WO2006100294A1 - Induktiver drehübertrager - Google Patents

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WO2006100294A1
WO2006100294A1 PCT/EP2006/060998 EP2006060998W WO2006100294A1 WO 2006100294 A1 WO2006100294 A1 WO 2006100294A1 EP 2006060998 W EP2006060998 W EP 2006060998W WO 2006100294 A1 WO2006100294 A1 WO 2006100294A1
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winding
data
energy
carrier
coil
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PCT/EP2006/060998
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French (fr)
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Rudolf Mecke
Christian Rathge
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Definitions

  • the invention relates to a device for non-contact energy and data transmission with two relatively rotatable carriers on which primary and secondary windings of a transformer are arranged.
  • Such a device is used for example for energy and data transmission between two mutually movable components.
  • Such component assemblies are found in particular in robotic applications, in which some of twist angle between components of a robot of 360 degrees and more required and are a data and or Ener ⁇ gieübertragung between these components is necessary.
  • Another example of a field of application of such a device is the energy and data transmission between the steering shaft and the steering column of a motor vehicle.
  • the cable used in the field of rotary joints have a very high flexibility having to wear and producti ⁇ onsaust to minimize. Therefore, an inductive non-contact energy and data transmission between relatively rotatably mounted parts is advantageous.
  • DE 199 14 395 A1 discloses an inductive transmitter for transmitting measured data and / or electrical energy between two mutually movable components, in particular between the steering spindle and the steering column of a vehicle, with a primary and a secondary transmission part.
  • a rotatable transformer for contactless signal transmission between a rotating and a stationary part of the transformer is known.
  • the Trans ⁇ formator includes various iron cores with different frequency characteristics.
  • the iron cores serve each for frequency-selective transmission of the signals, which improves the efficiency of data transmission and reduces the size of the transformer.
  • With the transformer both data signals and signals for electrical energy transmission between the rotating and the stationary part are transmitted.
  • the invention has the object of providing an inductive be ⁇ touchless energy and data transmission between two against each other rotating moving parts to enable, wherein the least possible interference of data transmission to be achieved by the energy transmission.
  • a device for contactless energy and data transmission with a primary winding arrangement arranged in a rotationally fixed manner on a first support and a secondary winding arrangement arranged non-rotatably on a second support, wherein the first and second supports are rotatable relative to each other and wherein the primary and Se
  • Each of the primary winding and the secondary winding arrangement has at least one data winding for inductive data transmission and at least one data winding of the data winding encloses at least one energy winding of the energy winding such that a first part of the data winding is connected to the winding sense Energywicklung is wound and a second part of the data winding is wound against the winding sense of the energy winding.
  • the invention is based on the finding that in the case of an arrangement of the data winding and energy winding on a common carrier, an interference of the data winding with the energy winding can be virtually eliminated if the windings of the data winding enclose the energy winding. With such an enclosure, however, the winding sense of the energy winding must be taken into account. Is the first part of the data winding with the winding sense of the energy conversion wound, so the second part of the data winding ent ⁇ wound against the winding sense of the energy winding. In this way, it is achieved that a voltage induced by the energy winding in the first part of the data winding is compensated by a second voltage component, which is induced by the energy winding in the second part of the data winding.
  • the data winding in relation to the energy winding such that magnetic field strength components generated by the energy winding compensate each other within a surface enclosed by the data winding such that almost no magnetic flux results within the area.
  • the compensation effect can be explained by the fact that the voltage induced in a data turn voltage is proportional to the time derivative of the magnetic flux within the area where these Since ⁇ tenwindung spans physika ⁇ lisch. If, within the surface, almost no magnetic flux results due to the desired compensation effect, then no voltage can be induced within the data winding which spans the relevant surface and thus no interference can be coupled in.
  • the above-described minimization of the magnetic flux within the area which is spanned by the data winding can be achieved, in particular, by arranging the energy winding essentially centrally between the first part of the data winding, which is wound with the winding sense of the energy winding and the second part of the data winding, which contrary to the winding sense of the energy wound.
  • This ensures that approximately half of the area enclosed by the data turn surface is penetrated by a magnetic field strength, which is directed against ⁇ set to the field strength, which passes through the other half of the enclosed area.
  • the field strength components of the two wing panels compensate and the result is the total area seen almost no magneti ⁇ shear flow. Due to the vanishing resulting magnetic flux no voltage can be induced even in the data winding and thus no interference from the energy winding into the data winding can be coupled.
  • a compact size of the device for non-contact power and data transmission can be achieved that primary and secondary winding assembly are each designed as a flat coil.
  • the first and the second carrier are rotationally symmetrical and arranged offset from each other axially and have a common axis of rotation.
  • the Common ⁇ me rotated in opposite directions are approximate shape.
  • the primary and secondary winding arrangement in the form of a flat coil is advantageous for minimizing the leakage flux to perform the first and second carrier as a ferrite mirror.
  • Ferrites are excellent as a core material for inductive transducers, as these due to their low electrical conductivity even at high frequencies only minimal current loss verursa ⁇ chen.
  • Apparatus for mounting in rotatable installations in particular for automation technology, the first carrier being connected to a stationary part of the installation is the and the second carrier is connected to a rotatable part of the system.
