WO2013072373A1

WO2013072373A1 - Induktiver drehübertrager

Info

Publication number: WO2013072373A1
Application number: PCT/EP2012/072633
Authority: WO
Inventors: Harald Nehring; Richard Habering
Original assignee: Igus GmbH
Current assignee: Igus GmbH
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2014-05-14
Also published as: DE202011107803U1

Abstract

Ein induktiver Drehübertrager (100; 200; 300) zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale umfasst einen Kern mit einem ersten Kernteil (110; 210; 310) und einem zweiten Kernteil (120; 220; 320). Der eine Kernteil ist stationär und der andere Kernteil gegenüber dem stationären um eine Drehachse (A) rotierbar. Beide Kernteile sind aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt und haben mindestens eine Induktionswicklung (111, 121; 211-1, 211-2, 221; 311-1...311- 4, 321). Erfindungsgemäß ist einerseits vorgesehen, dass der erste Kernteil (110; 210; 310) zwei senkrecht zur Drehachse angeordnete und einander zugewandte Polflächen (112, 113; 212, 213) aufweist, welche im Betrieb jeweils magnetisch gegenpolig sind. Andererseits sieht die Erfindung vor, dass der zweite Kernteil (120; 220; 320) zwei senkrecht zur Drehachse angeordnete und voneinander abgewandte Polflächen (122, 123; 222, 223) aufweist, welche jeweils an einem der axial gegenüberliegenden, stirnseitigen Enden unter Bildung eines Luftspalts (102, 104; 202, 204) einer entsprechenden Polfläche des ersten Kernteils axial gegenüberliegen. Hierdurch wird erreicht, dass der zweite Kernteil (120; 220, 320) sich axial zwischen den einander zugewandten Polflächen (112, 113; 212, 213) des ersten Kernteils erstreckt.

Description

Induktiver Drehübertrager

Die Erfindung betrifft einen induktiven Drehübertrager (Engl, „rotary transformer" ) zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale zwischen relativ zueinander drehbaren Maschinen- oder Anlagenteilen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen induktiven

Drehübertrager mit einem zweiteiligen Kern, wobei ein

Kernteil feststehend bzw. stationär und der andere Kernteil um eine Drehachse endlos drehbar bzw. rotierbar ist und jeder Kernteil jeweils aus einem magnetisch permeablen

Material hergestellt ist und mindestens eine

Induktionswicklung aufweist. Induktive Drehübertrager, gelegentlich auch

Drehtransformatoren, Rotierübertrager oder etwas

unzutreffend kontaktlose Schleifringe genannt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden typischerweise gemäß einer von zwei verbreiteten Grundformen hergestellt. Eine der beiden Grundformen verwendet topfförmige Kernteile, welche sich mit ihren Polflächen bezüglich der Drehachse axial gegenüberliegen. Demnach verlaufen hierbei die

Magnetfeldlinien im Wesentlichen axial durch den Luftspalt zwischen den Polflächen. Eine besondere Form eines

derartigen induktiven Drehübertragers ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 01/88931 bekannt. Bei diesem Drehübertrager weist zumindest einer der beiden topfförmigen Kernteile eine spezielle Form auf, welche es ermöglicht, die Drehstellung des drehbaren Kernteils zu bestimmen. Bei der zweiten ebenfalls verbreiteten Grundform eines Drehübertragers liegen sich die beiden relativ zueinander drehbaren Kernteile als ringförmig ineinander gesetzte Ringe, ähnlich wie Wälzlagerschalen, mit ihren Polflächen radial gegenüber. Bei dieser Grundform ist der Verlauf der Magnetfeldlinien im ringförmigen Luftspalt somit im

Wesentlichen radial zur Drehachse. Ein solcher

Drehübertrager ist zur berührungslosen Energieübertragung, insbesondere für Hochspannungsanwendungen, beispielsweise aus der DE 10 2006 057 150 bekannt.

Eine eher ungewöhnliche Bauform eines Drehübertragers zur Übertragung von elektrischer Energie von stehenden auf drehende Maschinenteile ist aus der DE 103 14 282 bekannt. Hierbei liegen sich ein Stator mit Primärinduktionswicklung und ein Rotor mit Sekundärinduktionswicklung axial

gegenüber, ohne dass jedoch die typische Topfform der ersten Grundform verwendet wird.

Berührungslos sind aus physikalischen Gründen nur relativ geringe Leistungsspektren übertragbar. Berührungslose

Drehübertrager werden insbesondere für Anwendungen

bevorzugt, die geringen Verschleiß, Wartungsfreiheit

und/oder hohe Drehgeschwindigkeit fordern.

Handelsübliche Drehübertrager lassen sich nicht ohne

Weiteres zuverlässig bei relativ niedrigen Frequenzen, insbesondere bei Netzfrequenz von etwa 50 Hz, einsetzen. Zur Verringerung des magnetischen Widerstands des unvermeidbaren Luftspalts werden bekannte Drehübertrager typisch mit

Wechselspannungen hoher Frequenz, meist im Bereich von 20-30 kHz, betrieben. Dies erfordert entsprechende elektronische Frequenzumrichter, welche die Systemkosten erhöhen. Bekannte Drehübertrager, insbesondere deren Kernteile, sind zudem entsprechend der hohen Frequenz ausgelegt.

