WO2005043567A1 - Drehtransformator - Google Patents

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WO2005043567A1
WO2005043567A1 PCT/EP2004/012360 EP2004012360W WO2005043567A1 WO 2005043567 A1 WO2005043567 A1 WO 2005043567A1 EP 2004012360 W EP2004012360 W EP 2004012360W WO 2005043567 A1 WO2005043567 A1 WO 2005043567A1
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WO
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winding
rotary transformer
transformer according
sections
core
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/012360
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Mast
Jean Schutz
Jens Helfrich
Guntram Scheible
Colin Luthardt
Original Assignee
Abb Research Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abb Research Ltd. filed Critical Abb Research Ltd.
Priority to US10/577,556 priority Critical patent/US7911307B2/en
Priority to JP2006538725A priority patent/JP2007510314A/ja
Publication of WO2005043567A1 publication Critical patent/WO2005043567A1/de

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a rotary transformer according to the preamble of claim 1.
  • the invention can be used for example in welding robots.
  • a wireless robot with a device for transmitting electrical energy which has a rigid core carrying a joint with a primary winding around a proximal part of a rotatable shaft and a rotatable core with a secondary winding around a distal part of the rotatable Shaft comprises, wherein the rigid core faces the rotatable core in a contactless manner in order to transmit electrical energy from the proximal to the distal part in a contactless manner by means of electromagnetic high-frequency induction.
  • a contactless power transmission device for a machine device is known from EP 0 598 924 B1, power being transmitted from a static unit to a rotatable unit of the machine device without direct electrical contact.
  • a split core is used which consists of a first core and a second core, these cores being fastened to the static unit or the rotatable unit and forming a magnetic circuit, the magnetic path length of which is determined by any rotation of the second core in The first core has not changed.
  • a first coil is connected to a high frequency AC source and is provided in the static unit to provide the magnetic circuit with a magnetomotive force.
  • a second coil is connected to a power receiving device and fixed to the rotatable unit, the second coil being arranged to communicate with a magnetic flux passing through the magnetic circuit.
  • CONFIRMATION ⁇ 3 OPIE EP 0 680 060 A1 discloses a rotary transformer with an annular stator and rotor which is U-shaped in cross section.
  • the sleeve-shaped primary coil is wound around the inner leg of the stator, while the sleeve-shaped secondary coil also nestles against the outer leg of the rotor, so that - with the formation of an air gap ensuring mutual mobility - the primary coil and secondary coil lie directly opposite one another.
  • Prior art rotary transformers have distributed windings, i. H. the primary winding and the secondary winding are located in separate core halves, each of which does not protrude. On the one hand, a relatively large stray field is formed, on the other hand, the losses of the rotary transformer are relatively high.
  • the invention is based on the object of specifying a rotary transformer which, even when exposed to high frequency, for example 25 kHz, has a relatively high efficiency and produces a relatively small stray field.
  • the advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the current displacement effects occurring at high frequency and the transformer losses occurring and the stray field occurring are minimized. This results in a high efficiency of the rotary transformer.
  • the rotary transformer is exactly reproducible, i. H. the deviations in the electrical data that occur during production are extremely small.
  • the air gap to be formed between the two core halves - important for the free movement of the two halves against each other - can be selected to a relatively large extent and plays a negligible role with regard to the stray field and the losses produced.
  • the primary part and the secondary part of the rotary transformer can simultaneously be used as galvanically isolated "contacts" in the sense of a plug, for example the primary part is located at the free end of a robot arm which is connected with different ones Tool arms can be equipped. These different tool arms each have the secondary part of the rotary transformer at its end which is used for fastening to the robot arm. It is a simple, quick tool change, ie mounting different types of tool arms on the robot arm.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a rotary transformer with winding sections extending parallel to the axis of rotation, in section
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a rotary transformer with winding sections extending perpendicular to the axis of rotation in section
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a rotary transformer with several annular recesses in the core halves in section
  • Fig. 6 shows the course of the magnetic field strength over the individual winding sections.
  • the rotary transformer 1 shows a first exemplary embodiment of a rotary transformer with winding sections extending parallel to the axis of rotation.
  • the primary winding and secondary winding have intermeshing, sleeve-shaped winding sections.
  • This embodiment is advantageous in the case of rotary transformers in which the overall height is to be large in relation to the diameter of the core.
  • the rotary transformer 1 has two essentially symmetrical core halves, namely a first core half with a base plate 2, an outer ring 3 and an inner cylinder 4 and a second core half with a base plate 5, an outer ring 6 and an inner cylinder 7.
  • Air gap 8 is formed so that there is a contact-free rotational mobility of the two core halves against each other about a common axis of rotation 9 running in the center of the inner cylinders 4, 7.
  • the outer rings 3, 6, the inner cylinders 4, 7 and the base plates 2, 5 delimit a single annular recess which is suitable for accommodating (preferably in each case spiral) windings.
  • the individual winding sections of the primary winding and the secondary winding are fastened in annular winding carriers, which each consist of an electrically insulating material, for example plastic, and are mounted on the inside of the base plates.
  • the electrical connections between the individual, each sleeve-shaped winding sections run inside the winding carrier.
  • Each winding has two winding connections, which are led to the outside via the winding support and corresponding openings in the base plate.
  • a winding carrier 10 assigned to the primary winding is fastened to the base plate 2 of the first core half and fixes, for example, five winding sections of a primary winding, namely: • an outer winding section 11, • two immediately adjacent middle winding sections 12, 13, • two immediately adjacent inner winding sections 14, 15 ,
  • a winding support 17 assigned to the secondary winding is fastened to the base plate 5 of the second core half and fixes five winding sections of a secondary winding, namely • two immediately adjacent outer winding sections 18, 19, • two immediately adjacent middle winding sections 20, 21, • an inner winding section 22.