  • a robot having a rotatable gripping arm.
  • a rotation angle range of 0 to 360 ° or even more is required, over which the first carrier must be rotatable relative to the second carrier.
  • the first and second carrier are designed annular. By the annular design, the propeller shaft can be passed directly through the first and second carrier and thus through the device.
  • the first and second carrier are each divisible into a first and second sub-carrier, wherein the first and second sub-carrier in particular each having a semicircular recess. Due to the divisibility of the device, the transformer formed by the first and second carrier and the associated primary and secondary winding assemblies can be mounted on a propeller shaft without having to separate this propeller shaft. As a result, the installation and cost is significantly reduced. Due to the semicircular recesses, the part-carriers can be easily mounted around a cardan shaft.
  • the energy winding and the data winding each have a first and a second, in particular series-connected coil, wherein the first coil on the ers ⁇ th subcarrier and the second coil on the second Operaträ ⁇ ger are arranged.
  • Particularly advantageous in a derarti ⁇ gen winding arrangement is that even with a large win- tion number in the first and second coil only a cable connection between the two coils and thus between the two sub-carriers for the energy winding and one for the data winding are necessary.
  • the divisibility of the energy and data transmission can be achieved in that at least one first turn of the first coil within the first partial carrier and at least one second turn of the second coil within the second partial carrier are closed such that they respectively an inner winding part having an inner radius and an outer winding part having an outer radius which is larger than the inner radius, have.
  • the number of turns of the coils of a subcarrier is freely selectable and an optimal transmission behavior adjustable (separately for the energy and data transmission).
  • FIG. 2 shows a plan view of the first flat coil arrangement for contactless energy and data transmission
  • FIG. 3 shows an energy conductor piece and an integration path for an induced electric field strength
  • FIG. 6 shows a fourth flat coil arrangement with two data windings and FIG. 7 shows a divisible flat coil arrangement.
  • 1 shows a sectional view of a first coil arrangement for contactless energy and data transmission comprising a first carrier 5, on which a primary winding arrangement is arranged rotationally fixed, and a second carrier 6, on which a secondary winding assembly 2 is arranged rotationally fixed.
  • the flat coil arrangement shown is used beispielswei ⁇ se for inductive energy and data transmission in a robot with a rotatable joint.
  • the first carrier 5 is connected to a fixed part of the robot and the second carrier 6 is connected to a rotatably mounted relative to the first part of the robot part.
  • the first and second carrier 5, 6 are annular and mounted on the rotary joint ⁇ joint of the robot.
  • the Primärwicklungsan- order 1 has a primary-side energy winding 3a, which is fed for example by a power converter and generates a field which couples into a secondary-side energy ⁇ winding 3b, which is part of the Sekundärwick ⁇ lungsanssen 2. In this way, it is possible to transfer energy via the rotary joint of the robot without a wear-prone cable connection zu ⁇ ⁇ conditions.
  • the flat depicted coil assembly makes a contactless inductive data transmission between ⁇ the rotatably mounted parts of the robot.
  • the primary winding arrangement 1 a primary-side winding data 4a and the secondary winding arrangement, a secondary-side winding 4b data, wherein a signal generated by the primary end term data winding 4a magnetic field in the se data ⁇ kundär worne winding 4b couples.
  • the first and second carriers 5, 6 and the primary winding assembly 1 and the secondary winding assembly 2 are made rotationally onssymmetrisch, offset axially and have a ge ⁇ my same axis of rotation 7. Such an embodiment is particularly advantageous for mounting on a pivot shaft.
  • the first and second carriers 5, 6 are also annular shaped and have a saving in the area of the axis of rotation 7. The saving is used to carry out the pivot shaft of the robot.
  • the winding arrangements show that a conductor of the primary-side energy winding 3a is surrounded on both sides by a conductor of the primary-side data winding 4a. This, as well as the following consideration applies analogously to the secondary side, since the basic structure of primary and secondary winding assembly 1,2 is the same.
  • Each conductor of the primary-side energy winding 3a is arranged substantially centrally between the two conductors of the primary-side data winding 4a.
  • the winding direction of the primary-side data winding 4a opposite to the one side of the head of primärseiti ⁇ gen power winding 3a to the winding direction of the primary-side data winding being oriented on the other side of the primary-side power winding 3a 4a.
  • FIG. 2 shows a plan view of the first coil arrangement for contactless energy and data transmission. Since the winding concepts of the primary and secondary winding arrangements will generally not differ, only one side of the transformer is illustrated here, which has both the primary-side winding arrangement and the secondary-side winding arrangement. arrangement.
  • FIG. 2 shows that one turn of the energy winding 3 is surrounded on both sides by a conductor of a data winding of the data winding 4. In the case of a current flowing through the data winding, the current direction within the data link adjacent to the energy bonding is in each case opposite. Through this type of winding a Kompensa ⁇ tion effect is achieved within the data turn of the induced voltages, which will be illustrated with reference to FIG. 3
  • FIG. 3 shows an energy conductor piece 10 and an integration path 11 for an induced electric field strength.
  • the integration path 11 Through the integration path 11, a rectangular area is spanned, in which the energy conductor piece 10 forms an axis of symmetry.