Hinzu kommt, dass aufgrund der Anordnungen bzw. Durchführungen der Induktionswicklungen an beiden Kernteile typischerweise eine gewisse Abhängigkeit der

Ausgangsspannung von der Drehzahl und/oder ein

Gegendrehmoment nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Besonders bei niedrigeren Frequenzen, die nicht um mehrere Größenordnungen über dem nominalen Drehzahlbereich liegen, ist zudem oft eine besonders robuste mechanische Lagerung des Drehteils erforderlich, um unerwünschte Schwingungen bedingt durch Wechselwirkung zwischen der Drehbewegung und dem Wechselfeld zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, eine Bauform für einen induktiven Drehübertrager vorzuschlagen, welche die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll eine kostengünstige Lösung bereitgestellt werden, welche niedrigfrequente

Wechselspannung zuverlässig und auch ohne elektronische Frequenzumsetzung mit möglichst geringen Verlusten

übert ägt .

Bei einem gattungsgemäßen induktiven Drehübertrager wird diese Aufgabenstellung bereits dadurch gelöst, dass am ersten Kernteil zwei im Betrieb magnetisch gegenpolige Polflächen senkrecht zur Drehachse angeordnet und einander zugewandt sind. Am zweiten Kernteil sind zwei ebenfalls senkrecht zur Drehachse angeordnete, jedoch voneinander abgewandte Polflächen vorgesehen. Diese abgewandte

Polflächen sind jeweils an einem der axial

gegenüberliegenden bzw. stirnseitigen Enden des zweiten Kernteils so vorgesehen, dass jede der abgewandten

Polflächen unter Bildung eines geringen Luftspalts jeweils einer entsprechenden Polfläche des ersten Kernteils axial gegenüberliegt. Demnach erstreckt sich der zweite Kernteil axial zwischen den einander zugewandten Polflächen des ersten Kernteils. Jede geeignete Geometrie der Kernteile mit entsprechender Ausrichtung der Polflächen ermöglicht bereits die Vermeidung eines drehzahlabhängigen Frequenzverhaltens der

Ausgangsspannung und unerwünschter Gegendrehmomente. Zudem wird in einfacher Bauweise eine effiziente Übertragung bei niedrigen Frequenzen ermöglicht. Welcher der beiden

Kernteile endlos drehbar und welcher feststehend ist, d.h. ob der erste Kernteil steht und der zweite dreht, oder umgekehrt ist hierbei prinzipiell unerheblich.

In einer besonders einfachen Ausführung, weist der erste Kernteil mindestens einen Bügel auf, welcher zwei durch einen Stegbereich verbundene Schenkel hat, an deren Enden die einander zugewandten Polflächen ausgebildet sind. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für geblechte Bauweise, welche kostengünstig und unlängst in der Trafo-Herstellung bewährt ist. Somit kann beispielweise ein feststehender erster Kernteil in Bauweise ähnlich der eines U-Kernteils in einem UI-Trafokern hergestellt werden. Anstatt eines

einzigen Bügels kann der erste Kernteil mehrere symmetrisch um die Drehachse angeordnete Bügel aufweisen, wobei an jedem Bügel, vorzugsweise am Stegbereich, eine jeweilige

Induktionswicklung vorgesehen ist. Letztere Ausführung ermöglicht es, im Inneren der Bügel quer zur Drehachse zusätzlichen Bauraum insbesondere für die Induktionswicklung und/oder die magnetische Querschnittsfläche des zweiten Kernteils zu gewinnen. Durch Erhöhung der wirksamen

magnetischen Querschnittsfläche am Luftspalt kann bspw.

dessen magnetischer Widerstand insgesamt verringert werden.

Alternativ oder ergänzend kann zur Gewinnung von Bauraum in Radialrichtung, bei einem Kernteil, auch mit lediglich einem Bügel, die Abmessung der Schenkel in Richtung quer zur

Drehachse deutlich größer sein als die Abmessung des

Stegbereichs in Richtung Drehachse. Obwohl für die Wirkweise physikalisch unerheblich ist, welcher der beiden Teile gegenüber dem Gestell der Anlage oder Maschine dreht oder fest steht, wird bevorzugt, dass der allgemein schwerer und größer bauende erste Kernteil stationär ist und somit der zweite Kernteil endlos drehbar gelagert ist. Der zweite Kernteil wird zweckmäßig

unmittelbar am ersten Kernteil oder zumindest gegenüber diesem drehbar gelagert, vorzugsweise mittels elektrisch isolierenden Gleit- oder Wälzlagern, insbesondere mittels aus Kunststoff gefertigten Drehlagern. Bevorzugt kann ein inneres Paar Wälzlager und ein äußeres Paar Gleitlager eingesetzt werden. Hierbei können die beiden inneren

Wälzlager vorzugsweise zur Aufnahme von Axialkräften am rotierbaren Kernteil ausgeführt sein.