  • a winding connection 16 of the primary winding and a winding connection 23 of the secondary winding can be seen (of course, at least two winding connections are required per winding).
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a rotary transformer with winding sections extending perpendicular to the axis of rotation.
  • the primary winding and secondary winding have interdigitated, respectively annular winding sections.
  • This embodiment is advantageous for rotary transformers in which the diameter is to be large in relation to the overall height.
  • the rotary transformer 24 has two asymmetrical core halves, namely a first core half with a base plate 25 and an inner cylinder 26 and a second core half with a base plate 27 and an outer ring 28.
  • the outer ring 28, the inner cylinder 26 and the base plates 25, 27 delimit a single annular recess which is suitable for accommodating (preferably in each case spiral) windings
  • Individual winding sections of the primary winding and the secondary winding take place in sleeve-shaped winding carriers, which each consist of an electrically insulating material, for example plastic, and are mounted on the inside of the outer ring 28 or outside of the inner cylinder 26.
  • the electrical connections between the individual annular winding sections run within the winding carrier.
  • Each winding points two winding connections, which are routed to the outside via the winding carrier and corresponding openings in the base plate.
  • a winding support 32 assigned to the primary winding is fastened to the outside of the inner cylinder 26 of the first core half and fixes, for example, five winding sections of a primary winding, namely: • one winding section 33, • two immediately adjacent winding sections 34, 35, • two immediately adjacent winding sections 36, 37.
  • a winding support 39 assigned to the secondary winding is fastened to the inside of the outer ring 28 of the second core half and fixes five winding sections of a secondary winding, namely: • two immediately adjacent winding sections 40, 41, • two immediately adjacent middle winding sections 42, 43, • a winding section 44.
  • a winding connection 38 of the primary winding and a winding connection 45 of the secondary winding can be seen.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a rotary transformer with a plurality of annular recesses in the core halves.
  • the windings are picked up.
  • this embodiment is suitable both for sleeve-shaped winding sections - see FIG. 1 - and for circular-shaped winding sections - see FIG. 2 - but only one embodiment is shown based on FIG. 1 with sleeve-shaped winding sections.
  • the rotary transformer 46 has two essentially symmetrical core halves, namely a first core half with a base plate 47, an outer ring 48, two intermediate rings 49, 50 and an inner cylinder 51 and a second core half with a base plate 52, an outer ring 53, two intermediate rings 54 , 55 and an inner cylinder 56.
  • An air gap 57 is formed between the two core halves, so that there is contact-free rotational mobility of the two core halves relative to one another about a common axis of rotation 58 running in the center of the inner cylinders 51, 56.
  • the outer rings 48, 53, the intermediate rings 49/54, 50/55, the inner cylinders 51/56 and the base plates 47/52 provide three separate and concentrically arranged receptacles bounded by (preferably in each case spiral) windings, suitable annular recesses.
  • the individual winding sections of the primary winding and the secondary winding are fastened in annular winding carriers, which each consist of an electrically insulating material, for example plastic, and are mounted on the inner sides of the base plates.
  • the electrical connections between the individual sleeve-shaped winding sections run within the winding carrier. Each winding has two winding connections, which are led to the outside via the winding support and corresponding openings in the base plate.
  • An outer winding carrier 59 assigned to the primary winding is fastened to the base plate 47 of the first core half at the location of the outer annular recess and fixes two winding sections of a primary winding, namely • an outer winding section 62 • an inner winding section 63.
  • a central winding carrier 60 assigned to the primary winding is fastened to the base plate 47 of the first core half at the location of the central annular recess and fixes two winding sections of a primary winding, namely • an outer winding section 64 • an inner winding section 65.
  • An inner winding carrier 61 assigned to the primary winding is fastened to the base plate 47 of the first core half at the location of the inner annular recess and fixes two winding sections of a primary winding, namely • an outer winding section 66 • an inner winding section 67.
  • An outer winding carrier 68 assigned to the secondary winding is fastened to the base plate 52 of the second core half at the location of the outer annular recess and fixes two immediately adjacent winding sections 71, 72 of a secondary winding.
  • a middle winding support 69 assigned to the secondary winding is fastened to the base plate 52 of the second core half at the location of the central annular recess and fixes two immediately adjacent winding sections 73, 74 of a secondary winding.
  • An inner winding carrier 70 assigned to the secondary winding is fastened to the base plate 52 of the second core half at the location of the inner annular recess and fixes two immediately adjacent winding sections 75, 76 of a secondary winding.
  • the current directions of the winding sections directly opposite each other with the formation of an air gap are 62/71, 72/63, 64/73, 74/65, 66/75, 76 / 67 opposite each other.
  • a plurality of galvanically isolated primary windings and secondary windings can also be provided, that is to say the inductive coupling of a plurality of circuits in one and the same rotary transformer is possible.
  • the path length is shortened, which reduces the losses and thus increases the efficiency.
  • less core material is required to guide the magnetic flux.
  • a larger transmission ratio primary / secondary can be selected.
  • FIG. 4 and 5 show exemplary embodiments with a central bore in the core, specifically that FIG. 4 essentially corresponds to the embodiment according to FIG. 1 and FIG. 5 essentially corresponds to the embodiment according to FIG. 2.
