DE10012981A1 - Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie und elektronischen Daten zwichen einer stationären und einer rotierenden Einheit - Google Patents
Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie und elektronischen Daten zwichen einer stationären und einer rotierenden EinheitInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Erfindung zur kontaktlosen induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer stationären A zu einer rotierenden Einheit B und zur zuverlässigen bidirektionale Übertragung von elektronischen Daten zwischen einer stationären A und einer rotierenden Einheit B. DOLLAR A Zur Kopplung zwischen stationärer A und rotierender Einheit B werden Spulen 1 verwendet, die in Ferritkörper 2, 3, 4, 5 eingebettet sind. Die Ferritkörper 4 und 5 auf der stationären Seite A sind als Teilringe ausgeführt, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und von elektrischen Daten jeweils in einem separaten Teilring erfolgt. Die Blindanteile der Ströme, die bei der Übertragung von elektrischer Energie Wärmeverluste verursachen, werden mit Hilfe von Kondensatoren 6 kompensiert. Damit kann die Schaltung 9 kompakt aufgebaut werden und es kann gleichzeitig genügende elektrische Energie übertragen werden, um z. B. einen mittelgroßen Elektromotor 7 zu betreiben bzw. eine komplexe elektronsiche Schaltung 8 mit Spannung zu versorgen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die kontaktlose Übertragung von
elektrischer Energie von einer stationären zu einer rotierenden Einheit und die zuverlässige
bidirektionale Übertragung von elektronischen Daten zwischen einer stationären und einer
rotierenden Einheit. Dabei muß die übertragbare elektrische Energie ausreichen, um auf der
rotierenden Seite z. B. einen mittelgroßen Elektromotor zu betreiben bzw. eine komplexe
elektronische Schaltung mit Spannung zu versorgen. Die übertragbare Datenrate muß
ausreichen, um die Steuerung von komplexen elektronischen Systemen auf der rotierenden
Seite zu gewährleisten. Des weiteren soll die Einrichtung kompakt sein und das bei
Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum seitlichen Werkzeugwechsel unterstützen.
Es ist bekannt, daß für die kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie eine
induktive bzw. eine kapazitive Kopplung zwischen Quelle und Senke verwendet werden kann.
Das induktive Ververfahren wird bereits verwendet bei der Übertragung von
elektrischer Energie von einer stationären zu einer, sich relativ dazu geradlinig bewegenden
Einheit (DE 44 12 957 A1).
Nachteilig an dieser Einrichtung ist, daß sie nur eine Translation der beweglichen
Einheit, nicht aber eine Rotation relativ zur stationären Einheit erlaubt.
Eine weitere bekannte Einrichtung (Präsentation der Firma GAUSS GmbH & Co KG
von COMBITRANS® am 15. Februar 2000 bei der Firma MAPAL, Aalen) kann die
kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie und elektronischen Daten zwischen einem
stationären und einem rotierenden System gewährleisten. Die Übertragung von elektrischer
Energie basiert hierbei auf dem Prinzip eines Transformators, bei dem Primär- und
Sekundärspule durch einen gemeinsamen Ferritkörper vom gleichen magnetischen Fluß
durchdrungen werden. Um Primär- (stationäre Einheit) und Sekundärseite (bewegliche
Einheit) gegeneinander rotieren zu können, ist der Ferritkörper zwischen beiden Spulen als
Doppelring mit je einem U-Profil ausgeführt. Zwischen beiden Ringen befindet sich ein
schmaler Luftspalt, der stationäre und rotierende Seite voneinander trennt.
Diese Einrichtung widerspricht jedoch der Forderung, den bei Werkzeugmaschinen
üblichen Verfahren zum Werkzeugwechsel zu unterstützen. Sie erlaubt keine seitliche
Zuführung des Werkzeuge an die Spannvorrichtung der Werkzeugaufnahme, da der
Ferritkörper der stationären Seite als Vollring im Verfahrweg der Werkzeugzuführung liegt.
Da dieses System mit einer kapazitiven Datenübertragung arbeitet, kann der Vollring aus
schaltungstechnischen Gründen nicht unterbrochen werden. Die Werkzeugzuführung kann bei
dieser Einrichtung nur von unten erfolgen, was den Werkzeugwechsel erheblich komplizierter
macht.
Eine ähnliche Lösung (Werbeblätter der Firma MESA Systemtechnik GmbH) für
kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie und elektronischen Daten basiert auf
induktiver Übertragung sowohl der Energie als auch der Daten. Dieses System erlaubt eine
Ausführung des Ferritkörpers auf stationärer Seite sowohl als Vollring als auch als Teilring.
Nachteilig an der Vollringausführung sind die oben genannten Probleme beim
Werkzeugwechsel.
