WO2005031770A1 - Induktiver drehübertrager - Google Patents

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WO2005031770A1
WO2005031770A1 PCT/EP2004/010581 EP2004010581W WO2005031770A1 WO 2005031770 A1 WO2005031770 A1 WO 2005031770A1 EP 2004010581 W EP2004010581 W EP 2004010581W WO 2005031770 A1 WO2005031770 A1 WO 2005031770A1
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inductive
rotary transformer
coil
transformer according
rotation
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PCT/EP2004/010581
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French (fr)
Inventor
Jens Makuth
Jürgen SCHIMMER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H01F17/062—Toroidal core with turns of coil around it
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • H01F2019/085—Transformer for galvanic isolation

Definitions

  • the invention relates to an inductive rotary transformer.
  • Data and energy transmission (telemetry) to moving machine parts is a central problem, above all in industry, particularly in and / or in distributed automation systems.
  • Production processes primarily with machine tools, robots, etc., take place on rotating or generally moving workpieces, or the tools rotate and / or move around the workpiece to be machined.
  • Data networks needed.
  • bus systems such as Fieldbus, Profibus, Ethernet, Industrial Ethernet, or FireWire, but also increasingly switchable high-performance data networks, i.e. point-to-point connections, especially real-time Ethernet (RTE) or isochronous RTE (IRTE).
  • RTE real-time Ethernet
  • IRTE isochronous RTE
  • the cable towing solution prevents an endless rotation and limits the production speed by the necessary backward rotation eg of the tools (otherwise the cables are sheared off).
  • minimizing idle times in the system plays a crucial role in productivity, for example.
  • a preferred solution to this idle time problem is to replace the cable tows with rotary transformers.
  • Rotary transformers are available in a wide variety of designs. Contact-type transmitters, for example mechanical slip rings, brushes or liquid-containing mercury transmitters, but also contactless transmitters, such as, for example, optical, capacitive, inductive or transmitters based on radio transmission can be used.
  • Capacitive transformers are expensive and are e.g. used for military applications.
  • a fiber-air-fiber coupler which would be available in the form of FORJs (Fiber Optic Rotary Joints) with a fiber connection, causes even greater costs.
  • FORJs are equipped, for example, with passive optical elements and, because of the correspondingly high requirements, must also be equipped with complex mechanics, in particular storage technology. So far, these have only been built manually in small numbers and consist essentially of stainless steel. In addition to the very high costs, there are also technical restrictions, e.g. Transmission rates, vibrations, rotational speed, temperature, etc.
  • Transmission techniques are known from video technology which transmit or couple inductively from moving to stationary components, for example video heads, by means of transformers. In variations or with new manufacturing technologies, this transmission technology can also be used for rotary transformers.
  • Rotary transformers can be further divided into on-axis or off-axis systems.
  • on-axis systems the rotation axis of the rotary transmitter is reserved as a data transmission path for the transmission of the data.
  • German application DE 10230537.4 which was unpublished at the time of filing, this is the subject of the invention in an optical rotary transformer.
  • a disadvantage of on-axis systems is, in particular, the pre-assignment of the space, or about the axis of rotation, for data transmission, if this space is to be used or required instead of for data transmission for bushings, for example cables, pneumatics, hydraulics, etc.
  • the object of the present invention is to provide a rotary transmitter in which the data transmission takes place by means of inductive elements and outside the space of the axis of rotation or rotation of the rotary transmitter.
  • an inductive rotary transmitter for transmitting data, with a fixed part and a rotating part, the rotating part and the fixed part having a common, virtual axis of rotation, and wherein the rotating part rotates around the fixed part, and wherein the data transmission takes place over at least one data transmission path by means of at least one inductive element, and wherein the data transmission path is arranged outside the axis of rotation of the rotary transformer.
  • the two parts of the rotary transmitter, the fixed and the rotating part, have a common, virtual axis of rotation, the rotating part about this virtual rotary axis.
  • axis rotates and the direction of rotation is arbitrary.
  • the rotary transmitter preferably has a housing which is rotationally symmetrical with respect to the virtual axis of rotation and which also includes the corresponding mechanics with housing, bearing and seal.