  • a rotary transformer 77 can be seen which has a first core half 78 and a second core half 79 which is essentially symmetrical thereto, an air gap 80 being formed between the two core halves and a central bore 81 being provided in the core halves.
  • a winding system 82 consisting of a primary winding and a secondary winding, the inner cylinders 4, 7 of the embodiment according to FIG. 1 being replaced by inner rings in order to realize the desired central bore 81.
  • a rotary transformer 83 can be seen in FIG. 5, which has a first core half 84 and a second core half 85, air gaps 86, 87 being formed between the two core halves and a central bore 88 being provided in the core halves.
  • a winding system 89 consisting of a primary winding and a secondary winding, the inner cylinder 26 of the embodiment according to FIG. 2 being replaced by an inner ring in order to realize the desired central bore 88.
  • a winding section can alternatively consist of: • a single turn or • several (two, three, four ...) turns.
  • the ratio between primary winding and secondary winding can in principle be chosen freely.
  • FIG. 6 shows the course of the magnetic field strength over the individual winding sections. If one first considers the exemplary embodiment according to FIG. 1, the magnetic field strength rises from 0 to 0 over the winding section 11 Maximum value MAX, falls above the winding section 18 or 19 to 0 or the minimum value MIN, rises above the winding section 12 or 13 to 0 or MAX, falls above the winding section 20 or 21 to 0 or MIN, rises above the Winding section 14 or 15 to 0 or MAX and falls above winding section 22 to 0. An identical course of the magnetic field strength results over winding sections 33 - 40 - 41 - 34 - 35 - 42 - 43 - 36 - 37 - 44 at Embodiment according to FIG. 2.
  • the primary winding and secondary winding of the rotary transformer are designed for the same power.
  • embodiments can be implemented in which the secondary winding of the rotary transformer is smaller Efficiency than the primary winding and is accordingly designed to be lighter if only relatively low power is to be produced on the secondary side.
  • the core half of the secondary part can be omitted entirely.
  • This embodiment is particularly advantageous when using the rotary transformer in a robot with a tool changing device.
  • a tool changer allows different types of tool arms to be mounted on the robot arm. The different tools have different power consumption.
  • the secondary sides of the rotary transformer are each adapted to the special power requirement of the tool, while the primary side of the rotary transformer remains the same for all different tools (with different power requirements).
  • the core halves are each formed in one piece. Deviating from this, it is of course also possible to assemble the core halves or the core from individual segments (for example in the form of "cake pieces").
  • Reference list 1 rotary transformer 2 base plate of the first core half 3 outer ring 4 inner cylinder 5 base plate of the second core half 6 outer ring 7 inner cylinder 8 air gap 9 axis of rotation 10 winding carrier of the first core half 11 first winding section of the primary winding 12 second winding section 13 third winding section 14 fourth winding section 15 fifth winding section 16 winding connection 17 Coil carrier of the second core half 18 first winding section of the secondary winding 19 second winding section 20 third winding section 21 fourth winding section 22 fifth winding section 23 winding connection 24 rotary transformer 25 base plate of the first core half 26 inner cylinder 27 base plate of the second core half 28 outer ring 29 air gap 30 air gap 31 axis of rotation 32 winding carrier of the first core half 33 first winding section of the primary winding 34 second winding section 35 third winding section 36 fourth winding winding section 37 fifth winding section 38 winding connection 39 winding carrier of the second core half 40 first winding section of the secondary winding 41 second winding section 42 third winding section 43 fourth winding section 44 fifth

Abstract

Es wird ein Drehtransformator mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer hierzu drehbeweglichen Sekundärwicklung vorgeschlagen, wobei Primärwicklung und Sekundärwicklung in jeweils mindestens zwei Wicklungsabschnitte (11, 12, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21, 22, 33, 34, 35, 36, 37, 40, 41, 42, 43, 44, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71, 72, 73, 74, 75, 76) unterteilt sind, wobei diese Wicklungsabschnitte kammartig ineinander greifen und wobei der Stromfluss direkt gegenüberliegender Wicklungsabschnitte jeweils entgegengesetzt gerichtet ist.

Description

Drehtransformator
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehtransformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise bei Schweißrobotern verwendet werden.
Aus der EP 0 722 811 B1 ist ein drahtloser Roboter mit einer Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie bekannt, die einen ein Gelenk tragenden starren Kern mit einer Primärwicklung um einen proximalen Teil einer drehbaren Welle und einen drehbaren Kern mit einer Sekundärwicklung um einen distalen Teil der drehbaren Welle umfasst, wobei der starre Kern dem drehbaren Kern auf kontaktlose Weise gegenübersteht, um mittels elektromagnetischer Hochfrequenzinduktion elektrische Energie vom proximalen zum distalen Teil auf kontaktlose Weise zu übertragen.