  • a current direction is indicated by an arrow.
  • Such flow direction creates a magnetic field strength of the energy conductor ⁇ piece is right directed into the plane 10 and to the left of the energy conductor portion 10 protrudes from the plane of the drawing.
  • the set of the integration path 11 ⁇ is biased, thus the field strength of play compensate the right of the energy conductor portion 10 with which the left of the Ener ⁇ gieleiter Cultures 10 so that within the plane spanned by the integration path 11 area results no magnetic flux. It follows that the induced voltage within a half of a conductor loop marked by the integration path 11 is just zero.
  • the arrangement of the integration ⁇ onsweges 11 with respect to the energy conductor piece 10 further marked just the arrangement of the data winding in relation to the energy winding in the FIG 1 and FIG 2 Darge ⁇ presented embodiments of the device according to the invention.
  • the winding numbers one was assumed both for the energy winding and for the data winding.
  • other embodiments of the energy winding and data winding are possible and encompassed by the invention.
  • a data winding 4 is wound in relation to the energy winding 3 in such a way that in each case one conductor of a data winding of the data winding 4 with and one conductor of the data winding opposite to the winding sense of FIG Energywicklung 3 is arranged. In this way, two turns of the energy winding 3 each lie between two conductors of the data winding. Also in the embodiment illustrated here, the desired compensation effect of the magnetic field strength within the data winding 4 is achieved.
  • FIG 5 shows a third flat coil arrangement with two Ener ⁇ giewindungen a power coil 3. Also in this case is the number of turns of data coil 4, as it did at the considered in FIG 4 arrangement one. In this case, however, the data winding 4 is wound in such a way that between only one energy connection of the energy winding 3 is arranged between a forward and a return conductor of a data winding of the data winding 4. Also in this case, the ge ⁇ desired compensation effect of the induced electric field strength, which is caused by the heat generated by the energy winding 3 magnetic field strength is achieved.
  • the data winding 4 shows a fourth flat coil arrangement with two data windings of a data winding 4.
  • the number of turns of an energy winding 3 is one.
  • the Darge ⁇ put turn of the energy winding 3 on either side of two conductors of the data winding 4 surrounded.
  • the field strength components induced by the energy winding 3 compensate each other within the data windings of the data winding 4.
  • an interference of the data winding 4 by the energy winding 3 can also be largely excluded here.
  • FIG. 7 shows a divisible flat coil arrangement which is intended for inductive non-contact power and data transmission.
  • a flat coil arrangement is arranged at ⁇ play, to a separable annular support.
  • the Flachspu ⁇ shown can lena order very easily on a pivot shaft of a robot insbesonde- be mounted re. Due to the divisibility of the flat coil arrangement of the transformer can be mounted directly on the propeller shaft without having to dismantle it before.
  • the flat coil arrangement illustrated has a te ers ⁇ coil assembly 8 consisting of a power winding 3 and a coil 4 on data and a second voltage Spulenanord ⁇ 9, which also has a power winding 3 and a data ⁇ winding 4 has.
  • the first and second coil arrangement 8, 9 is connected to one another only by a cable connection for the energy winding 3 and a cable connection for the data winding 4. Even with a much higher number of windings for the first and second coil arrangement 8,9, only one connection would be necessary for the data and energy winding 3,4.
  • the divisible flat coil arrangement is characterized in that the first coil arrangement 8 is connected in series with the second coil arrangement 9, wherein the coil arrangements 8,9 are in turn wound in such a way that at least one data winding of the data winding 4 converts at least one energy gap of the energy winding 3 in such a way. concludes that a first part of the data winding is wound with the winding sense of the energy winding 3 and a second part of the data winding is wound against the winding sense of the energy winding 3.
  • All flat coil arrangements shown in the figures have the advantage that 4 separate windings are provided for the energy winding 3 and the data winding ⁇ .
  • the power winding 3 for optimum inductive energy transfer between the Primärwicklungsanord ⁇ may voltage and the secondary winding arrangement can be optimized and the data winding 4 for optimal inductive übertra ⁇ movement between the first and second support or between the primary winding arrangement and the secondary winding arrangement.
  • the inventive arrangement of the data winding 4 with respect to the energy winding 3 ensures that the magnetic field of the energy winding 3 induces almost no voltage within the data windings of the data winding 4 and thus exerts no interference on the data transmission.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

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

Description

Beschreibung
Induktiver Drehübertrager
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit zwei relativ zueinander verdrehbaren Trägern, auf denen primär- und sekundärseitige Wicklungen eines Übertragers angeordnet sind.
Eine derartige Vorrichtung kommt beispielsweise zur Energie- und Datenübertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen zum Einsatz. Derartige Bauteilanordnungen finden sich insbesondere in Robotikanwendungen, bei denen teilweise Verdrehungswinkel zwischen Komponenten eines Roboters von 360 Grad und mehr gefordert sind und eine Daten- und oder Ener¬ gieübertragung zwischen diesen Komponenten notwendig ist. Ein weiteres Beispiel für ein Anwendungsgebiet einer derartigen Vorrichtung ist die Energie- und Datenübertragung zwischen Lenkspindel und Lenksäule eines Kraftfahrzeugs.
