JP2023547780A - Machines with energy supply of rotating elements - Google Patents
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Abstract
要素、具体的には回転要素であって、運動の際、磁場において電気エネルギーを提供するように構成された、回転要素と一緒に運動または回転するインダクタンスと、提供される電気エネルギーによって動作可能である、回転要素と一緒に運動または回転する消費器と、を含む、要素。an element, specifically a rotating element, operable with an inductance moving or rotating with the rotating element, configured to provide electrical energy in a magnetic field when in motion; an element that includes a consumer that moves or rotates together with a rotating element;
Description
本開示の実施形態は、回転要素のような要素、具体的には所定のタイプのエネルギー供給手段を備えた(回転する)要素に言及する。さらなる実施形態はドリルチャックまたはドリルホルダに言及する。さらなる実施形態は、機械、具体的には回転要素を備えたボールまたはフライス盤に言及する。 Embodiments of the present disclosure refer to elements such as rotating elements, in particular (rotating) elements provided with a certain type of energy supply means. Further embodiments refer to drill chucks or drill holders. Further embodiments refer to machines, in particular ball or milling machines with rotating elements.
ドリルチャックは、古典的な回転要素であり、主に機械的機能のみを有する。ドリルのような工具を保持し、ボール盤の回転エネルギーで工具を駆動することが典型的な機能である。先行技術において、3つの異なるタイプのドリルチャックまたはドリル接続が使用されている。一変形例によれば、ドリルチャックは、回転する駆動側および回転する被駆動または出力側の両方で係合するための手段を有することができる。駆動側で、ドリルチャックはこのときボール盤の回転軸に結合される一方、たとえば、クイックリリース接続を使用して被駆動側でドリルをチャックすることができる。あるいは、工具またはドリルをドリルチャックに固定して接続し、ドリルチャック全体を工具とともに常に交換することも可能である。第3の変形例によれば、ドリルチャックをボール盤に固定して接続し、たとえば、クイックリリースドリルチャックとして実装されているドリルチャックがこのとき異なる工具を保持することも可能である。すべての変形例において、ドリルチャックは、回転シャフトと回転工具との間の所定のタイプのカップリングとして提供されている。自動化および監視に関して、センサ技術が提供されており、センサはいくつかの場合において回転部材にも装着されている。この電子システムは、たとえば、バッテリを使用して供給することができる。 Drill chuck is a classic rotating element, which mainly has only mechanical functions. A typical function is to hold a tool such as a drill and drive the tool with the rotational energy of the drilling machine. Three different types of drill chucks or drill connections are used in the prior art. According to one variant, the drill chuck can have means for engagement both on the rotating drive side and on the rotating driven or output side. On the drive side, the drill chuck is then coupled to the rotating shaft of the drilling machine, while on the driven side, for example, a quick release connection can be used to chuck the drill. Alternatively, it is also possible to connect the tool or the drill fixedly to the drill chuck and to constantly change the entire drill chuck together with the tool. According to a third variant, it is also possible to connect the drill chuck fixedly to the drilling machine, such that the drill chuck, for example implemented as a quick-release drill chuck, then holds different tools. In all variants, the drill chuck is provided as a certain type of coupling between a rotating shaft and a rotating tool. Regarding automation and monitoring, sensor technology is provided, and in some cases sensors are also attached to rotating members. This electronic system can be powered using a battery, for example.
本開示の目的は、電子システムを備えたドリルチャックのような回転要素を提供することである。 An object of the present disclosure is to provide a rotating element, such as a drill chuck, with an electronic system.
この目的は独立請求項の主題によって達成される。 This object is achieved by the subject matter of the independent claims.
本発明の実施形態は、要素、具体的には回転要素または回転可能要素を提供し、この要素は、(回転)要素と一緒に運動/回転するインダクタンスと、(回転)要素と一緒に運動/回転する消費器と、を有する。磁場内での回転運動のような運動の際、インダクタンスは、電気エネルギーを提供するように構成されている。消費器は、提供される電気エネルギーによって動作する。 Embodiments of the invention provide an element, in particular a rotating or rotatable element, which has an inductance that moves/rotates together with the (rotating) element and an inductance that moves/rotates together with the (rotating) element. and a rotating consumer. The inductance is configured to provide electrical energy during movement, such as rotational movement within a magnetic field. The consumer operates with the electrical energy provided.
実施形態によれば、消費器は電子システムを含むことができる。次に、実施形態によれば、電子システムは、(センサ)情報を出力するように構成されたアクチュエータ(超音波アクチュエータまたは制御要素のような)および/またはセンサ技術を含むことができる。たとえば、センサ情報は、力、振動、音響、機械的張力、温度、トルク、回転速度および/または加速度に関する情報とすることができる。 According to embodiments, the consumer can include an electronic system. According to embodiments, the electronic system may then include actuators (such as ultrasonic actuators or control elements) and/or sensor technology configured to output (sensor) information. For example, the sensor information can be information regarding force, vibration, acoustics, mechanical tension, temperature, torque, rotational speed and/or acceleration.
実施形態によれば、運動は、回転要素の回転によって引き起こされる回転運動に関するものである一方、回転可能要素の回転から切り離された周期的運動または(また)衝撃運動のような他の形態の運動も採用されることが留意されるべきである。 According to embodiments, the motion relates to a rotational motion caused by the rotation of the rotatable element, while other forms of motion such as periodic motion or (also) impulsive motion decoupled from the rotation of the rotatable element It should be noted that this is also adopted.