Aus der EP 0 598 924 B1 ist eine kontaktlose Leistungsübertragungsvorrichtung für eine Maschineneinrichtung bekannt, wobei Leistung ohne direkten elektrischen Kontakt von einer statischen Einheit auf eine drehbare Einheit der Maschineneinrichtung übertragen wird. Es wird ein gespaltener Kern verwendet, der aus einem ersten Kern und einem zweiten Kern besteht, wobei diese Kerne an der statischen Einheit bzw. der drehbaren Einheit befestigt sind und eine magnetische Schaltung bilden, deren magnetische Weglänge sich durch eine beliebige Rotation des zweiten Kerns in Bezug auf den ersten Kern nicht verändert. Eine erste Spule ist mit einer Hochfrequenz- Wechselstromquelle verbunden und in der statischen Einheit vorgesehen, um die magnetische Schaltung mit einer magnetomotorischen Kraft zu versehen. Eine zweite Spule ist mit einer Leistung empfangenden Vorrichtung verbunden und an der drehbaren Einheit befestigt, wobei die zweite Spule derart angeordnet ist, dass sie mit einem magnetischen Fluss, der durch die magnetische Schaltung tritt, in Verbindung steht. BESTÄTIGUNΘ3 OPIE Aus der EP 0 680 060 A1 ist ein Drehtransformator mit ringförmigem, im Querschnitt U- förmig ausgebildetem Stator und Rotor bekannt. Die hülsenförmige Primärspule ist um den inneren Schenkel des Stators gewickelt, während sich die ebenfalls hülsenförmige Sekundärspule an den Außenschenkel des Rotors anschmiegt, so dass sich - unter Ausbildung eines die gegenseitige Beweglichkeit sicherstellenden Luftspaltes - Primärspule und Sekundärspule unmittelbar gegenüberliegen.
Drehtransformatoren gemäß dem Stand der Technik haben verteilte Wicklungen, d. h. die Primärwicklung und die Sekundärwicklung befinden sich in voneinander getrennten Kernhälften, welche sie jeweils nicht überragen. Es bildet sich einerseits ein relativ großes Streufeld aus, andererseits sind die Verluste des Drehtransformators relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehtransformator anzugeben, der auch bei Beaufschlagung mit Hochfrequenz - beispielsweise 25 kHz - einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweist und ein relativ geringes Streufeld produziert.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die bei Hochfrequenz auftretenden Stromverdrängungseffekte sowie die auftretenden Transformatorenverluste und das auftretende Streufeld minimiert sind. Es ergibt sich somit ein hoher Wirkungsgrad des Drehtransformators. Der Drehtransformator ist exakt reproduzierbar, d. h. die bei der Fertigung auftretenden Abweichungen der elektrischen Daten sind äußerst gering. Der zwischen den beiden Kernhälften auszubildende Luftspalt - wichtig für die freie Drehbeweglichkeit beider Transformatoren hälften gegeneinander - ist mit relativ großem Maß wählbar und spielt eine vernachlässigbare Rolle hinsichtlich des produzierten Streufeldes und der produzierten Verluste.
Primärteil und Sekundärteil des Drehtransformators sind gleichzeitig als galvanisch getrennte "Kontakte" im Sinne eines Steckers verwendbar, beispielsweise befindet sich der Primärteil am freien Ende eines Roboterarmes, welcher mit unterschiedlichen Werkzeugarmen bestückt werden kann. Diese unterschiedlichen Werkzeugarme weisen jeweils den Sekundärteil des Drehtransformators an ihrem zur Befestigung am Roboterarm dienenden Ende auf. Es ist ein einfacher, rascher Werkzeugwechsel, d. h. Montage verschiedenartiger Werkzeugarme am Roboterarm möglich.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit sich parallel zur Drehachse erstreckenden Wicklungsabschnitten im Schnitt,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit sich senkrecht zur Drehachse erstreckenden Wicklungsabschnitten im Schnitt,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit mehreren ringförmigen Ausnehmungen in den Kernhälften im Schnitt,
Fig. 4, 5 Ausführungsbeispiele mit einer Zentralbohrung im Kern in perspektivischer Darstellung,
Fig. 6 den Verlauf der magnetischen Feldstärke über den einzelnen Wicklungsabschnitten.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit sich parallel zur Drehachse erstreckenden Wicklungsabschnitten dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weisen Primärwicklung und Sekundärwicklung kammartig ineinandergreifende, jeweils hülsenförmige Wicklungsabschnitte auf. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft bei Drehtransformatoren, bei denen die Bauhöhe groß im Verhältnis zum Durchmesser des Kernes sein soll. Der Drehtransformator 1 weist zwei im wesentlichen symmetrische Kernhälften auf, und zwar eine erste Kernhälfte mit einer Basisplatte 2, einem Außenring 3 und einem Innenzylinder 4 sowie eine zweite Kernhälfte mit einer Basisplatte 5, einem Außenring 6 und einem Innenzylinder 7. Zwischen beiden Kernhälften ist ein Luftspalt 8 ausgebildet, so dass eine berührungsfreie Drehbeweglichkeit beider Kernhälften gegeneinander um eine gemeinsame, im Zentrum der Innenzylinder 4, 7 verlaufende Drehachse 9 gegeben ist.
Wie in der Schnittdarstellung nach Fig. 1 gut zu erkennen ist, wird durch die Außenringe 3, 6, die Innenzylinder 4, 7 sowie die Basisplatten 2, 5 eine einzige, zur Aufnahme von (vorzugsweise jeweils spiralförmigen) Wicklungen geeignete, ringförmige Ausnehmung begrenzt. Die Befestigung der einzelnen Wicklungsabschnitte von Primärwicklung und Sekundärwicklung erfolgt dabei in kreisringförmigen Wicklungsträgern, welche jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen und an den Innenseiten der Basisplatten montiert sind. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen, jeweils hülsenförmigen Wicklungsabschnitten verlaufen innerhalb der Wicklungsträger. Jede Wicklung weist zwei Wicklungsanschlüsse auf, welche über den Wicklungsträger und entsprechende Öffnungen in der Basisplatte nach außen geführt sind.