Bei einer leitungsgebundenen Energie- bzw. Datenübertragung müssen die verwendeten Kabel im Bereich der Drehgelenke eine sehr hohe Flexibilität aufweisen um Verschleiß und Produkti¬ onsausfälle möglichst gering zu halten. Vorteilhaft ist daher eine induktive berührungslose Energie- und Datenübertragung zwischen relativ zueinander drehbar gelagerten Teilen.
Aus DE 199 14 395 Al ist ein induktiver Übertrager zur Übertragung von Messdaten und/oder elektrischer Energie zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen, insbesondere zwischen der Lenkspindel und der Lenksäule eines Fahrzeugs, mit einem primären und einem sekundären Übertragungsteil bekannt.
Aus EP 0 510 926 A2 ist ein drehbarer Transformator zur kon- taktlosen Signalübertragung zwischen einem rotierenden und einem stationären Teil des Transformators bekannt. Der Trans¬ formator umfasst verschiedene Eisenkerne mit verschiedenen Frequenzcharakteristiken. Die Eisenkerne dienen jeweils zur frequenzselektiven Übertragung der Signale, wodurch die Effizienz der Datenübertragung verbessert und die Größe des Transformators reduziert wird. Mit dem Transformator werden sowohl Datensignale als auch Signale zur elektrischen Ener- gieübertragung zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil übertragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine induktive be¬ rührungslose Energie- und Datenübertragung zwischen zwei ge- geneinander drehbeweglichen Komponenten zu ermöglichen, wobei eine möglichst geringe Störbeeinflussung der Datenübertragung durch die Energieübertragung erzielt werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur berüh- rungslosen Energie- und Datenübertragung mit einer auf einem ersten Träger drehfest angeordneten Primärwicklungsanordnung und einer auf einem zweiten Träger drehfest angeordneten Sekundärwicklungsanordnung, wobei der erste und zweite Träger gegeneinander verdrehbar sind und wobei die Primär- und Se- kundärwicklungsanordnung jeweils mindestens eine Energiewicklung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie aufweisen, wobei Primär- und Sekundärwicklungsanordnung jeweils mindestens eine Datenwicklung zur induktiven Datenübertragung aufweisen und mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Anordnung der Datenwicklung und Energiewicklung auf einen gemeinsamen Träger eine Störbeeinflussung der Datenwicklung durch die Energiewicklung nahezu eliminiert werden kann, wenn die Windungen der Datenwicklung die Energiewicklung umschließt. Bei einer derartigen Umschließung ist jedoch der Wicklungssinn der Energiewicklung zu beachten. Wird der erste Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewick- lung gewickelt, so muss der zweite Teil der Datenwindung ent¬ gegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt werden. Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass eine von der Energiewicklung in den ersten Teil der Datenwindung induzier- te Spannung durch einen zweiten Spannungsanteil, der von der Energiewindung in den zweiten Teil der Datenwindung induziert wird, kompensiert wird.
Da für Energie- und Datenübertragung jeweils ein eigener Übertrager verwendet wird, ist die Windungszahl für die induktive Datenübertragung unabhängig von der Windungszahl für die Energieübertragung wählbar. Somit können sowohl Energie- als auch Datenübertragungssystem unabhängig voneinander optimiert werden.
Um einen möglichst großen Kompensationseffekt zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Datenwicklung derartig in Bezug auf die Energiewicklung anzuordnen, dass von der Energiewicklung erzeugte magnetische Feldstärkeanteile sich innerhalb einer von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche derart kompensieren, dass innerhalb der Fläche nahezu kein magnetischer Fluss resultiert. Der Kompensationseffekt lässt sich physika¬ lisch dadurch erklären, dass die in einer Datenwindung induzierte Spannung proportional zur zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses innerhalb der Fläche ist, die diese Da¬ tenwindung aufspannt . Wenn nun innerhalb der Fläche durch den angestrebten Kompensationseffekt nahezu kein magnetischer Fluss resultiert, so kann auch innerhalb der Datenwindung, die die betreffende Fläche aufspannt, keine Spannung indu- ziert werden und somit keine Störung eingekoppelt werden.
Die oben beschriebene Minimierung des magnetischen Flusses innerhalb der Fläche, die von der Datenwicklung aufgespannt wird, lässt sich insbesondere dadurch erzielen, dass die E- nergiewindung im wesentlichen mittig zwischen dem ersten Teil der Datenwindung angeordnet ist, der mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist und dem zweiten Teil der Datenwindung, der entgegen dem Wicklungssinn der Energiewick- lung gewickelt ist. Hierdurch wird erreicht, dass etwa die Hälfte der von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche von einer magnetischen Feldstärke durchsetzt wird, die entgegen¬ gesetzt gerichtet zu der Feldstärke ist, die die andere Hälf- te der eingeschlossenen Fläche durchsetzt. Somit kompensieren sich die Feldstärkeanteile der beiden Flächenhälften und es resultiert auf die Gesamtfläche gesehen nahezu kein magneti¬ scher Fluss. Aufgrund des verschwindenden resultierenden magnetischen Flusses kann auch in der Datenwindung keine Span- nung induziert werden und somit keine Störung von der Energiewicklung in die Datenwindung eingekoppelt werden.