本発明の実施形態は、要素、具体的には要素内の消費器に電気を供給するための回転または回転可能要素において、(回転または回転可能)要素が磁場内で運動しているとき、一般にコイルまたはインダクタンスを使用して電気エネルギーを得ることができるという発見に基づいている。たとえば、ここで磁場が外部から印加され、すなわち磁場が回転要素の周囲に生成または提供され、磁場内での回転のような回転要素の運動の結果として電気が誘導されるようにすることが可能である。実施形態によれば、磁場を提供するための磁石をドリルチャックの領域でボール盤のケーシングに配置することが考えられる。実施形態において、回転要素と一緒に回転する消費器に回転インダクタンスを通して直接電気を供給することができるということが有利である。結果として、電気エネルギーを供給する、または非回転要素から回転要素に電気信号を送信するワイパによる配線作業がない。加えて、回転要素を交換する場合におけるインターフェースの問題が回避される。 Embodiments of the invention generally provide that in a rotating or rotatable element for supplying electricity to an element, in particular a consumer within the element, when the (rotating or rotatable) element is in motion in a magnetic field, It is based on the discovery that electrical energy can be obtained using a coil or inductance. For example, it is possible here that a magnetic field is applied externally, i.e. a magnetic field is generated or provided around a rotating element, such that electricity is induced as a result of the movement of the rotating element, such as rotation within the magnetic field. It is. According to an embodiment, it is conceivable to arrange a magnet for providing the magnetic field in the casing of the drilling machine in the region of the drill chuck. In an embodiment, it is advantageous that a consumer rotating together with the rotating element can be supplied with electricity directly through the rotating inductance. As a result, there is no wiring work by the wiper to supply electrical energy or to transmit electrical signals from non-rotating elements to rotating elements. In addition, interface problems when exchanging rotating elements are avoided.
実施形態によれば、回転要素は、インダクタンスに結合されてこれによって電気エネルギーを提供するエネルギー供給回路を有する。ここで、エネルギー供給回路は、整流器、および/またはバッファ、および/またはコンデンサ、および/またはアキュムレータを有することができる。エネルギー供給回路により有利には、運動速度(回転数)から比較的独立して消費器または電子システムに連続エネルギー信号を提供することが可能になる。加えて、停止の場合、バッファを有するエネルギー供給回路によって消費器の連続エネルギー供給を保証することができる。 According to an embodiment, the rotating element has an energy supply circuit coupled to the inductance and thereby providing electrical energy. Here, the energy supply circuit can have a rectifier and/or a buffer and/or a capacitor and/or an accumulator. The energy supply circuit advantageously makes it possible to provide a continuous energy signal to the consumer or electronic system relatively independently of the speed of movement (rotational speed). In addition, in the event of a stop, a continuous energy supply of the consumer can be guaranteed by the energy supply circuit with a buffer.
上述のように、実施形態によれば消費器は所定のタイプのセンサ技術またはアクチュエータ技術として構成することができる。ここで、回転計、加速度計、動力計、または振動計を統合することが可能である。実施形態によれば、インダクタンスはセンサ技術として機能する。誘導電気のような誘導信号は、回転速度または振動のような物理量を推定することが可能になるため、測定信号として使用される。加えて、穿孔作業中の切りくず形成を改善するために、超音波アクチュエータのようなアクチュエータを設けることができる。 As mentioned above, according to embodiments the consumer can be configured as a certain type of sensor technology or actuator technology. Here it is possible to integrate tachometers, accelerometers, dynamometers or vibrometers. According to embodiments, inductance functions as a sensor technology. Inductive signals, such as induced electricity, are used as measurement signals, since they allow physical quantities such as rotational speed or vibrations to be estimated. Additionally, actuators such as ultrasonic actuators can be provided to improve chip formation during drilling operations.
さらなる実施形態によれば、センサ技術は、取得した情報を外部に無線を介して送信することができる。同様に、アクチュエータも無線モデルによって制御することができる。外部情報通信に対する代替として、たとえば、回転要素に統合されたディスプレイを使用して情報を直接表示することも可能であろう。後者は、たとえば、色分けされたLED(色分けされたステータス情報)を通して構成することができる。たとえば、過負荷の場合における音声警告による所定のタイプの音響表示が可能であり得る。 According to further embodiments, the sensor technology may transmit the acquired information to the outside world via wireless. Similarly, actuators can also be controlled by wireless models. As an alternative to external information communication, it would also be possible to display the information directly, for example using a display integrated in the rotating element. The latter can be configured, for example, through color-coded LEDs (color-coded status information). For example, certain types of acoustic indications with audio warnings in case of overload may be possible.
消費器の機能を詳細に説明したので、エネルギーを得る機能、すなわちインダクタンスの実装を以降で取り扱う。 Having explained the function of the consumer in detail, the implementation of the energy harvesting function, i.e. the inductance, will be dealt with below.