Ein der Primärwicklung zugeordneter Wicklungsträger 10 ist an der Basisplatte 2 der ersten Kernhälfte befestigt und fixiert beispielhaft fünf Wicklungsabschnitte einer Primärwicklung, und zwar • einen äußere Wicklungsabschnitt 11 , • zwei unmittelbar benachbarte mittlere Wicklungsabschnitte 12, 13, • zwei unmittelbar benachbarte innere Wicklungsabschnitte 14, 15.
Ein der Sekundärwicklung zugeordneter Wicklungsträger 17 ist an der Basisplatte 5 der zweiten Kernhälfte befestigt und fixiert fünf Wicklungsabschnitte einer Sekundärwicklung, und zwar • zwei unmittelbar benachbarte äußere Wicklungsabschnitte 18, 19, • zwei unmittelbar benachbarte mittlere Wicklungsabschnitte 20, 21 , • einen innere Wicklungsabschnitt 22. Es sind ein Wicklungsanschluss 16 der Primärwicklung sowie ein Wicklungsanschluss 23 der Sekundärwicklung zu erkennen (selbstverständlich sind pro Wicklung mindestens zwei Wicklungsanschlüsse erforderlich).
Wie in Fig. 1 gekennzeichnet sind die Stromrichtungen der sich direkt unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegenden Wicklungsabschnitte (welche abwechselnd der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zugeordnet sind) 11 / 18, 19 / 12, 13 / 20, 21 / 14, 15 / 22 jeweils entgegengesetzt.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit sich senkrecht zur Drehachse erstreckenden Wicklungsabschnitten dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weisen Primärwicklung und Sekundärwicklung kammartig ineinandergreifende, jeweils kreisringförmige Wicklungsabschnitte auf. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft bei Drehtransformatoren, bei denen der Durchmesser groß im Verhältnis zur Bauhöhe sein soll.
Der Drehtransformator 24 weist zwei unsymmetrische Kernhälften auf, und zwar eine erste Kernhälfte mit einer Basisplatte 25 und einem Innenzylinder 26 sowie eine zweite Kernhälfte mit einer Basisplatte 27 und einem Außenring 28. Zwischen Basisplatte 27 und Innenzylinder 26 ist ein Luftspalt 29 sowie zwischen Basisplatte 25 und Außenring 28 ein Luftspalt 30 ausgebildet, so dass eine berührungsfreie Drehbeweglichkeit beider Kernhälften gegeneinander um eine gemeinsame, im Zentrum des Innenzylinders 26 verlaufende Drehachse 31 gegeben ist.
Wie in der Schnittdarstellung nach Fig. 2 gut zu erkennen ist, wird durch den Außenring 28, den Innenzylinder 26 sowie die Basisplatten 25, 27 eine einzige, zur Aufnahme von (vorzugsweise jeweils spiralförmigen) Wicklungen geeignete, ringförmige Ausnehmung begrenzt..Eine Befestigung der einzelnen Wicklungsabschnitte von Primärwicklung und Sekundärwicklung erfolgt dabei in hülsenförmigen Wicklungsträgern, welche jeweils aus einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen und an der Innenseite des Außenrings 28 bzw. Außenseite des Innenzyiinders 26 montiert sind. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen jeweils kreisringförmigen Wicklungsabschnitten verlaufen innerhalb der Wicklungsträger. Jede Wicklung weist zwei Wicklungsanschlüsse auf, welche über den Wicklungsträger und entsprechende Öffnungen in der Basisplatte nach außen geführt werden.
Ein der Primärwicklung zugeordneter Wicklungsträger 32 ist an der Außenseite des Innenzylinders 26 der ersten Kernhälfte befestigt und fixiert beispielhaft fünf Wicklungsabschnitte einer Primärwicklung, und zwar • einen Wicklungsabschnitt 33, • zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 34, 35, • zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 36, 37.
Ein der Sekundärwicklung zugeordneter Wicklungsträger 39 ist an der Innenseite des Außenrings 28 der zweiten Kemhälfte befestigt und fixiert fünf Wicklungsabschnitte einer Sekundärwicklung, und zwar • zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 40, 41 , • zwei unmittelbar benachbarte mittlere Wicklungsabschnitte 42, 43, • einen Wicklungsabschnitt 44.
Es sind ein Wicklungsanschluss 38 der Primärwicklung sowie ein Wicklungsanschluss 45 der Sekundärwicklung zu erkennen.
Wie in Fig. 2 gekennzeichnet sind die Stromrichtungen der sich direkt unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegenden Wicklungsabschnitte (welche abwechselnd der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zugeordnet sind) 33 / 40, 41 / 34, 25 /42, 43 / 36, 37 / 44 jeweils entgegengesetzt.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehtransformators mit mehreren ringförmigen Ausnehmungen in den Kernhälften dargestellt. Bei dieser Ausführungsform Aufnahme der Wicklungen auf. Diese Ausführungsform ist prinzipiell sowohl für hülsenförmige Wicklungsabschnitte - siehe Fig. 1 - als auch für kreisringförmige Wicklungsabschnitte - siehe Fig. 2 - geeignet, es ist jedoch lediglich eine Ausführungsform in Anlehnung an Fig. 1 mit hülsenförmigen Wicklungsabschnitten gezeigt. Der Drehtransformator 46 weist zwei im wesentlichen symmetrische Kernhälften auf, und zwar eine erste Kernhälfte mit einer Basisplatte 47, einem Außenring 48, zwei Zwischenringen 49, 50 und einem Innenzyiinder 51 sowie eine zweite Kernhälfte mit einer Basisplatte 52, einem Außenring 53, zwei Zwischenringen 54, 55 und einem Innenzylinder 56. Zwischen beiden Kernhälften ist ein Luftspalt 57 ausgebildet, so dass eine berührungsfreie Drehbeweglichkeit beider Kernhälften gegeneinander um eine gemeinsame, im Zentrum der Innenzylinder 51, 56 verlaufende Drehachse 58 gegeben ist.