Eine kompakte Baugröße der Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung kann dadurch erzielt werden, dass Primär- und Sekundärwicklungsanordnung jeweils als Flachspule ausgeführt sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Träger rotationssymmetrisch ausge- führt und gegeneinander axial versetzt angeordnet und weisen eine gemeinsame Rotationsachse auf. Bei einer solchen Ausfüh¬ rungsform sind der erste und zweite Träger über die gemeinsa¬ me Rotationsachse gegeneinander verdrehbar.
Insbesondere bei einer Ausführung der Primär- und Sekundärwicklungsanordnung in Form einer Flachspule ist zur Minimierung des Streuflusses vorteilhaft, den ersten und zweiten Träger als Ferritspiegel auszuführen. Ferrite eignen sich hervorragend als Kernmaterial für induktive Übertrager, da diese aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit auch bei hohen Frequenzen nur geringe Wirbelstromverluste verursa¬ chen .
Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung der Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung ist die
Vorrichtung zur Montage in drehbeweglichen Anlagen, insbesondere für die Automatisierungstechnik vorgesehen, wobei der erste Träger mit einem feststehenden Teil der Anlage verbun- den ist und der zweite Träger mit einem drehbeweglichen Teil der Anlage verbunden ist. Als Beispiel kann hier ein Roboter genannt werden, der einen drehbeweglichen Greifarm aufweist. Hierbei wird teilweise ein Drehwinkelbereich von 0 bis 360° oder noch mehr gefordert, über den der erste Träger gegenüber dem zweiten Träger verdrehbar sein muss. Z.B. bei einer Anwendung der Vorrichtung im Bereich der Robotik, bei der eine Energie- und Datenübertragung zwischen gegeneinander verdrehbaren Bauteilen realisiert werden soll, bietet es sich an, die Vorrichtung direkt auf eine entsprechende Gelenkwelle zu montieren. Bei einer solchen Ausführungsform ist es zweckmäßig, dass der erste und zweite Träger ringförmig ausgeführt sind. Durch die ringförmige Ausführung kann die Gelenkwelle direkt durch den ersten und zweiten Träger und somit durch die Vorrichtung hindurchgeführt werden.
Insbesondere dann, wenn die Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung bei einer bestehenden Anordnung gegeneinander verdrehbarer Bauteile nachgerüstet werden soll, ist es zweckmäßig, wenn der erste und zweite Träger jeweils in einen ersten und zweiten Teilträger teilbar sind, wobei der erste und zweite Teilträger insbesondere jeweils eine halbkreisförmige Aussparung aufweisen. Durch die Teilbarkeit der Vorrichtung kann der durch den ersten und zweiten Träger und die zugehörigen Primär- und Sekundärwicklungsanordnungen gebildeten Übertrager auf eine Gelenkwelle montiert werden, ohne hierzu diese Gelenkwelle auftrennen zu müssen. Hierdurch wird der Montage- und Kostenaufwand erheblich reduziert. Durch die halbkreisförmigen Aussparungen können die Teilsträ- ger sehr leicht um eine Gelenkwelle herum angebracht werden.
Bei einem derartigen teilbaren Übertrager ist es besonders vorteilhaft, wenn die Energiewicklung und die Datenwicklung jeweils eine erste und eine zweite, insbesondere in Reihe ge- schaltete Spule aufweisen, wobei die erste Spule auf dem ers¬ ten Teilträger und die zweite Spule auf dem zweiten Teilträ¬ ger angeordnet sind. Besonders vorteilhaft bei einer derarti¬ gen Wicklungsanordnung ist, dass auch bei einer großen Win- dungszahl in der ersten und zweiten Spule lediglich eine Kabelverbindung zwischen den beiden Spulen und somit zwischen den beiden Teilträgern für die Energiewicklung und eine für die Datenwicklung notwendig sind.