実施形態によれば、インダクタンスは1つまたは複数のコイルによって形成することができる。ここで、各コイルは任意選択で、フェライトコアまたは別のコアを有して実装することができる。実施形態によれば、インダクタンスのために複数のコイルが存在し、回転要素の回転軸の周りに並進的に分配または均等に分配される。コイルはこのとき電気的に適切な方法で電気回路を介して互いに接続されて個々のエネルギー出力をまとめてこれら出力を消費器に集合的に利用可能にせねばならない。より高いエネルギー収量が達成されるため、複数のコイルの並進配置が有利である。実施形態によれば、提供される電気エネルギーはインダクタンスの数に依存する。さらなる一実施形態によれば、提供されるエネルギーは、インダクタンスの寸法に、そして磁場を生成する要素の寸法にも依存し得る。長手方向に見て、すなわち、長手軸に沿って、たとえば、インダクタンスは第1の半分に配置することができる一方、消費器は第2の半分に配置することができる。たとえば、第1の半分は、ボール盤のような出力を有する回転要素が接続される側とすることができる。この点において、実施形態によれば、第1の半分において回転要素は回転機械との機械的接続のための所定のタイプのカップリングを有する。実施形態によれば、第2の半分における回転要素は工具またはドリル用の工具ホルダを有することができる。 According to embodiments, the inductance can be formed by one or more coils. Here, each coil can optionally be implemented with a ferrite core or another core. According to an embodiment, a plurality of coils are present for the inductance, distributed translationally or evenly around the axis of rotation of the rotating element. The coils must then be electrically connected to one another via an electrical circuit in a suitable manner to combine the individual energy outputs and make these outputs collectively available to the consumer. A translational arrangement of multiple coils is advantageous because a higher energy yield is achieved. According to embodiments, the electrical energy provided depends on the number of inductances. According to a further embodiment, the energy provided may depend on the dimensions of the inductance and also on the dimensions of the element generating the magnetic field. Viewed longitudinally, ie along the longitudinal axis, for example, the inductance can be arranged in the first half, while the consumer can be arranged in the second half. For example, the first half can be the side to which a rotating element with an output, such as a drilling machine, is connected. In this respect, according to an embodiment, in the first half the rotating element has a predetermined type of coupling for mechanical connection with the rotating machine. According to an embodiment, the rotating element in the second half can have a tool holder for a tool or a drill.
好ましい一実施形態は、回転要素を備えたドリルチャックまたはドリルホルダに言及する。さらなる一実施形態は、回転要素および回転オフ駆動部を備えた回転機械、具体的にはボール盤に言及する。ここで、回転要素は回転オフ駆動部に結合されている。たとえば、実施形態によれば回転要素と回転オフ駆動部との間のカップリングは所定のタイプのクイックリリースによって構成することができる。これは、特に工具交換の際に回転要素を交換するときに有効である。このような装置は高度に自動化されたボールまたはフライス盤に頻繁に設けられ、リボルバヘッドを使用してさまざまなドリルヘッドを採用することができる。 A preferred embodiment refers to a drill chuck or drill holder with rotating elements. A further embodiment refers to a rotating machine, in particular a drilling machine, with a rotating element and a rotating off drive. Here, the rotating element is coupled to a rotation-off drive. For example, according to embodiments, the coupling between the rotary element and the rotary-off drive can be constituted by a quick release of a certain type. This is particularly effective when exchanging rotating elements during tool exchange. Such devices are frequently installed on highly automated ball or milling machines, and can employ a variety of drill heads using revolver heads.
磁場を生成する要素に関して、実施形態によれば、回転機械の回転要素のオフ駆動部の領域に、および/またはインダクタンスの領域に、1つまたは複数の磁石が設けられていることが留意されるべきである。これにより有利には、回転要素の回転の際、磁石を静止状態に保つことが可能になる。この点において、電気エネルギーの誘導を引き起こす回転要素の運動はこの実施形態において回転運動であろう。実施形態によれば、回転要素は回転軸に沿って回転方向に配置される。三日月形の配置も可能である。有利には、このような配置により、この領域への良好なアクセスを依然として提供することが可能になる。ボール盤上のこの配置は、ここで、たとえば、ホルダを続いて配置することによって改造も可能であるため、全体として有利である。実施形態によれば、磁石は、たとえば、ハルバッハ配列の形態で交互の極性で配置される。この配置により磁場を大きく変化させることが可能になり、大量の電気エネルギーを得ることができるようになる。 Regarding the element generating the magnetic field, it is noted that, according to the embodiments, one or more magnets are provided in the region of the off-drive of the rotating element of the rotating machine and/or in the region of the inductance. Should. This advantageously makes it possible to keep the magnet stationary during rotation of the rotating element. In this respect, the movement of the rotating element causing the induction of electrical energy will be a rotational movement in this embodiment. According to an embodiment, the rotating element is arranged rotationally along the axis of rotation. A crescent-shaped arrangement is also possible. Advantageously, such an arrangement still makes it possible to provide good access to this area. This arrangement on the drilling machine is advantageous overall, since here it is also possible to modify it, for example by subsequently arranging the holder. According to an embodiment, the magnets are arranged with alternating polarity, for example in the form of a Halbach array. This arrangement makes it possible to change the magnetic field significantly, making it possible to obtain large amounts of electrical energy.
