden die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils eine elektrisch leitenden Ring, der an einer Stelle elektrisch durchtrennt ist. Somit sind umlaufende Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, unterbrochen.
  • Erfindungsgemäß sind die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils in der Mitte zwischen den durch die Durchtrennung gebildeten Enden mit Anschlussmitteln verbunden. Somit ist eine gute Dateneinkopplung erreicht.
  • Erfindungsgemäß weisen die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen in Umfangsrichtung quer verlaufende Lücken oder Einschnitte auf. Somit sind Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, weiter vermindert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jeweils auf einer elektrisch isolierenden Unterlage befestigt. Somit ist eine ungestörte Datenübertragung über den durch die Koppelflächen gebildeten Kommunikationskanal ermöglicht.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Ansprüche definieren den Gegenstand des Schutzbegehrens durch Angabe der technischen Merkmale der Erfindung.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
    Es zeigt
    • Figur 1 einen erfindungsgemäßen Drehübertrager,
    • Figur 2 eine Schnittansicht durch den Drehübertrager nach Figur 1,
    • Figur 3 eine Schnittansicht durch einen weiteren Drehübertrager,
    • Figur 4a eine Kupferband für ein Koppelelement eines Drehübertragers,
    • Figur 4b ein weiteres Kupferband für ein Koppelelement eines Drehübertragers und
    • Figur 5 das elektronische Prinzipschaltbild eines Drehübertragers.
  • Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehübertrager 1. Ein erstes Gehäuseteil 2 ist durch einen Verbindungsring 4 mit einem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden. Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind um die Achse des Verbindungsrings 4 gegeneinander drehbar.
  • Am ersten Gehäuseteil 2 und am zweiten Gehäuseteil 3 ist je ein Anschlusskasten 5 ausgebildet. An jedem Anschlusskasten 5 ist ein Stecker 6 für Starkstrom, also für mehr als 10A, ausgebildet und ein BNC-Stecker 8 für den Anschluss einer Hochfrequenzleitung.
  • Ein klappbarer Bügel am Stecker 6 bildet eine Auszugssicherung 7 für den Stecker der Starkstromleitung.
  • Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind aus Kunststoff gefertigt.
  • Figur 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den Drehübertrager nach Figur 1.
  • Der Verbindungsring 4 ist durch Schrauben 9 mit einer Hohlwelle 10 verbunden. Hierdurch ist ein Lager gebildet, in dem das erste Gehäuseteil 2 und das zweite Gehäuseteil 3 drehbar angeordnet sind.
  • Der Stecker 6 ist durch nicht gezeigte Leitungen mit Anschlüssen 22 verbunden, die ihrerseits mit den beiden Enden einer Primärwicklung 20 verbunden sind. Die Wicklungen der Primärwicklung 20 verlaufen um die Drehachse des Drehübertragers. Somit erzeugt ein Wechselstrom, der über den Stecker 6 in die Primärwicklung 20 eingeprägt wird, ein Magnetfeld, das eine ringförmig um die Drehachse verlaufende Sekundärwicklung 21 durchsetzt und in der Sekundärwicklung 21 einen Strom induziert. Die Sekundärwicklung 21 ist mit dem zweiten Gehäuseteil fest verbunden und über Anschlüsse und nicht gezeigte Leiter mit einem in Figur 2 nicht ersichtlichen Stecker 6 verbunden. Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 weisen eine gemeinsame Achse auf. Somit bilden Primärwicklung und Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement, und es ist Energie berührungslos induktiv über das Drehgelenk hinweg übertragbar. Zwischen Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 ist ein Luftspalt 24 eingerichtet, der die relative Verdrehbarkeit von erstem und zweiten Gehäuseteil ermöglicht.
  • Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 sind jeweils von im Querschnitt U-förmigen, ringförmig-trogförmigen Abschirmungen 23 umfasst, deren Öffnungen einander zugewandt sind. Somit ist das von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erzeugte magnetische Feld eingeschlossen und gelangt im Wesentlichen nicht aus dem von den Abschirmungen 23 umschlossenen Ringbereich heraus.