Insbesondere bei rotationssymmetrischen ringförmigen Übertragern kann die Teilbarkeit der Energie- und Datenübertragung dadurch erreicht werden, dass mindestens eine erste Windung der ersten Spule innerhalb des ersten Teilträgers und mindes- tens eine zweite Windung der zweiten Spule innerhalb des zweiten Teilträgers derart geschlossen sind, dass sie jeweils einen inneren Windungsteil mit einem Innenradius und einen äußeren Windungsteil mit einem Außenradius, der größer als der Innenradius ist, aufweisen. Dadurch ist die Windungszahl der Spulen eines Teilträgers frei wählbar und ein optimales Übertragungsverhalten einstellbar (separat für die Energie- und Datenübertragung) . Für die Verbindung der Spulen auf den Teilträgern ist für die Energiewicklung und für die Datenwicklung jeweils nur eine Kabelverbindung nötig.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Flachspulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung, FIG 2 eine Draufsicht der ersten Flachspulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung, FIG 3 ein Energieleiterstück und ein Integrationsweg für eine induzierte elektrische Feldstärke,
FIG 4 eine zweite Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen,
FIG 5 eine dritte Flachspulenanordnung mit zwei Energiewin- düngen,
FIG 6 eine vierte Flachspulenanordnung mit zwei Datenwindungen und FIG 7 eine teilbare Flachspulenanordnung. FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Spulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung umfassend einen ersten Träger 5, auf dem eine Primärwicklungsanordnung drehfest angeordnet ist, und einen zweiten Träger 6, auf dem eine Sekundärwicklungsanordnung 2 drehfest angeordnet ist. Die dargestellte Flachspulenanordnung wird beispielswei¬ se zur induktiven Energie- und Datenübertragung bei einem Roboter mit einem drehbaren Gelenk eingesetzt. Beispielsweise ist hierbei der erste Träger 5 mit einem feststehenden Teil des Roboters verbunden und der zweite Träger 6 mit einem drehbar gegenüber dem ersten Teil des Roboters gelagerten Teil verbunden. In einer solchen Anwendung werden der erste und zweite Träger 5, 6 ringförmig ausgeführt und auf der Dreh¬ gelenkwelle des Roboters angebracht. Die Primärwicklungsan- Ordnung 1 weist eine primärseitige Energiewicklung 3a auf, die beispielsweise von einem Stromrichter gespeist wird und ein Feld erzeugt, welches in eine sekundärseitige Energie¬ wicklung 3b einkoppelt, die Bestandteil der Sekundärwick¬ lungsanordnung 2 ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, Energie über das Drehgelenk des Roboters zu übertragen, ohne hierbei eine verschleißanfällige Kabelverbindung zu benöti¬ gen .
Neben der Energieübertragung leistet die dargestellte Flach- spulenanordnung auch eine berührungslose induktive Datenüber¬ tragung zwischen den drehbar gelagerten Teilen des Roboters. Hierzu weisen Primärwicklungsanordnung 1 eine primärseitige Datenwicklung 4a und Sekundärwicklungsanordnung eine sekundärseitige Datenwicklung 4b auf, wobei ein von der primärsei- tigen Datenwicklung 4a erzeugtes magnetisches Feld in die se¬ kundärseitige Datenwicklung 4b einkoppelt.
Der erste und zweite Träger 5, 6 sowie die Primärwicklungsanordnung 1 und die Sekundärwicklungsanordnung 2 sind rotati- onssymmetrisch ausgeführt, axial versetzt und weisen eine ge¬ meinsame Rotationsachse 7 auf. Eine derartige Ausführung ist insbesondere für eine Montage auf einer Drehgelenkwelle vor¬ teilhaft. Der erste und zweite Träger 5,6 sind ferner ring- förmig ausgeführt und weisen eine Einsparung im Bereich der Rotationsachse 7 auf. Die Einsparung dient zur Durchführung der Drehgelenkwelle des Roboters.
Die Wicklungsanordnungen zeigen, dass ein Leiter der primär- seitigen Energiewicklung 3a zu beiden Seiten von einem Leiter der primärseitigen Datenwicklung 4a umgeben ist. Dies, wie auch die folgende Betrachtung gelten in analoger Weise für die Sekundärseite, da der prinzipielle Aufbau von Primär- und Sekundärwicklungsanordnung 1,2 gleich ist.
Jeder Leiter der primärseitigen Energiewicklung 3a ist im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Leitern der primärseitigen Datenwicklung 4a angeordnet. Insbesondere ist hierbei zu beachten, dass der Wicklungssinn der primärseitigen Datenwicklung 4a auf der einen Seite des Leiters der primärseiti¬ gen Energiewicklung 3a entgegengesetzt dem Wicklungssinn der primärseitigen Datenwicklung 4a auf der anderen Seite der primärseitigen Energiewicklung 3a orientiert ist. Bei einer stromdurchflossenen primärseitigen Energie- und Datenwicklung 3a, 4a bedeutet dies, dass ein Leiter der primärseitigen Energiewicklung 3a linksseitig von einem Leiter der primärseitigen Datenwicklung 4a benachbart ist, dessen Strom in dieselbe Richtung fließt wie die des Energieleiters, wobei auf der an- deren Seite des Energieleiters die Stromrichtung innerhalb des Datenleiters entgegengesetzt der Stromrichtung des Ener¬ gieleiters ist. Hierdurch werden in den Datenleitern rechts und links des Energieleiters entgegengesetzt gerichtete Span¬ nungen induziert die sich innerhalb einer Datenwindung aufhe- ben . Diese Wicklungsanordnung wird auch anhand der FIG 2 noch einmal veranschaulicht.
FIG 2 zeigt eine Draufsicht der ersten Spulenanordnung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung. Da sich die Wicklungskonzepte der Primär- und Sekundärwicklungsanordnung im Allgemeinen nicht unterscheiden werden, ist hier nur eine Seite des Übertrager dargestellt, die sowohl die primärseiti- ge Wicklungsanordnung als auch die sekundärseitige Wicklungs- anordnung darstellen kann. FIG 2 zeigt, dass eine Windung der Energiewicklung 3 zu beiden Seiten von einem Leiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 umgeben ist. Bei einer strom- durchflossenen Datenwindung ist die Stromrichtung innerhalb der die Energiewindung benachbarten Datenleiter jeweils entgegengesetzt. Durch diese Art der Wicklung wird ein Kompensa¬ tionseffekt der induzierten Spannungen innerhalb der Datenwindung erreicht, der anhand der FIG 3 verdeutlicht werden soll .