上の実施形態において、要素が回転要素または回転可能要素であると想定されてきたとしても、ここで任意の種類の他の要素を採用することができるということが留意されるべきである。したがって、さらなる一実施形態は、要素であって、磁場内での運動の際、電気エネルギーを提供するように構成された要素と一緒に運動可能または回転可能なインダクタンス、ならびに供給された電気エネルギーによって動作可能である、要素と一緒に運動または回転する消費器を備えた、要素を提供する。 It should be noted that even though in the above embodiments the elements have been assumed to be rotating or rotatable elements, any kind of other elements can be employed here. A further embodiment therefore provides an inductance that is movable or rotatable together with the element, the element being configured to provide electrical energy upon movement within a magnetic field, as well as the An element is provided with a consumer that is operable and moves or rotates with the element.
さらなる構成が下位請求項において定義されている。添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Further features are defined in the subclaims. Embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
以降で添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する前に、同じ効果を有する要素および構造には同じ参照番号が付けられ、これらの説明が互いに適用可能および/または交換可能であるようになっていることが留意されるべきである。 Before describing embodiments of the invention below with reference to the accompanying drawings, it will be noted that elements and structures having the same effect are provided with the same reference numerals and that the descriptions thereof are applicable and/or interchangeable with each other. It should be noted that
図1は、回転要素10を示しており、回転要素10は、ここでは任意選択の出力要素、ここでは出力シャフト12によって駆動されるドリルチャックまたはドリルホルダの形態を有する。回転要素は、たとえば上半分に1つまたは複数のインダクタンス14aおよび/または14bを有する。インダクタンス14aおよび14bに加えて、回転要素は消費器16を有する。ここで回転要素は必ず回転しなければならないというわけではなく、通常は回転可能であるべきであることが留意されるべきである。
FIG. 1 shows a
実施形態によれば、回転要素は回転軸(参照番号10r参照)の周りで延在することができる。
According to embodiments, the rotational element can extend around a rotational axis (see
同様に、外部の、すなわち、回転要素に属さない磁石がここで回転軸の周りに配置され、磁場Mを提供する。ここで磁場Mが磁石18を通してどのように提供されるかは重要でないが、磁場Mは、好ましくはコイル14aおよび14bが運動することができる領域に存在することが留意されるべきである。
Similarly, an external magnet, ie not belonging to the rotating element, is now arranged around the axis of rotation and provides a magnetic field M. Although it is not important here how the magnetic field M is provided through the
完全を期すため、回転要素10は、たとえば、ドリル11によって示されるように、ドリルチャックとすることができるということが留意されるべきである。ドリル11は回転軸10r上で方向Rに回転する。方向Rにおける回転は運動を構成する一方、ここで運動は必ず回転でなければならないというわけではないことが留意されるべきである。回転軸10rの周りに並進的に配置することができるコイル14aおよび14bの運動Rにより、磁場M内でコイル14aおよび14bが運動するという結果になる。この結果、消費器16に誘導電気が提供される。この誘導電気は、得られるエネルギーEを構成する。
For the sake of completeness, it should be noted that the
したがって、回転要素10に埋め込まれた電子システムがエネルギー自給自足の方法で動作することができるように、回転運動に基づいて有利な方法でエネルギーが生成される。たとえば、電子システムは、続いてエネルギーが供給される、センサ技術、および/またはアクチュエータ技術、および/または無線通信手段のような通信デバイスとすることができる。したがって、消費器16に無線でエネルギーを供給することができ、電圧供給のためのワイパ接点を省くことができるようになる。
Energy is therefore advantageously generated on the basis of the rotational movement, so that the electronic system embedded in the
回転要素10が上の実施形態においてボールまたはフライス工具の一種として説明されてきたとしても、タービンまたは風車の形のような他の用途が考えられることが留意されるべきである。たとえば、回転要素10がタービンまたは風車のハブを構成すると想定すると、回転速度センサ技術またはアクチュエータ技術のような電子システムを、タービンホイールを調整するために設けることができる。同様に、ローラコンベヤのようなコンベヤベルトでの採用も可能である。ここで、回転要素はローラコンベヤの支持要素に埋め込まれ、コンベヤベルトを監視することまたはコンベヤベルトを駆動することがここで可能になっている。さらなる用途は、ベアリング、駆動ホイール、またはホイール全般における統合を含む。この実施形態において、外部磁場を設けることができるということが必須である。これは、たとえば、対応するベアリングブロックに磁石を取り付けることができるため、上記のタービン、風車、コンベヤ、またはベアリングにおいて可能である。同様に、駆動部またはホイールの場合、たとえば、ブレーキ装置またはサスペンションの可能性がある領域に磁石を設けることが考えられる。
It should be noted that even though the
さらなる一実施形態は、内部で感知または制御されるべきスリップクラッチなどのようなカップリングに言及する。カップリングは、2つの回転要素を互いに接続する、または一般的な回転エネルギーを伝達する機能を有し、これはここで図1の実施形態における場合でもある。ここで、回転要素が出力要素12からドリル11に伝達され、回転要素10はカップリングを構成する。
A further embodiment refers to a coupling such as a slip clutch or the like to be internally sensed or controlled. The coupling has the function of connecting two rotating elements to each other or transmitting general rotational energy, which is also the case here in the embodiment of FIG. 1. Here, a rotating element is transmitted from the
以降、図2aおよび図2bを参照してドリルチャックのさらなる一実施形態を説明する。 Hereinafter, a further embodiment of a drill chuck will be described with reference to FIGS. 2a and 2b.