Wie in der Schnittdarstellung nach Fig. 3 gut zu erkennen ist, werden durch die Außenringe 48, 53, die Zwischenringe 49 / 54, 50 / 55, die Innenzylinder 51 / 56 sowie die Basisplatten 47 / 52 drei separate und konzentrisch angeordnete, zur Aufnahme von (vorzugsweise jeweils spiralförmigen) Wicklungen geeignete, ringförmige Ausnehmungen begrenzt. Eine Befestigung der einzelnen Wicklungsabschnitte von Primärwicklung und Sekundärwicklung erfolgt dabei in kreisringförmigen Wicklungsträgern, welche jeweils aus einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen und an den Innenseiten der Basisplatten montiert sind. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen jeweils hülsenförmigen Wicklungsabschnitten verlaufen innerhalb der Wicklungsträger. Jede Wicklung weist zwei Wicklungsanschlüsse auf, welche über den Wicklungsträger und entsprechende Öffnungen in der Basisplatte nach außen geführt werden.
Ein der Primärwicklung zugeordneter äußerer Wicklungsträger 59 ist an der Basisplatte 47 der ersten Kernhälfte am Ort der äußeren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei Wicklungsabschnitte einer Primärwicklung, und zwar • einen äußeren Wicklungsabschnitt 62 • einen inneren Wicklungsabschnitt 63.
Ein der Primärwicklung zugeordneter mittlerer Wicklungsträger 60 ist an der Basisplatte 47 der ersten Kernhälfte am Ort der mittleren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei Wicklungsabschnitte einer Primärwicklung, und zwar • einen äußeren Wicklungsabschnitt 64 • einen inneren Wicklungsabschnitt 65. Ein der Primärwicklung zugeordneter innerer Wicklungsträger 61 ist an der Basisplatte 47 der ersten Kemhälfte am Ort der inneren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei Wicklungsabschnitte einer Primärwicklung, und zwar • einen äußeren Wicklungsabschnitt 66 • einen inneren Wicklungsabschnitt 67.
Ein der Sekundärwicklung zugeordneter äußerer Wicklungsträger 68 ist an der Basisplatte 52 der zweiten Kemhälfte am Ort der äußeren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 71 , 72 einer Sekundärwicklung.
Ein der Sekundärwicklung zugeordneter mittlerer Wicklungsträger 69 ist an der Basisplatte 52 der zweiten Kernhälfte am Ort der mittleren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 73, 74 einer Sekundärwicklung.
Ein der Sekundärwicklung zugeordneter innerer Wicklungsträger 70 ist an der Basisplatte 52 der zweiten Kemhälfte am Ort der inneren ringförmigen Ausnehmung befestigt und fixiert zwei unmittelbar benachbarte Wicklungsabschnitte 75, 76 einer Sekundärwicklung.
Wie in Fig. 3 gekennzeichnet sind die Stromrichtungen der sich direkt unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegenden Wicklungsabschnitte (welche abwechselnd der Primärwicklung und der Sekundärwicklung zugeordnet sind) 62 / 71 , 72 / 63, 64 / 73, 74 / 65, 66 / 75, 76 / 67 jeweils entgegengesetzt.
Zusätzliche Vorteile dieser Ausführungsform gemäß Fig. 3: • Es können auch mehrere galvanisch getrennte Primärwicklungen und Sekundärwicklungen vorgesehen sein, d. h. es ist die induktive Kopplung von mehreren Stromkreisen in ein und demselben Drehtransformator möglich. • Bezüglich des magnetischen Flusses ergibt sich eine verkürzte Weglänge, was die Verluste herabsetzt und somit den Wirkungsgrad steigert. • Es ist insgesamt weniger Kernmaterial zur Führung des magnetischen Flusses erforderlich. • Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 kann ein größeres Übersetzungsverhältnis primär / sekundär gewählt werden.
In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele mit einer Zentralbohrung im Kern dargestellt, und zwar entspricht Fig. 4 im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 5 im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 2.
In Fig. 4 ist ein Drehtransformator 77 zu erkennen, welcher eine erste Kernhälfte 78 und eine im wesentlichen symmetrisch hierzu ausgebildete zweite Kernhälfte 79 aufweist, wobei ein Luftspalt 80 zwischen beiden Kernhälften ausgebildet ist und eine Zentralbohrung 81 in den Kernhälften vorgesehen ist. In der ringförmigen Ausnehmung des Drehtransformators 77 befindet sich ein Wicklungssystem 82, bestehend aus Primärwicklung und Sekundärwicklung, wobei die Innenzylinder 4, 7 der Ausführungsform nach Fig. 1 durch Innenringe ersetzt sind, um die gewünschte Zentralbohrung 81 zu realisieren.
In Fig. 5 ist ein Drehtransformator 83 zu erkennen, welcher eine erste Kernhälfte 84 und eine zweite Kernhälfte 85 aufweist, wobei Luftspalte 86, 87 zwischen beiden Kernhälften ausgebildet sind und eine Zentralbohrung 88 in den Kernhälften vorgesehen ist. In der ringförmigen Ausnehmung des Drehtransformators 83 befindet sich ein Wicklungssystem 89, bestehend aus Primärwicklung und Sekundärwicklung, wobei der Innenzylinder 26 der Ausführungsform nach Fig. 2 durch einen Innenring ersetzt ist, um die gewünschte Zentralbohrung 88 zu realisieren.