  • the inductive rotary transmitter has a housing which has a bushing which surrounds the virtual axis of rotation.
  • the inductive rotary transmitter has space at the location of the axis of rotation or axis of rotation for implementing the implementation, since the data transmission takes place outside of this space.
  • a hollow cylindrical structure of the housing enables spatial use about the axis of rotation for bushings.
  • the space available within the bushing can be used for cables, pneumatics or hydraulics, for example.
  • the inductive element is as
  • Transformer designed with at least a first and a second coil, wherein the first coil is assigned to the fixed part and the second coil to the rotating part.
  • first coil is assigned to the fixed part and the second coil to the rotating part.
  • first coil can also be assigned to the rotating part and the second coil to the fixed part.
  • an inductive rotary transmitter In order to implement an inductive rotary transmitter according to the invention, a technology known per se, such as video head technology, is modified accordingly in a new application. For this purpose, new manufacturing techniques for the production of sub-components are used. In order to implement the rotary transmitter according to the invention with the smallest possible diameter, it is advisable to arrange the first and the second coil next to one another with respect to the direction of the virtual axis of rotation.
  • the rotary transformer can be realized with a very small installation depth by the first coil being arranged coaxially around the second coil.
  • the first and / or the second coil are designed as a ring coil.
  • Such an arrangement can also be referred to as a ring transformer with mutually movable windings.
  • a particularly compact design of the inductive rotary transformer can be achieved by using particularly flat coils for the inductive rotary transformer.
  • a very advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and / or the second coil are designed as a planar coil. Planar coils are particularly well suited for miniaturization of the inductive rotary transformer according to the invention.
  • the inductive element has means for field concentration.
  • Such means can be, for example, ferrites which are attached at suitable positions for guiding the magnetic flux.
  • a strong field coupling between primary and secondary winding is important for efficient inductive data transmission.
  • a pot or cup core can also be used to couple the first and second coils of the transformer.
  • Various other embodiments are of course conceivable for generating the greatest possible coupling factor between the primary and secondary winding by means of field concentration.
  • the inductive rotary transformer according to the invention is not limited to the use of exactly one inductive element. In many data transmission applications, it makes sense that the transmitter is provided for bidirectional data transmission and has an inductive element for each transmission direction. Alternatively, only an inductive element can be used if a so-called hybrid circuit is used.
  • an inductive rotary transformer with the smallest possible installation depth can be realized if the inductive elements are arranged coaxially nested in one another.
  • the means for decoupling the magnetic fields can be simple geometric arrangements which are arranged between the inductive elements and there ensure a minimum distance between the inductive elements.
  • a particularly advantageous application results for the transmitter according to the invention in that the transmitter is provided for the transmission of bus protocols, in particular Fast Ethernet protocols.
  • bus protocols such as Profibus and (Fast) Ethernet can be transmitted without major changes in principle.
  • the focus is particularly on rotary transformers for Fast Ethernet, i.e. for a transfer rate of 100 Mbaud.
  • Other bus protocols, in particular other fieldbus protocols, would also be transferable by modifying the input or output circuit.
  • Another advantage is the transparency in data transmission. Additional protocol layers are not necessary.
  • the field-coupled or passive rotary transmitter according to the invention is designed as an integrated unit. Elements to be connected externally are the corresponding bus cables on both sides. A preferred embodiment enables the use of plug connectors.
  • the method for data transmission is then solved very simply and inexpensively with appropriate preparation in the fixed or rotating part of the optical rotary transmitter.
  • all possible data buses for example Ethernet, in particular field buses, for example Profibus, but also point-to-point connections, for example IRTE, can be connected, the corresponding data protocols can be transmitted, and the inductive rotary transformer according to the invention can thus be integrated into any automation systems.
  • the invention can be used or used in particular in and in packaging machines, presses, plastic injection machines, textile machines, printing machines, machine tools, robots, handling systems, woodworking machines, glass processing machines, ceramic processing machines and lifting equipment.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of an inductive rotary transducer according to the invention in an axial design
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an inductive rotary transducer according to the invention in a radial design
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of an inductive rotary transducer according to the invention with planar coils
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of an inductive rotary transmitter according to the invention as a MID variant (molded interconnect device).