図2aは、非ラッチ状態の回転要素10’を示す一方、回転要素10’は図2bにおいて対応してラッチされている。ラッチングとは、参照番号12’、12g’、および18が付けられた被駆動側を指す。 Figure 2a shows the rotating element 10' in an unlatched state, whereas the rotating element 10' is correspondingly latched in Figure 2b. Latching refers to the driven side labeled 12', 12g', and 18.
基本的に、出力要素は、2つの要素、具体的にはスピンドルに関連する静止部分12g’、および工具機械の回転部分を構成するスピンドル12’で構成されている。出力要素または出力シャフト12’は、所定のタイプのベアリング/ベアリングブロック/ハウジング12g’において、または、一般に、静止部分12g’において支持されている。磁石は静止部分12g’に接続されている。たとえば、これら磁石は回転軸10rの周りに回転対称または単に半円状に配置される。
Basically, the output element consists of two elements, in particular a stationary part 12g' associated with the spindle, and a spindle 12' which constitutes the rotating part of the tool machine. The output element or output shaft 12' is supported in a predetermined type of bearing/bearing block/housing 12g' or generally in a stationary portion 12g'. The magnet is connected to the stationary part 12g'. For example, these magnets are arranged rotationally symmetrically or simply semicircularly around the
回転要素10’は円筒形状を有し、回転要素10’は、円筒の第1の半分に実現された所定のタイプの係合部分10k1’を備え、係合部分10k1’によって回転要素10’が工作機械の回転スピンドル12’に接続されている(図2b参照)。工具11を結合するために第2の半分にさらなる係合部分10k2’があり得る。この実施形態において、第2の係合部分10k2’は、ドリルチャック10’に挿入された工具11上へ回転軸10r’に対して垂直に力を加えるねじまたはグラブねじを通して実現され、これによって工具11を固定している。
The rotating element 10' has a cylindrical shape, and the rotating element 10' comprises an engagement portion 10k1' of a predetermined type realized in the first half of the cylinder, by means of which the rotating element 10' It is connected to the rotating spindle 12' of the machine tool (see Figure 2b). There may be a further engagement portion 10k2' in the second half for coupling the
電子的に言えば、回転要素10’は、エネルギーを得るための少なくとも1つまたは複数のインダクタンス14を含む。これらインダクタンス14は、回転要素10’がスピンドル12’に結合されているとき、軸に関して、同じ高さに、または磁石18(図2b参照)の領域に配置されるように、第1の半分(カップリング10k1’参照)に配置される。加えて、回転要素10’はエネルギー消費器も有する。ここで、エネルギー消費器は3つの要素を含む一方、さらなる実施形態による他の構成も採用することができる。3つの要素は、アンテナおよび無線モジュール16f’、制御電子機器およびデータレンダリング16p’(一般的にプロセッサ)、ならびにセンサ技術16s’である。この実施形態において、センサ技術は、カップリング10k2’の領域に配置され、工具11を監視するように機能する。たとえば、伝達トルク、振動、温度などを監視することができる。センサ16s’を通して取得されたデータは続いてプロセッサ16p’によってレンダリングされ、統合アンテナも有する無線モジュール16’を通して無線を介して外部に送信される。すべての3つの要素16f’、16p’、および16s’の電力供給はインダクタンス14によって実行される。ここで、インダクタンス14は、たとえば、整流、中間貯蔵、またはバッファリングを通して、電気エネルギーの処理を提供してインダクタンスの個々の収量の加算を実行する電気供給要素(電子システムの一部)に接続することもできるということが留意されるべきである。磁石18を通して提供される磁場M内でインダクタンス14の運動rがない場合、バッファリングは重要な役割を果たす。したがって、構成要素16t’、16p’、および16s’に、エネルギーを得た直後であってもエネルギーを供給することができる。
Electronically speaking, the rotating element 10' includes at least one or more inductances 14 for harvesting energy. These inductances 14 are arranged in the first half ( (see coupling 10k1'). In addition, the rotating element 10' also has an energy consumer. While here the energy consumer includes three elements, other configurations according to further embodiments can also be adopted. The three elements are the antenna and radio module 16f', the control electronics and data rendering 16p' (typically a processor), and the sensor technology 16s'. In this embodiment, sensor technology is placed in the area of the coupling 10k2' and serves to monitor the
運動Rに関して、この実施形態においてインダクタンス14は磁石18の磁場M内で回転運動することも想定されていることが留意されるべきである。このような運動およびエネルギーを得ることは発電機では一般的であるが、ここで、発電機とは対照的に、エネルギーはコイル14によって外部に伝達されず、回転要素10’において内部で消費される。実施形態によれば、回転運動10rが起こることは必須ではない。たとえば、ハンマドリルを想定すると、回転運動は回転軸10rに沿ったリフト部分も有することができる。したがって、周期的運動が一般的に想定される。極端な場合において、ノミまたはリベット打ち機の場合のように、回転部分が完全に省略されることもある。回転運動10r、リフト部分を伴う回転運動、またはリフト部分のすべての変形例は、磁石18を通して提供される磁場M内でインダクタンス14が運動するということのみを共通で有する。実施形態によれば、周期的運動を想定することができる一方、この運動が規則的であることは必須ではない。ここで、エネルギーを得ることは図2bにおいて矢印によって示されている。