  • Außerhalb der Abschirmungen 23 ist am ersten Gehäuseteil 2 ein mit der Drehachse konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 25 ausgebildet, an dessen Innenseite ein Paar ringförmiger Kupferbänder 26, 27 angebracht ist. Die Kupferbänder 26, 27 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des ersten Gehäuseteils 2 elektrisch verbunden.
  • Zwischen dem Ringeinsatz 25 und den Abschirmungen 23 ist am zweiten Gehäuseteil 3 ein zweiter konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 31 ausgebildet, an dessen Außenseite ein weiteres Paar ringförmiger Kupferbänder 28, 29 angeordnet ist. Die Kupferbänder 28, 29 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des zweiten Gehäuseteils 3 elektrisch verbunden.
  • Die Ringeinsätze 25, 31 sind konzentrisch ineinander angeordnet und ermöglichen so eine uneingeschränkte Drehbewegung des Drehverbinders.
  • Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind radial ausgerichtet, das heißt, die Normale der Oberfläche zeigt jeweils in radiale Richtung in Bezug auf die Drehachse. Die Kupferbänder 26 und 28 sind auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators. Ebenso sind die Kupferbänder 27 und 29 auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein zweites kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators.
  • Durch die zwei parallel betriebenen kapazitiven Koppelelemente ist eine Übertragung von HF-Signalen vom BNC-Anschluss 8 des ersten Gehäuseteils 2 zum BNC-Anschluss 8 des zweiten Gehäuseteils 3 berührungslos unabhängig von der Drehposition des Drehübertragers ermöglicht.
  • Die Ringbreite der eingesetzten Kupferbänder 26, 27, 28, 29 beträgt 2 cm, die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 eines jeden kapazitiven Koppelelements sind 1 cm beabstandet.
  • Figur 3 zeigte ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehübertragers. Dargestellt ist eine Schnittansicht einer Seite des Drehübertragers. Die Drehachse 31 ist mit einer Strichpunktlinie angedeutet. Die Darstellung der Lager und der elektrischen Anschlüsse wurde zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Zeichnung unterdrückt.
  • In einem ersten Gehäuseteil 2 ist ein ringförmiger Trog 33 aus ferromagnetischem Material eingelassen. In diesen Trog 33 ist die Primärwicklung 32 aufgewickelt. In den von dem Trog 33 umschlossenen Raum greift ein ringförmiger Träger 35 mit der Sekundärwicklung 34 ein. Die Primärwicklung 32 ist so radial innerhalb der Sekundärwicklung 35 angeordnet.
  • Das ringförmige Träger 35 ist am zweiten Gehäuseteil 3 befestigt. In den zweiten Gehäuseteil 3 ist ein Deckel 36 aus ferromagnetischem Material eingearbeitet, der ringförmig den Trog 33 abschließt. Somit ist der Innenraum des Trogs 33, der die Primärwicklung 32 und die Sekundärwicklung 34 aufnimmt, magnetisch abgeschlossen gegen den Außenbereich.
  • Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind drehbar um die Drehachse 31 gegeneinander gelagert. Zwischen den Gehäuseteilen ist ein Spalt 37 ausgebildet, der einen axial verlaufenden, rotationssymmetrischen Bereich 38 aufweist und in eine LabyrinthDichtung 30 ausläuft.
  • In den Seitenwänden des Bereichs 38 ist ein erstes Paar von Kupferbändern 26, 27 eingelassen und gegenüber des Paars von Kupferbändern 26, 27 ein zweites Paar von Kupferbändern 28, 29. Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind auf einer elektrisch nichtleitenden Unterlage befestigt und gegeneinander und gegen die Umgebung elektrisch isoliert.
  • Ein erstes Kupferband 26 des ersten Paares bildet somit gemeinsam mit einem ersten Kupferband 28 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein erstes kapazitives Koppelelement. Ebenso bildet das zweites Kupferband 27 des ersten Paares gemeinsam mit dem zweiten Kupferband 29 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein zweites kapazitives Koppelelement. Somit ist eine Übertragung von Signalen über die kapazitiven Koppelelemente in jeder Drehposition des Drehübertragers und unabhängig von einer Drehbewegung durchführbar.
  • Zwischen den zwei zu jedem kapazitiven Koppelelement gehörenden Kupferbändern ist jeweils Luft angeordnet.