  • the rotary transmitter 100 consists of a fixed part 101 and a rotating part 102. Both parts of the rotary transmitter 100 have a common, imaginary, virtual axis of rotation 201, with the rotating part 102 about this virtual axis of rotation 200 rotates, the direction of rotation being arbitrary. Because of the rotation about the virtual axis of rotation 201, the housing of the rotary transmitter 100 is preferably rotationally symmetrical, for example cylindrical, with respect to the axis of rotation 201.
  • the fixed part 101 is also referred to in the mechanical sense as a "stator” and the rotating part 102 as a "rotor". It is irrelevant which part is moving and which part of the rotary transducer 100 is fixed.
  • the rotary transducer 100 may be rigidly mechanically fastened, the other, second part must be rotatably mounted without tension and must be able to be "taken along tension-free". This can be achieved, for example, with a plastic or rubber coupling.
  • seals are also conceivable and possible. Depending on the design, any degree of seal can be achieved.
  • the maximum speed of rotation depends, among other things, on the quality of the storage.
  • Rotary transformers are used in particular for data transmission, with corresponding cables 301, 302 leading into the two parts 101, 102 of the rotary transformer 100, a cable 302, for example, as shown in FIG. 1, also rotating together with the rotating part 102 of the rotary transformer 100.
  • a cable 302 for example, as shown in FIG. 1
  • all types of suitable cables are possible for data transmission, for example bus cables, optical fibers, etc.
  • the cables are preferably connected to the rotary transformer 100 by means of plugs, of which only one plug 401 is visible in FIG. Of course, the shape of the plug is essentially arbitrary.
  • the two housing parts of the rotary transmitter 100 can be made, for example, of steel, in particular stainless steel, of ceramic or of plastic.
  • steel in particular stainless steel
  • ceramic for example aluminum alloys, brass, etc.
  • other materials for example aluminum alloys, brass, etc.
  • inexpensive materials for example ceramics or plastics
  • the use of inexpensive materials is preferred.
  • correspondingly inexpensive manufacturing techniques for example injection molding technology, can be used.
  • FIG. 2 shows a basic illustration of an inductive rotary transducer 100 according to the invention in an axial design, which works with conventional coil technology, in particular conventional windings.
  • the field-coupled rotary transmitter 100 according to the invention basically consists of two tubes 101, 102 which can be rotated relative to one another.
  • the rotary transformer 100 has two inductive elements 500, 800 for data transmission, with a channel being assigned to each element.
  • An inductive element 500, 800 consists of two coils 501, 502 or coil parts with cup or pot cores 503, for example with a ferrite shell, which are separated from one another by an air gap.
  • the inductive elements 500, 800 are axially adjacent to one another, which enables a structure with a small diameter 202. Between the inductive elements 500, 800 there is a "spacer" 600 which serves to separate the channels, and thus in particular to prevent field coupling between the inductive elements 500,800.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of an inductive rotary transmitter 100 according to the invention in a radial design, which works with conventional coil technology. In principle, it consists of two tubes 101, 102 which can be rotated relative to one another.
  • the rotary transformer 100 has two inductive elements 500, 800 for data transmission, a channel being assigned to each element 500, 800.
  • An inductive element 500, 800 consists of two coils 501, 502 or coil parts with cup or pot cores 503, for example with a ferrite shell, which are separated from one another by an air gap.
  • the channels or the inductive elements 500, 800 are located radially next to one another, which enables a construction with a small installation depth 203.
  • a spacer can again be located between the channels, which improves the separation of the channels.
  • these coils are produced like printed circuit boards, ie printed conductors on carrier material 504, produced using the processes of conventional LP production.
  • the properties of the coils 502.503 are simple due to mechanical parameters can be calculated or simulated.
  • the finished planar coil 502.503 is then only embedded in cup or pot cores 503.
  • the planar coils 502, 503 are in turn physically separated from one another by an air gap.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a planar coil structure.
  • the properties of the coils 501.505 are largely determined by their geometry. In principle, the same coil areas with the same conductor cross-section are necessary for radially arranged coils with the same inductance.