FIG 3 zeigt ein Energieleiterstück 10 und einen Integrations¬ weg 11 für eine induzierte elektrische Feldstärke. Durch den Integrationsweg 11 wird eine rechteckige Fläche aufgespannt, bei der das Energieleiterstück 10 eine Symmetrieachse bildet.
Für das Energieleiterstück 10 ist eine Stromrichtung durch einen Pfeil gekennzeichnet. Eine solche Stromrichtung erzeugt eine magnetische Feldstärke, die rechts des Energieleiter¬ stücks 10 in die Zeichenebene hineingerichtet ist und links des Energieleiterstücks 10 aus der Zeichenebene herausragt. Innerhalb der Fläche, die von dem Integrationsweg 11 aufge¬ spannt wird, kompensieren sich somit die Feldstärkeanteile rechts des Energieleiterstücks 10 mit denen links des Ener¬ gieleiterstücks 10, so dass innerhalb der durch den Integra- tionsweg 11 aufgespannten Fläche kein magnetischer Fluss resultiert. Daraus folgt, dass die induzierte Spannung inner¬ halb einer durch den Integrationsweg 11 gekennzeichneten Leiterschleife gerade Null ergibt. Die Anordnung des Integrati¬ onsweges 11 in Bezug auf das Energieleiterstück 10 kennzeich- net ferner gerade die Anordnung der Datenwicklung in Bezug auf die Energiewicklung bei den in FIG 1 und FIG 2 darge¬ stellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dies zeigt, dass bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wicklungsanordnungen keine Spannung von der Energiewicklung in die Datenwicklung induziert wird. Hierdurch wird erreicht, dass innerhalb der Datenwicklung keine Störbeeinflussung durch die Energiewicklung zu erwarten ist. Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Wicklungsanordnungen mit einer Flachspulenanordnung wurde jeweils die Windungszahl Eins sowohl für die Energiewicklung als auch für die Datenwicklung vorausgesetzt. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der Energiewicklung und der Datenwicklung möglich und von der Erfindung umfasst.
FIG 4 zeigt eine zweite Flachspulenanordnung mit zwei Energiewindungen einer Energiewicklung 3. In diesem Fall wird ei- ne Datenwicklung 4 in Bezug auf die Energiewicklung 3 derart gewickelt, dass jeweils ein Leiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 mit und ein Leiter der Datenwindung entgegen des Wicklungssinns der Energiewicklung 3 angeordnet ist. Auf diese Art und Weise liegen zwischen zwei Leitern der Daten- windung jeweils zwei Windungen der Energiewicklung 3. Auch bei der hier dargestellten Ausführungsform wird der gewünschte Kompensationseffekt der magnetischen Feldstärke innerhalb der Datenwicklung 4 erzielt.
FIG 5 zeigt eine dritte Flachspulenanordnung mit zwei Ener¬ giewindungen einer Energiewicklung 3. Auch in diesem Fall beträgt die Windungszahl einer Datenwicklung 4, wie auch schon bei der in FIG 4 betrachteten Anordnung Eins. In diesem Fall ist die Datenwicklung 4 jedoch derart gewickelt, dass zwi- sehen einem Hin- und einen Rückleiter einer Datenwindung der Datenwicklung 4 jeweils nur eine Energiewindung der Energiewicklung 3 angeordnet ist. Auch in diesem Fall wird der ge¬ wünschte Kompensationseffekt der induzierten elektrischen Feldstärke, die durch die von der Energiewicklung 3 erzeugte magnetische Feldstärke hervorgerufen wird, erzielt. Da sich jedoch bei einer derartig eng benachbarten Anordnung von Energieleitern entgegengesetzter Stromrichtung die durch die Energieleiter hervorgerufenen Teilmagnetfelder gegenseitig in horizontaler Richtung verdrängen, ist die Ausbreitung des Magnetfeldes in vertikaler Richtung (über den Luftspalt) relativ gering. Dadurch verringert sich die magnetische Kopp¬ lung zwischen Primär- und Sekundärseite für die Energieübertragung. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Datenwicklung 4 mit zwei Windungen auszuführen. FIG 6 zeigt eine vierte Flachspulenanordnung mit zwei Datenwindungen einer Datenwicklung 4. In dem hier dargestellten Fall beträgt die Windungs- zahl einer Energiewicklung 3 Eins. Hierbei ist die darge¬ stellte Windung der Energiewicklung 3 zu beiden Seiten von zwei Leitern der Datenwicklung 4 umgeben. Auch hier kompensieren sich wiederum die durch die Energiewicklung 3 induzierten Feldstärkeanteile innerhalb der Datenwindungen der Datenwicklung 4. Somit kann auch hier eine Störbeeinflussung der Datenwicklung 4 durch die Energiewicklung 3 weitgehend ausgeschlossen werden.