Wenn vorstehend von Wicklungsabschnitten die Rede ist, kann ein Wicklungsabschnitt alternativ bestehen aus: • einer einzigen Windung oder • aus mehreren (zwei, drei, vier...) Windungen.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung ist prinzipiell frei wählbar.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärke über den einzelnen Wicklungsabschnitten. Betrachtet man zunächst das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 , so steigt die magnetische Feldstärke über dem Wicklungsabschnitt 11 von 0 auf den Maximalwert MAX, fällt über dem Wicklungsabschnitt 18 bzw. 19 auf 0 bzw. den Minimalwert MIN, steigt über dem Wicklungsabschnitt 12 bzw. 13 auf 0 bzw. MAX, fällt über dem Wicklungsabschnitt 20 bzw. 21 auf 0 bzw. MIN, steigt über dem Wicklungsabschnitt 14 bzw. 15 auf 0 bzw. MAX und fällt über dem Wicklungsabschnitt 22 auf 0. Ein identischer Verlauf der magnetischen Feldstärke ergibt sich über den Wicklungsabschnitten 33 - 40 - 41 - 34 - 35 - 42 - 43 - 36 - 37 - 44 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.
Selbstverständlich ergibt sich auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein gleichartiger Verlauf der magnetischen Feldstärke 0 - MAX - 0 - MIN - 0 - MAX - 0 - MIN - 0 - MAX - 0 - MIN - 0 über den einzelnen Wicklungsabschnitten 62 - 71 - 72 - 63 - 64 - 73 - 74 - 65 - 66 - 75 - 76 - 67.
Es ist leicht einzusehen, dass dieser bei allen Ausführungsbeispielen auftretende zickzackförmige Verlauf der magnetischen Feldstärke zwischen einem Maximalwert MAX und einem Minimalwert MIN aus der Tatsache resultiert, dass die Wicklungsabschnitte von Primärwicklung und Sekundärwicklung kammartig ineinander greifen, wobei der Stromfluss unmittelbar benachbarter Wicklungsabschnitte von Primärwicklung und Sekundärwicklung jeweils entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn man alle Wicklungsabschnitte der Primärwicklung nebeneinander anordnen würde sowie alle Wicklungsabschnitte der Sekundärwicklung ebenfalls nebeneinander anordnen würde und die derart gebildete Primärwicklung und Sekundärwicklung gegenüberliegend anordnen würde, wie dies in der EP 0 680 060 A1 vorgesehen ist, so wäre der Maximalwert der magnetischen Feldstärke einer derartig verteilten Wicklung um ein Vielfaches höher als der sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit kammartig ineinander greifenden Wicklungsabschnitten einstellende Maximalwert. Folglich wären einerseits die auftretenden Transformatorenverluste und andererseits das auftretende Streufeld um ein Vielfaches höher. Es ergäbe sich somit ein relativ geringer Wirkungsgrad des Drehtransformators.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wird beispielhaft davon ausgegangen, dass Primärwicklung und Sekundärwicklung des Drehtransformators für gleiche Leistung ausgeführt sind. Abweichend hiervon sind selbstverständlich Ausführungsformen realisierbar, bei denen die Sekundärwicklung des Drehtransformators mit geringerer Leistungsfähigkeit als die Primärwicklung und dementsprechend auch leichter ausgebildet ist, wenn sekundärseitig nur relativ geringe Leistungen produziert werden sollen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Kemhälfte des Sekundärteiles ganz entfallen. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Einsatz des Drehtransformators bei einem Roboter mit Werkzeugwechseleinrichtung von großem Vorteil. Eine Werkzeugwechseleinrichtung erlaubt die Montage verschiedenartiger Werkzeugarme am Roboterarm. Die verschiedenen Werkzeuge besitzen unterschiedliche Leistungsaufnahme. Die Sekundärseiten des Drehtransformators werden jeweils an den speziellen Leistungsbedarf des Werkzeuges angepasst, während die Primärseite des Drehtransformators für alle verschiedenen Werkzeuge (mit unterschiedlichem Leistungsbedarf) die gleiche bleibt.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wird davon ausgegangen, dass die Kernhälften jeweils einstückig ausgebildet sind. Abweichend hiervon ist es selbstverständlich auch möglich, die Kernhälften bzw. den Kern aus einzelnen Segmenten (beispielsweise in Form von "Kuchenstücken") zusammenzusetzen.