Regarding the movement R, it should be noted that in this embodiment it is also assumed that the inductance 14 has a rotational movement within the magnetic field M of the
図2aおよび図2bによって示されるように、要素14および18を組み合わせることによって、回転運動の電気エネルギーへのエネルギー変換がこのように促進される。ここで、要素14および18は共に電気力学的発電機を形成する。これにより、たとえば、チャックのような回転要素において自給自足および無線で無線センサ技術を採用することができるように、無線センサ技術にエネルギーを供給することが可能になる。回転金属システムからの無線伝送には、さまざまな無線規格(たとえば、UWIN、Bluetooth(登録商標)、BLE、アナログ無線、または他の変形)が採用される。
As shown by Figures 2a and 2b, the combination of
上の実施形態において要素16s’がセンサ技術として機能すると想定されてきたとしても、ここでピエゾアクチュエータ技術のようなアクチュエータ技術も採用することができるということが留意されるべきである。アクチュエータ技術ではエネルギー需要が高くなる一方、要素14および18を組み合わせることによって、より高いエネルギー需要をどのように満たすことができるかを以降で説明する。他方、より高いエネルギー需要は他の用途にだけでなく、他方で回転要素10’のさまざまなサイズにも依存する。
It should be noted that even though in the above embodiments the element 16s' has been assumed to function as sensor technology, actuator technology such as piezo actuator technology can also be employed here. While actuator technology has higher energy demands, it will be explained below how the combination of
図1に関連してすでに説明したように、好ましい一変形例によればインダクタンス14、またはより具体的には、14aおよび14bの配置は、これらインダクタンスが回転軸の周りを並進的に延在するように設計されている。たとえば、2つまたは3つのコイル14を想定すると、一実施形態によればそれぞれのコイルコアは回転軸10rに対して垂直に延在する。2つのコイルの場合、コイルの軸は好ましくは180°の角度で配置される一方、3つのコイルの場合、120°の配置が可能である。変化するエネルギー需要はコイルの数によって調整することができる。したがって、同じ磁石18を使用しても、複数の統合されたコイルを有する大きな回転要素でよりも、小さな回転要素10’でより低いエネルギーを得ることができる。代わりに、または加えて、コイルの寸法をさらなる実施形態にしたがって変更することもできる。磁石18の配置および寸法によって、有効電力を変化させるさらなる一変形例の可能性が提供される。図3bにおいて、コイル内の有効電力が、異なる磁石の高さにおける異なる回転速度について示され、合計6図によって示されている。さらなる変動要因(X軸参照)は、採用される湾曲角度数である。ここで、異なる湾曲角度を使用して磁石が取り付けられていると想定する。図からわかるように、追加の湾曲角度を採用すると、発生電力が増加する。同様に、回転速度が高くなると、電力が増加する。同様に、電力は磁石の高さとともに増加する。たとえば、18ワット(毎分9000回転で16mmの磁石で240°の湾曲角度を採用)がコイルごとに生成されると想定すると、たとえば、18のコイルを採用すると、最大200ワットの電力を得ることができる。
As already explained in connection with FIG. 1, according to a preferred variant the arrangement of the inductances 14, or more particularly 14a and 14b, is such that these inductances extend translationally around the axis of rotation. It is designed to. For example, assuming two or three coils 14, according to one embodiment each coil core extends perpendicular to the axis of
ここで、利用する空間角度だけでなく、磁石の数も重要であることが留意されるべきである。ここで、240°の空間角度で12の磁石が採用されていると想定している。言うまでもなく、異なる数も可能である。さらに、空間角度>240°、たとえば360°が考えられる。すべてのこれら要因が、電気的に伝送される電力を適切にスケーリングすることができることに貢献する。 It should be noted here that not only the spatial angle used is important, but also the number of magnets. Here, it is assumed that 12 magnets are employed at a spatial angle of 240°. Needless to say, different numbers are possible. Furthermore, spatial angles >240°, for example 360°, are conceivable. All these factors contribute to being able to properly scale the electrically transmitted power.
ここで、図3aに関して明らかになるように、磁石は恣意的に互いに接近して配置され得ないことが留意されるべきである。 It should be noted here that the magnets cannot be placed arbitrarily close to each other, as becomes clear with respect to Figure 3a.
図3aは、コイル14と相互作用する、軸方向における磁石18a、18b、および18cの図を示す。磁石18a、18b、および18cはそれぞれ、ここで領域によって適宜示される磁力線Mを形成する。鉄製の工具ホルダに接線方向に配置されたコイルは、磁場M内で運動する。コイルは、たとえば、フェライトコアを含むことができる。磁束密度はグレースケールによって示され、白線はZ方向における磁気ベクトルポテンシャル(Wb/m)を示す。 FIG. 3a shows a view of the magnets 18a, 18b, and 18c in the axial direction interacting with the coil 14. The magnets 18a, 18b, and 18c each form magnetic field lines M, indicated here by regions as appropriate. A coil placed tangentially to the iron tool holder moves in a magnetic field M. The coil can include, for example, a ferrite core. The magnetic flux density is shown in gray scale, and the white line shows the magnetic vector potential (Wb/m) in the Z direction.