  • Erste kapazitives Koppelelement und zweites kapazitives Koppelelement bilden gemeinsam einen Übertragungskanal für die Datenübertragung.
  • In Weiterbildungen sind die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 der Drehübertrager derart gestaltet, dass möglichst geringe Wirbelströme vom induktiven Koppelelement induziert werden.
  • Figur 4a zeigt ein erstes Beispiel für eine solche Weiterbildung, das nicht von der Erfindung umfasst ist. Auf einem Längsstreifen 41 aus Kupfer sind zur Bildung eines Kupferstreifens 40 Querstreifen 42 aus Kupfer angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden, sodass zwischen den Querstreifen 42 Lücken 43 gebildet werden. Diese Lücken vermindern induzierte Wirbelströme im Kupferstreifen 40.
  • Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In einem alternativen Beispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Längsstreifens 41 fließen können.
  • Figur 4b zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine Weiterbildung der Kupferbänder 26, 27, 28, 29.
  • In einen Kupferstreifen 30 sind in Längsrichtung seitlich wechselseitig Einschnitte 45 eingebracht, sodass sich insgesamt ein mäanderförmig verlaufender Leiter ergibt. Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Kupferstreifens 40 fließen können.
  • Figur 5 zeigt das Prinzipschaltbild einer berührungslosen Energie- und Datenübertragung über eine frei drehbare Kopplung.
  • Ein als Übertragerkopf ausgebildeter Drehübertrager 61 umfasst eine Primärseite 56 und eine Sekundärseite 57 eins Transformators, die gegeneinander verdrehbar angeordnet sind. Der Transformator bildet das induktive Koppelement für eine berührungslose Leistungsübertragung.
  • Die Primärseite 56 wird aus einer Generator 54 mit einem konstanten Wechselstrom mit einer Stromstärke von 10 A oder 60 A und einer Frequenz von 25 kHz gespeist. Auch andere Frequenzen zwischen 10 kHz und 200 kHz sind vorsehbar.
  • Dieser Wechselstrom wird über den Transformator an einen Gleichrichter 55 weitergegeben. Zur Erhöhung der Kopplungsstärke umfasst der Gleichrichter einen Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz des eingespeisten Wechselstroms abgestimmt ist.
  • Der Gleichrichter 55 versorgt einen Verbraucher 60, beispielsweise einen Umrichter oder einen Motor oder eine elektronische Schaltung.
  • Der Generator 54 versorgt außerdem ein Modem 50 und einen Transceiver 52. Das Modem 50 erhält über eine nicht gezeigte Leitung Daten und gibt diese als Signale an den Transceiver 52 weiter. Der Transceiver 52 verstärkt die Signale.
  • Der Drehübertrager 61 umfasst einen ersten Kondensator 58 und einen zweiten Kondensator 59. Die Kondensatoren 58, 59 bilden die kapazitiven Koppelelemente eines Übertragungskanals für die Datenübertragung.
  • Die Kondensatoren 58, 59 sind so jeweils gestaltet, dass die beiden Platten gegeneinander beweglich sind.
  • Über die parallel angeordneten Kondensatoren 58, 59 sind Signale vom Transceiver 52 an den Transceiver 53 übertragbar und umgekehrt. Eine Rückführung über eine Masseleitung ist nicht nötig. Somit ist die Störanfälligkeit vermindert.
  • Der Transceiver 53 wird aus dem über das induktive Koppelelement übertragenen Wechselstrom, insbesondere aus dem Gleichrichter 55 gespeist. Vom Transceiver 53 gelangen die Signale zum Modem 51, das ebenfalls aus dem Gleichrichter 55 versorgt wird.
  • Das Modem 51 kann umgekehrt Daten an den Transceiver 53 versenden, die im Modem 50 empfangen werden.