Bezuqszeichenliste 1 Drehtransformator 2 Basisplatte der ersten Kernhälfte 3 Außenring 4 Innenzylinder 5 Basisplatte der zweiten Kemhälfte 6 Außenring 7 Innenzylinder 8 Luftspalt 9 Drehachse 10 Wicklungsträger der ersten Kemhälfte 11 erster Wicklungsabschnitt der Primärwicklung 12 zweiter Wicklungsabschnitt 13 dritter Wicklungsabschnitt 14 vierter Wicklungsabschnitt 15 fünfter Wicklungsabschnitt 16 Wicklungsanschluss 17 Wicklungsträger der zweiten Kemhälfte 18 erster Wicklungsabschnitt der Sekundärwicklung 19 zweiter Wicklungsabschnitt 20 dritter Wicklungsabschnitt 21 vierter Wicklungsabschnitt 22 fünfter Wicklungsabschnitt 23 Wicklungsanschluss 24 Drehtransformator 25 Basisplatte der ersten Kernhälfte 26 Innenzylinder 27 Basisplatte der zweiten Kernhälfte 28 Außenring 29 Luftspalt 30 Luftspalt 31 Drehachse 32 Wicklungsträger der ersten Kemhälfte 33 erster Wicklungsabschnitt der Primärwicklung 34 zweiter Wicklungsabschnitt 35 dritter Wicklungsabschnitt 36 vierter Wicklungsabschnitt 37 fünfter Wicklungsabschnitt 38 Wicklungsanschluss 39 Wicklungsträger der zweiten Kemhälfte 40 erster Wicklungsabschnitt der Sekundärwicklung 41 zweiter Wicklungsabschnitt 42 dritter Wicklungsabschnitt 43 vierter Wicklungsabschnitt 44 fünfter Wicklungsabschnitt 45 Wicklungsanschluss 46 Drehtransformator 47 Basisplatte der ersten Kernhälfte 48 Außenring 49 Zwischenring Zwischenring
Innenzylinder
Basisplatte der zweiten Kernhälfte
Außenring
Zwischenring
Zwischenring
Innenzylinder
Luftspalt
Drehachse
Wicklungsträger der ersten Kernhälfte
Wicklungsträger
Wicklungsträger erster Wicklungsabschnitt der Primärwicklung zweiter Wicklungsabschnitt dritter Wicklungsabschnitt vierter Wicklungsabschnitt fünfter Wicklungsabschnitt sechster Wicklungsabschnitt
Wicklungsträger der zweiten Kernhälfte
Wicklungsträger
Wicklungsträger erster Wicklungsabschnitt der Sekundärwicklung zweiter Wicklungsabschnitt dritter Wicklungsabschnitt vierter Wicklungsabschnitt fünfter Wicklungsabschnitt sechster Wicklungsabschnitt
Drehtransformator erste Kernhälfte zweite Kernhälfte
Luftspalt
Zentralbohrung
Wicklungssystem
Drehtransformator erste Kernhälfte zweite Kernhälfte
Luftspalt
Luftspalt
Zentralbohrung
Wicklungssystem

Claims

Patentansprüche
1. Drehtransformator mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer hierzu drehbeweglichen Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet. • dass Primärwicklung und Sekundärwicklung in jeweils mindestens zwei separate Wicklungsabschnitte (11 , 12, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21 , 22, 33, 34, 35, 36, 37, 40, 41 , 42, 43, 44, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71 , 72, 73, 74, 75, 76) unterteilt sind, • wobei diese Wicklungsabschnitte kammartig ineinander greifen • und wobei der Stromfluss direkt unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegender Wicklungsabschnitte jeweils entgegengesetzt gerichtet ist.
2. Drehtransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wicklungsabschnitte (11 , 12, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21 , 22, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71 , 72, 73, 74, 75, 76) parallel zur Drehachse (9, 58) des Drehtransformators (1 , 46) erstrecken und hülsenförmig ausgebildet sind.
3. Drehtransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wicklungsabschnitte (33, 34, 35, 36, 37, 40, 41 , 42, 43, 44) senkrecht zur Drehachse (31) des Drehtransformators (24) erstrecken und kreisringförmig ausgebildet sind.
4. Drehtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander drehbewegliche Kernhälften vorgesehen sind, welche mindestens eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme von Primärwicklung und Sekundärwicklung bilden.
5. Drehtransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kernhälften im wesentlichen symmetrisch aufgebaut sind und jede Kernhälfte aus einer Basisplatte (2, 5, 47, 52) mit angeformtem Außenring (3, 6, 48, 53) und angeformtem Innenzylinder (4, 7, 51 , 56) oder angeformtem Innenring besteht.
6. Drehtransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatten (47; 52) mit mindestens einem angeformten Zwischenring (49, 50, 54, 55) versehen sind, um derart mehr als eine ringförmige Ausnehmung zu schaffen.
7. Drehtransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kernhälfte eine Basisplatte (25) mit angeformtem Innenzylinder (26) oder Innenring sowie die zweite Kemhälfte eine Basisplatte (27) mit angeformtem Außenring (28) aufweist.
8. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 5 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der einzelnen Wicklungsabschnitte (11 , 12, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21 , 22, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71 , 72, 73, 74, 75, 76) in kreisringförmigen Wicklungsträgern (10, 17, 59, 60, 61 , 68, 69, 70) erfolgt, welche an den Innenseiten der Basisplatten (2, 5) montiert sind.
9. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 5 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der.einzelnen Wicklungsabschnitte (33, 34, 35, 36, 37, 40, 41 , 42, 43, 44) in hülsenförmigen Wicklungsträgern (32, 39) erfolgt, welche an der Außenseite des Innenzylinders (26) oder Innenrings und an der Innenseite des Außenrings (28) montiert sind.
10. Drehtransformator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Wicklungsabschnitten (11 , 12, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21 , 22, 33, 34, 35, 36, 37, 40, 41 , 42, 43, 44, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71 , 72, 73, 74, 75, 76) in den Wicklungsträgern (10, 17, 32, 39, 59, 60, 61 , 68, 69, 70) verlaufen.
11. Drehtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungsanschlüsse (16, 23, 38, 45) über entsprechende Öffnungen in den Basisplatten (2, 5, 25, 27, 47, 52) nach außen geführt sind.
12. Drehtransformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungsabschnitt aus einer einzigen Windung besteht.
13. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungsabschnitt aus mehreren Windungen besteht.
14. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 4 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Zentralbohrung (81 , 88) in den Kernhälften vorgesehen ist.
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