図3bは磁束密度の値を示す。図3bからの実施形態において、磁石は交互に配向され、これにより磁束変化を最大化していると想定される。たとえば、インダクタンスの領域内で磁束を最大化するであろうハルバッハ配列、または均等に配向された配列の形態で、さらなる配置/調整も考えられる。 Figure 3b shows the values of magnetic flux density. In the embodiment from Figure 3b, the magnets are assumed to be oriented in an alternating manner, thereby maximizing the magnetic flux variation. Further arrangements/adjustments are also conceivable, for example in the form of a Halbach arrangement, or an evenly oriented arrangement, which would maximize the magnetic flux within the area of inductance.
上の実施形態において、回転運動があることが具体的に想定されてきた。すでに述べたように、周期的運動または無相関運動のような他の運動も考えられる。さらなる一実施形態によれば、回転要素は、回転要素である必要さえなく、たとえば、図1からの軸10rに沿ってリフト運動を実行するのみの単純な要素であってもよい。周期的なリフト運動などの際、コイル14aおよび14bも、磁石18によって提供される磁場内で運動し、その結果、運動要素に電気が誘導される。
In the embodiments above, it has been specifically assumed that there is a rotational movement. As already mentioned, other movements are also conceivable, such as periodic or uncorrelated movements. According to a further embodiment, the rotating element does not even have to be a rotating element, but may for example be a simple element that only performs a lifting movement along the
ここで、磁石を採用することは必須ではないことが留意されるべきである。しかしながら、電磁石のような他の磁場生成要素を採用することもでき、これにより有利には磁場強度を制御することが容易になる。 It should be noted here that it is not mandatory to employ magnets. However, other magnetic field generating elements such as electromagnets can also be employed, which advantageously facilitates controlling the magnetic field strength.
実施形態によれば、磁石は、半円セグメントのような円セグメント、またはより小さな円セグメント、またはより大きな円セグメントに配置することができる。たとえば、20度または30度から330度または340度の範囲、または好ましくは、60度と270度との間の範囲だけでなく、90度と180度との間の範囲の配置も考えられる。所与の範囲内の任意の値が可能であろう。円弧セグメントによる配置は、これによって達成可能なエネルギー収量が増加する可能性がある一方、同時に円セグメントが開いたままであり、アクセス可能性が維持されるため有利である。 According to embodiments, the magnets can be arranged in circular segments, such as semicircular segments, or smaller circular segments, or larger circular segments. For example, an arrangement in the range from 20 or 30 degrees to 330 or 340 degrees, or preferably between 60 and 270 degrees, but also between 90 and 180 degrees, is conceivable. Any value within the given range would be possible. The arrangement by circular arc segments is advantageous because this may increase the achievable energy yield, while at the same time the circular segments remain open and accessibility is maintained.
ここで、磁石は、要素の周りでの径方向および軸方向の両方で配置することができるということが留意されるべきである。たとえば、径方向配置の場合、これは、たとえば、回転軸に対して平行または垂直に配置された半径に沿った円弧セグメントに沿って走行する。軸方向配置の場合、回転要素は突出することができ、ここで磁石はこのときハウジング側から突出縁まで突出する。 It should be noted here that the magnets can be arranged both radially and axially around the element. For example, in the case of a radial arrangement, this runs, for example, along arc segments along a radius arranged parallel or perpendicular to the axis of rotation. In the case of an axial arrangement, the rotating element can protrude, the magnet then protruding from the housing side up to the protruding edge.
上の実施形態において、たとえば、コンデンサまたはアキュムレータを有するエネルギー供給回路を提供することができるということを説明してきた。アキュムレータは、短期間の運動から再充電が生じ、消費の可能性に対してアキュムレータの電力次元が高くなるように、比較的大きな寸法にすることもできる。これは、センサ技術のような低電力消費の消費器に特に考えられる。 It has been explained in the above embodiments that for example an energy supply circuit with a capacitor or an accumulator can be provided. The accumulator can also be relatively large in size so that recharging occurs from short periods of exercise and the power dimension of the accumulator is high relative to possible dissipation. This is particularly considered for low power consumption consumers such as sensor technology.
好ましい一実施形態は、固定子なしの回転を通した電気エネルギーの生成、具体的には、無線センサに供給するための回転物体での電気エネルギーの生成を説明する。この目的のため、固定磁石に対して運動するインダクタンスが採用される。インダクタンスは1つまたは複数の巻線で構成され、整流器およびエネルギー供給ユニットに接続される。磁石は回転物体上に配置される。しかしながら、磁石は、インダクタンスに対して相対運動が生じ得るように配置される。エネルギー供給ユニットは、センサ、アクチュエータ、または無線モジュールに供給することができる。センサは回転物体に関する情報を検知し、この情報を無線で送信する。無線モジュールは、アクチュエータを制御するデータを受信することもできる。たとえば、このシステムは、ドリルチャック、カップリング、または軸に適用することができる。 A preferred embodiment describes the generation of electrical energy through rotation without a stator, and specifically the generation of electrical energy in a rotating object for supplying a wireless sensor. For this purpose, an inductance that moves relative to a fixed magnet is employed. The inductance consists of one or more windings and is connected to the rectifier and the energy supply unit. The magnet is placed on the rotating object. However, the magnet is arranged such that relative movement can occur with respect to the inductance. The energy supply unit can supply sensors, actuators or wireless modules. The sensor detects information about the rotating object and transmits this information wirelessly. The wireless module can also receive data to control the actuator. For example, the system can be applied to drill chucks, couplings, or shafts.