  • FIG. 6 shows a basic illustration of an inductive rotary transmitter according to the invention as a MID variant (molded interconnect device).
  • the MID variant offers the greatest potential in the direction of low-cost and miniaturization.
  • an inductive element 500, 800 is designed with an inner coil body 702 and an outer coil body 701, the outer coil body 701 concentrically enclosing the inner coil body 702.
  • Coils 501 are embedded in the outer coil body 701, their windings in the axial direction, i. h in the direction of the virtual axis of rotation, are arranged side by side.
  • coils 502 are embedded in the inner coil body 702, the windings of which in the axial direction, i. h in the direction of the virtual axis of rotation, are arranged side by side. This arrangement of the windings enables the inductive rotary transformer with a particularly small diameter 202 to be realized.
  • the coils 501 of the outer coil body 701 can be regarded as the primary winding of a transformer whose winding on the secondary side is represented by the coils 502 on the inner coil body 702.
  • the primary and secondary sides of the inductive element 500 are separated by an air gap 704, within which a bearing is also provided, which enables one of the coil formers 701, 702 to rotate.
  • the rotary transformer is designed with two inductive elements 500, 800 arranged axially next to each other, which means that two transmission channels are realized.
  • the number of channels or inductive elements is of course scalable.
  • the manufacture of the rotary transformer is particularly inexpensive.
  • the HF magnets 705 and the coils 502 are positioned and overmoulded with plastic.
  • Post-processing such as Etching (in the sense of removing) auxiliary structures is possible.
  • the recordings for storage can be produced.
  • the process is developed, only a few steps are necessary to manufacture the entire structure.

Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen induktiven Drehübertrager bestehend aus einem feststehenden Teil und einem rotierenden Teil, wobei der rotierende Teil und der feststehende Teil eine gemeinsame, virtuelle Drehachse aufweisen, und wobei sich der rotierende Teil um den feststehenden Teil dreht, und wobei die Datenübertragung über wenigstens eine Datenübertragungsstrecke mittels wenigstens eines induktiven Elements erfolgt, und wobei die Datenübertragungsstrecke außerhalb der Drehachse des Drehübertragers angeordnet ist.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Induktiver Drehübertrager zur Übertragung von Daten, mit einem feststehenden Teil und einem rotierenden Teil, wobei der rotierende Teil und der feststehende Teil eine gemeinsame, virtuelle Drehachse aufweisen, und wobei sich der rotierende Teil um den feststehenden Teil dreht, und wobei die Datenübertragung über wenigstens eine Datenubertragungsstrecke mittels wenigstens eines induktiven Elements erfolgt, und wo- bei die Datenubertragungsstrecke außerhalb der Drehachse des Drehübertragers angeordnet ist.
2. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Drehübertrager ein Gehäuse aufweist, welches eine die virtuelle Drehachse umschließende Durchführung aufweist.
3. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element als Trans- formator mit zumindest einer ersten und einer zweiten Spule ausgeführt ist, wobei die erste Spule dem feststehenden Teil und die zweite Spule dem rotierenden Teil zugeordnet ist.
4. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spule in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse nebeneinander angeordnet sind.
5. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule koaxial um die zweite Spule angeordnet ist.
6. Induktiver Drehübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spule als Ringspule ausgeführt sind.
7. Induktiver Drehübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Spule als Planarspule ausgeführt sind.
8. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element Mittel zur Feldkonzentration aufweist.
9. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager zur bidirektionalen Datenübertragung vorgesehen ist und für jede Übertra- gungsrichtung ein induktives Element aufweist.
10. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Elemente in Bezug auf die Richtung der virtuellen Drehachse nebeneinander ange- ordnet sind.
11. Induktiver Drehübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Elemente koaxial ineinander verschachtelt angeordnet sind.
12. Induktiver Drehübertrager nach einem der Ansprüche 9 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den induktiven Elementen Mittel zur Entkopplung magnetischer Felder angeordnet sind.
13. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager zur Übertragung von Busprotokollen, insbesondere Fast Ethernet Protokollen, vorgesehen ist.
14. Induktiver Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Drehübertrager als integrierte Einheit ausgeführt ist.
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