  • So ist ein bidirektionaler Datenaustausch über eine bewegliche Koppeleinrichtung bereitgestellt, wobei parallel zur Koppelung für den Datenaustausch eine induktive Kopplung für Energie vorgesehen ist, aus der ein Verbraucher und die Transceiver 52, 53 und/oder die Modems 50, 51 versorgt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Drehübertrager
    • 2 Gehäuseteil
    • 3 Gehäuseteil
    • 4 Verbindungsring
    • 5 Anschlusskasten
    • 6 Stecker
    • 7 Auszugssicherung
    • 8 BNC-Anschluss
    • 9 Schraube
    • 10 Welle
    • 20 Primärwicklung
    • 21 Sekundärwicklung
    • 22 Anschluss
    • 23 Abschirmung
    • 24 Luftspalt
    • 25 Ringeinsatz
    • 26, 27, 28, 29 Kupferband
    • 30 Labyrinthdichtung
    • 31 Drehachse
    • 32 Primärwicklung
    • 33 Trog
    • 34 Sekundärwicklung
    • 35 Träger
    • 36 Deckel
    • 37 Spalt
    • 38 Bereich
    • 40 Kupferstreifen
    • 41 Längsstreifen
    • 42 Querstreifen
    • 43 Lücke
    • 44 Streifenende
    • 45 Einschnitt
    • 50, 51 Modem
    • 52, 53 Transceiver
    • 54 Generator
    • 55 AC/DC-Wandler
    • 56 Primärseite
    • 57 Sekundärseite
    • 58, 59 Kondensator
    • 60 Verbraucher
    • 61 Drehübertrager

Claims (11)

  1. Koppeleinrichtung
    mit einem ersten Gehäuseteil und einen zweiten Gehäuseteil,
    die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind, wobei
    - eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement bilden, wobei
    die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist,
    - dass am ersten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Fläche als erste Koppelfläche ausgebildet ist
    und am zweiten Gehäuseteile eine elektrisch leitfähige Fläche als zweite Koppelfläche ausgebildet ist,
    die zusammen ein kapazitives Koppelelement bilden,
    wobei das induktive Koppelelement von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist,
    wobei die kapazitiven Koppelelemente außerhalb der magnetischen Abschirmung des induktiven Koppelelements angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Koppelflächen der kapazitiven Koppelelemente jeweils als ein elektrisch leitender Ring ausgebildet sind, der an einer Stelle elektrisch durchtrennt ist,
    wobei die Koppelflächen der kapazitiven Koppelelemente jeweils in der Mitte zwischen den durch die Durchtrennung gebildeten Enden mit Anschlussmitteln verbunden sind,
    wobei die Koppelflächen von metallischen, ringförmigen Bändern gebildet werden, deren Oberfläche jeweils radial zur Drehachse angeordnet ist,
    wobei die Koppelflächen der kapazitiven Koppelelemente in Umfangsrichtung quer verlaufende derart wechselseitige Einschnitte aufweisen,
    sodass die jeweilige Koppelfläche als mäanderförmiger Kupferstreifen ausgebildet ist.
  2. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - am ersten Gehäuseteil elektrisch leitfähige Flächen ein erstes Paar von Koppelflächen bilden
    und am zweiten Gehäuseteile elektrisch leitfähige Flächen ein zweites Paar von Koppelflächen bilden,
    wobei je eine elektrisch leitfähige Fläche, insbesondere Koppelfläche, des ersten Paars mit einer elektrisch leitfähigen Fläche, insbesondere Koppelfläche, des zweiten Paars ein kapazitives Koppelelement bilden.
  3. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Gehäuseteile aus Kunststoff gefertigt sind oder
    zwischen den Gehäuseteilen und den jeweiligen elektrisch leitfähigen Flächen ein elektrisch isolierendes Material vorgesehen ist.
  4. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die magnetische Abschirmung zwischen induktivem Koppelelement und kapazitiven Koppelelementen angeordnet ist.
  5. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Koppelflächen jedes Paars auf einem gemeinsamen, gedachten Zylinder angeordnet sind.
  6. Koppeleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils um die Drehachse verlaufen.
  7. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit einem Stecker verbunden sind, der eine Auszugssicherung aufweist.
  8. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das induktive Koppelelement radial innerhalb der kapazitiven Koppelelemente angeordnet ist.
  9. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Kontaktfläche eine Ringbreite von 1 cm bis 3 cm aufweist, insbesondere 2 cm.
  10. Koppeleinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Koppelflächen jedes kapazitiven Koppelelementes 0,5 cm bis 2 cm, insbesondere 1 cm, beabstandet sind.
  11. Koppeleinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Koppelflächen jeweils auf einer elektrisch isolierenden Unterlage befestigt sind.
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