ここで、上述の実施形態は単なる例示であり、保護の範囲は次の請求項によって定義されるものとすることが留意されるべきである。 It should be noted here that the embodiments described above are merely exemplary and the scope of protection shall be defined by the following claims.
12、12’ 出力要素
10、10’ 回転要素
18 磁石
14、14a、14b インダクタンス
11 工具
10k1’ 第1の半分
10k2’ 第2の半分
R 運動
10r 回転軸
16 消費器
M 磁場
E エネルギー
16f’ 無線モジュール
16s’ センサ
12, 12'
Claims (16)
磁場(M)内での運動(R)の際、電気エネルギー(E)を提供するように構成された、前記要素(10、10’)と一緒に運動または回転するインダクタンス(14、14a、14b)と、
前記提供される電気エネルギー(E)によって動作可能である、前記要素(10、10’)と一緒に運動または回転する消費器(16)と、
を含み、
前記要素(10、10’)の回転軸(10R)の周りに複数の磁石(18)が円セグメント形状で配置されている、
機械。 A machine, in particular a drilling machine, comprising a rotary output element (12, 12') and an element (10, 10'), in particular a rotary element (10, 10'), said element (10, 10') ) is coupled to the rotary output element (12, 12'), and the element (10, 10')
an inductance (14, 14a, 14b) moving or rotating together with said element (10, 10'), configured to provide electrical energy (E) upon movement (R) in a magnetic field (M); )and,
a consumer (16) moving or rotating together with said element (10, 10'), operable by said provided electrical energy (E);
including;
A plurality of magnets (18) are arranged in a circular segment shape around the rotation axis (10R) of the element (10, 10'),
machine.
前記インダクタンス(14、14a、14b)はエネルギー供給回路に結合され、前記エネルギー供給回路を通して前記電気エネルギーが提供され、前記エネルギー供給回路は、整流器、および/またはバッファ、および/またはコンデンサ、および/またはアキュムレータを含む、請求項1または2に記載の機械。 the inductance (14, 14a, 14b) is coupled to an energy supply circuit through which the electrical energy (E) is provided, or the inductance (14, 14a, 14b) is coupled to an energy supply circuit; Machine according to claim 1 or 2, wherein the electrical energy is provided through the energy supply circuit, the energy supply circuit comprising a rectifier and/or a buffer and/or a capacitor and/or an accumulator.
前記電気消費器(16)は、情報を出力するように構成されたセンサ技術(16s’)を含み、前記センサ技術(16s’)は、力、振動、音響、機械的張力、温度、トルク、回転速度、および/または加速度を検出するように構成され、かつ/または
前記インダクタンス(14、14a、14b)は、センサ技術(16s’)として機能し、かつ/または前記インダクタンス(14、14a、14b)における誘導信号に基づいて機能して、測定信号インダクタンス(14、14a、14b)を提供し、物理量、具体的には回転速度または振動を推定することが可能になるように構成されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の機械。 said electricity consumer (16) includes sensor technology configured to output information; or said electricity consumer (16) includes sensor technology (16s') configured to output information. , said sensor technology (16s') is configured to detect force, vibration, acoustics, mechanical tension, temperature, torque, rotational speed, and/or acceleration, and/or said inductance (14, 14a, 14b ) acts as a sensor technology (16s') and/or acts on the basis of an induced signal in said inductance (14, 14a, 14b) to provide a measurement signal inductance (14, 14a, 14b) and to provide a physical quantity. 5. The machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the machine is configured in such a way that it is possible to estimate, in particular the rotational speed or the vibrations.
前記インダクタンス(14、14a、14b)は、前記要素(10、10’)の回転軸(10R)の周りに並進的に分配または均等に分配された複数のコイルによって形成され、かつ/または
前記提供される電気エネルギー(E)は、インダクタンス(14、14a、14b)の数に、および/または前記インダクタンス(14、14a、14b)の寸法および存在する前記磁場(M)に依存する、請求項1から6のいずれか一項に記載の機械。 said inductance (14, 14a, 14b) is formed by one or more coils, or said inductance (14, 14a, 14b) is formed by one or more coils with a ferrite core, or said inductance ( 14, 14a, 14b) is formed by a plurality of coils distributed translationally or evenly distributed around the axis of rotation (10R) of said element (10, 10') and/or said provided electricity 7. The method of claims 1 to 6, wherein the energy (E) depends on the number of inductances (14, 14a, 14b) and/or on the dimensions of said inductances (14, 14a, 14b) and on the magnetic field (M) present. A machine as described in any one of the preceding paragraphs.
前記消費器(16)は長手軸に沿った第2の半分に配置されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の機械。 Claim: wherein the inductance (14, 14a, 14b) is arranged in a first half along the longitudinal axis and/or the consumer (16) is arranged in a second half along the longitudinal axis. 8. The machine according to any one of 1 to 7.
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