Bei der Teilringausführung treten in der Sekundärspule (rotierende Einheit) hohe
Streuinduktivitäten (schlechte induktive Kopplung) auf, wodurch nur ein relativ geringer
Wirkungsgrad bei der Übertragung der elektrischen Energie erzielt werden kann. Die
übertragbare elektrische Energie reicht nur aus, um die Ansteuerelektronik für einen Sensor zu
versorgen, aber nicht, um einen mittelgroßen Motor (z. B. Werkzeugmaschinenmotor) zu
betreiben. Um bei diesem geringen Wirkungsgrad die erwünschte elektrische Energie zur
rotierenden Einheit übertragen zu können, wären in der Primärwicklung (stationäre Einheit)
hohe Ströme notwendig. Die damit verursachte hohe Verlustwärme würde einen kompakten
Aufbau der stationären Einheit verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur kontaktlosen
induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer stationären zur einer rotierenden
Einheit und einer zuverlässigen bidirektionale Übertragung von elektronischen Daten
zwischen einer stationären und einer rotierenden Einheit bereitzustellen. Dabei muß die
übertragbare Energie ausreichen, um auf der rotierenden Seite einen mittelgroßen
Elektromotor zu betreiben bzw. eine komplexe elektronische Schaltung mit Spannung zu
versorgen. Die übertragbare Datenrate muß ausreichen, um die Steuerung von komplexen
elektronischen Systemen auf der rotierenden Seite zu gewährleisten. Gleichzeitig muß die
Erfindung die Kompaktheit der Einrichtung und die Unterstützung der bei
Werkzeugmaschinen üblichen seitlichen Werkzeugzuführung ermöglichen.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 3.
Gemäß Anspruch 1 wird die Einrichtung für die kontaktlose induktive Übertragung
von elektrischer Energie von einer stationären zur einer rotierenden Einheit und die
Übertragung von elektronischen Daten zwischen einer stationären und einer rotierenden
Einheit folgendermaßen aufgebaut. Die Ferritkörper zur Kopplung zwischen stationärer und
rotierender Einheit sind auf der stationären Seite als Teilringe ausgeführt. Dies ist erforderlich,
um eine seitliche Werzeugzuführung zu erlauben. Die Teilringe verursachen eine geringe
Kopplung zwischen der stationären und rotierenden Einheit. Um die Möglichkeit zu haben,
mit Hilfe einer speziellen schaltungstechnischen Maßnahme die dadurch entstehenden
Wärmeverluste zu vermeiden, ohne die Übertragung der elektronischen Daten zu
beeinflussen, werden die elektronischen Daten und die elektrische Energie mittels getrennter
Teilringe übertragen.
Gemäß Anspruch 2 werden die Blindanteile der Ströme, die bei der Übertragung von
elektrischer Energie durch die Schaltungselemente der stationären Einheit fließen und die
Wärmeverluste verursachen, mit Hilfe von Kondensatoren kompensiert. Diese spezielle
schaltungstechnische Maßnahme wird in der elektrischen Schaltungstechnik
Blindleistungskompensation genannt. Aufgrund der geringen Wärmeverluste kann die
Schaltung kompakt aufgebaut werden und es kann gleichzeitig genügende elektrische Energie
übertragen werden, um z. B. einen mittelgroßen Elektromotor zu betreiben bzw. eine
komplexe elektronische Schaltung mit Spannung zu versorgen.
Um die rotierende Einheit möglichst klein zu halten, wird gemäß Anspruch 3 die
Blindleistungskompensation in der stationären Einheit durchgeführt.
Die Einzelheiten der Erfindung werden im nachfolgenden Ausführungsbeispiel anhand
der Fig. 1 und Fig. 2 erläutert.
Die Fig. 1 zeigt die Seitenansicht und die Fig. 2 die Draufsicht einer Schematischen
Darstellung der Einrichtung.
Die Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie und
elektronischen Daten zwischen einer stationären A und einer rotierenden Einheit B umfaßt die
Spulen 1 zur induktiven Übertragung von Energie und Daten. Diese Spulen sind eingebettet in
Ferritring 2 auf der rotierenden Einheit B für die Übertragung von elektrischer Energie,
Ferritring 3 auf der rotierenden Einheit B für die Übertragung von elektronischen Daten,
Ferritring 4 auf der stationären Einheit A für die Übertragung von elektrischer Energie und in
Ferritring 5 auf der stationären Einheit A für die Übertragung von elektronischen Daten. Die
Blindleistungskompensation, um die entstehende Verlustwärme zu verringern und eine
Kompaktheit der elektronischen Schaltung 9 in der stationären Einheit A zu ermöglichen,
erfolgt durch den Kondensator 5.
Die übertragene elektrische Energie wird benötigt, um den Elektromotor 7 und die
Elektronische Schaltung 8 in der rotierenden Einheit B, zu versorgen.
Fig.
1
Seitenansicht
Fig.
2
Draufsicht
A stationäre Einheit der Einrichtung
B rotierende Einheit der Einrichtung
A stationäre Einheit der Einrichtung
B rotierende Einheit der Einrichtung
1
Spulen zur induktiven Übertragung von Energie und Daten
2
Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektrischer Energie
3
Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektronischen Daten
4
Ferritring auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektrischer Energie
5
Ferritring auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektronischen Daten
6
Kondensator zur Blindleistungskompensation
7
Elektromotor
8
Elektronische Schaltung in der rotierenden Einheit
9
Elektronische Schaltung in der stationären Einheit
Claims (3)
1. Einrichtung zur kontaktlosen induktiven Übertragung von elektrischer Energie von einer
stationären Einheit A zu einer rotierenden Einheit B und zur Übertragung von
elektronischen Daten zwischen einer stationären Einheit A und einer rotierenden Einheit B
dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkörper 4 und 5 zur Kopplung zwischen stationärer
Einheit A und rotierender Einheit B auf der stationären Einheit A als Teilringe ausgeführt
sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und von elektronischen Daten jeweils
in einem getrennten Teilring erfolgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Übertragung von
elektrischer Energie eine Blindleistungskompensation 6 erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindleistungs
kompensation 6 in der stationären Einheit A durchgeführt wird.
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