FIG 7 zeigt eine teilbare Flachspulenanordnung, die zur in- duktiven berührungslosen Energie- und Datenübertragung vorgesehen ist. Eine derartige Flachspulenanordnung wird bei¬ spielsweise auf einen teilbaren ringförmigen Träger angeordnet. Mit einem solchen Träger kann die dargestellte Flachspu¬ lenanordnung sehr leicht auf eine Drehgelenkwelle insbesonde- re eines Roboters montiert werden. Durch die Teilbarkeit der Flachspulenanordnung kann der Übertrager direkt auf die Gelenkwelle angebracht werden, ohne diese zuvor demontieren zu müssen. Die dargestellte Flachspulenanordnung weist eine ers¬ te Spulenanordnung 8 bestehend aus einer Energiewicklung 3 und einer Datenwicklung 4 auf sowie eine zweite Spulenanord¬ nung 9, die ebenfalls eine Energiewicklung 3 und eine Daten¬ wicklung 4 aufweist. Die erste und zweite Spulenanordnung 8,9 ist lediglich durch eine Kabelverbindung für die Energiewicklung 3 und eine Kabelverbindung für die Datenwicklung 4 mit- einander verbunden. Auch bei einer weitaus höheren Wicklungszahl für die erste und zweite Spulenanordnung 8,9 wäre ledig¬ lich jeweils eine Verbindung für die Daten- und Energiewicklung 3,4 notwendig. Die teilbare Flachspulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Spulenanordnung 8 in Reihe zu der zweiten Spulenanordnung 9 geschaltet ist, wobei die Spulenanordnungen 8,9 wiederum derartig gewickelt sind, dass mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung 4 mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung 3 derart um- schließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung 3 gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung 3 gewickelt ist.
Alle in den Figuren dargestellten Flachspulenanordnungen haben den Vorteil, dass für die Energiewicklung 3 und die Da¬ tenwicklung 4 separate Wicklungen zur Verfügung gestellt werden. Somit kann die Energiewicklung 3 für eine optimale in- duktive Energieübertragung zwischen der Primärwicklungsanord¬ nung und der Sekundärwicklungsanordnung optimiert werden und die Datenwicklung 4 für eine optimale induktive Datenübertra¬ gung zwischen dem ersten und zweiten Träger bzw. zwischen der Primärwicklungsanordnung und der Sekundärwicklungsanordnung. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Datenwicklung 4 in Bezug auf die Energiewicklung 3 erreicht, dass das magnetische Feld der Energiewicklung 3 nahezu keine Spannung innerhalb der Datenwindungen der Datenwicklung 4 induziert und somit keine Störbeeinflussung auf die Datenüber- tragung ausübt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung mit einer auf einem ersten Träger (5) drehfest angeord- neten Primärwicklungsanordnung (1) und einer auf einem zweiten Träger (6) drehfest angeordneten Sekundärwicklungsanord¬ nung (2), wobei der erste und zweite Träger (5,6) gegeneinander verdrehbar sind und wobei die Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Energiewicklung (3) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie aufweisen und wobei Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils mindestens eine Datenwicklung (4) zur induktiven Datenübertragung aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens eine Datenwindung der Datenwicklung (4) mindestens eine Energiewindung der Energiewicklung (3) derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwindung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Datenwicklung (4) derartig in Bezug auf die Ener¬ giewicklung (3) angeordnet ist, dass von der Energiewicklung (3) erzeugte magnetische Feldstärkeanteile sich innerhalb ei¬ ner von der Datenwindung eingeschlossenen Fläche derart kompensieren, dass innerhalb der Fläche nahezu kein magnetischer Fluss resultiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energiewindung im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten Teil der Datenwindung angeordnet ist, der mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist und dem zweiten Teil der Datenwindung, der entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung (3) gewickelt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Primär- und Sekundärwicklungsanordnung (1,2) jeweils als Flachspule ausgeführt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Träger (5, 6) rotationssymmetrisch ausgeführt und gegeneinander axial versetzt angeordnet sind und eine gemeinsame Rotationsachse (7) aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Träger (5, 6) als Ferritspiegel ausgeführt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Montage in drehbeweglichen Anlagen insbesondere für die Automatisierungstechnik vorgesehen ist, wobei der erste Träger (5) mit einem feststehenden Teil der Anlage verbunden ist und der zweite Träger (6) mit einem drehbeweglichen Teil der Anlage verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Träger (5,6) ringförmig ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Träger (5,6) jeweils in einen ers¬ ten und einen zweiten Teilträger teilbar sind, wobei der erste und zweite Teilträger insbesondere jeweils eine halbkreis¬ förmige Aussparung aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energiewicklung (3) und die Datenwicklung (4) jeweils eine erste und eine zweite insbesondere in Reihe ge¬ schaltete Spulen aufweisen, wobei die erste Spule auf dem ersten Teilträger und die zweite Spule auf dem zweiten Teil¬ träger angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, wobei mindestens eine erste Windung der ersten Spule inner¬ halb des ersten Teilträgers und mindestens eine zweite Win¬ dung der zweiten Spule innerhalb des zweiten Teilträgers der¬ art geschlossen sind, dass sie jeweils einen inneren Windungsteil mit einem Innenradius und einen äußeren Windungs¬ teil mit einem Außenradius, der größer als der Innenradius ist, aufweisen.
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