Zur Durchführung von Anschlussleitungen ist

zweckmäßigerweise eine Hohlwelle drehfest am zweiten

Kernteil angebracht, welche koaxial zur Drehachse verläuft und an mindestens einer der beiden einander zugewandten Polflächen durch den ersten Kernteil hindurch führt. In einer mechanisch einfachen Ausführung ist die Hohlwelle an beiden zugewandten Polflächen jeweils durch den ersten Kernteil hindurch nach Außen geführt ist und beidseitig am ersten Kernteil drehbar gelagert. Auch hierbei erfolgt die Drehlagerung vorzugsweise mittels elektrisch isolierenden Gleit- oder Wälzlagern, insbesondere aus Kunststoff.

Zur zusätzlichen Übertragung weiterer Betriebsmedien, insbesondere Gasen und/oder Flüssigkeiten, kann an einem Ende der Hohlwelle eine Drehdurchführung zwischen den relativ zueinander drehbaren Maschinenteilen vorgesehen sein. Entsprechend kann die Hohlwelle auch mit einer optischen Drehdurchführung für optische Datenleitungen, etwa Glasfaserkabeln, ergänzt werden.

Zur kosteneffizienten Kombination elektrischer Daten- und Energie-Übertragung kann ein erstes Trägerfrequenz-Modem an die Induktionswicklung des ersten Kernteils und ein zweites Trägerfrequenz-Modem an die Induktionswicklung des zweiten Kernteils angeschlossen sein. Hierdurch kann eine

Übertragung von Daten zwischen den relativ zueinander drehbaren Maschinen- bzw. Anlagenteilen unter Ausbildung einer Trägerfrequenzanlage, vorzugsweise mittels preiswerten und bewährten PowerLAN- bzw. Powerline-Bridges realisiert werde .

In zweckmäßiger und einfacher Gestaltung ist der zweite Kernteil technisch (d.h. nicht im strikt geometrischen

Sinne) als Zylinderkörper ausgeführt, insbesondere mit

Kreisrunder Basis, so dass das Magnetfeld innerhalb des zweiten Kernteils zwischen den voneinander abgewandten

Polflächen stets näherungsweise, d.h. technisch parallel zur Drehachse verläuft. Zur Vermeidung von magnetisch bedingten bevorzugten Ausrichtungen und/oder Bremsmomenten kann der Zylinderkörper bzw. der zweite Kernteil aus einem

spiralförmig aufgewickelten Transformatorblech hergestellt sein .

Vorzugsweise wird der Zylinderkörper bzw. der zweite

Kernteil jedoch aus mindestens zwei Segmenten

zusammengefügt, welche geometrisch „horizontalen

Zylindersegmenten" entsprechen. Mit anderen Worten, diese Segmente werden durch Schneiden eines Zylinderkörpers entlang einer oder mehrerer zur Längsachse parallel

verlaufender Schnittebenen erzeugt. Dies ermöglicht es die Segmente jeweils aus mehreren parallel zur Drehachse

angeordneten Platten aus Elektro- bzw. Transformatorblech herzustellen und so zu verwenden, dass im zusammengefügten Zylinderkörper die Platten, in Richtung senkrecht zur

Drehachse gesehen, unterschiedlich ausgerichtet d.h.

gegeneinander winkelversetzt sind. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines induktiven Drehübertragers zur Übertragung von elektrischer Energie mit Wechselspannung bei einer Frequenz im Bereich von etwa 40- 60Hz, insbesondere bei Netzfrequenz, da sie eben eine solche Übertragung ohne Frequenzumstellung in den kHz-Bereich dennoch mit bemerkenswertem Wirkungsgrad ermöglicht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich, ohne Beschränkung des Schutzumfangs , aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren. Hierbei zeigen:

FIG.1A-1B: ein erstes Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drehübertragers in

schematischer Seitenansicht (FIG.1A) und in Draufsicht entlang der Drehachse (FIG.1B); FIG.2A-2B: ein zweites Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Drehübertragers in

schematischer Seitenansicht (FIG.2A) und in Draufsicht entlang der Drehachse (FIG.2B);

FIG.3: eine schematische Draufsicht entlang der

Drehachse eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehübertragers;

FIG.4: perspektivisch einen schematischen

Querschnitt durch einen drehbaren Kernteil für einen Drehübertrager gemäß FIG.1-3, wobei der Kernteil aus einem spiralförmig gewickelten

Transformatorblech hergestellt ist; und

FIG.5: perspektivisch einen schematischen

Querschnitt durch einen drehbaren Kernteil für einen Drehübertrager gemäß FIG.1-3, wobei der Kernteil aus mehreren Segmenten hergestellt ist, deren Kernbleche in Richtung senkrecht zur Drehachse unterschiedlich ausgerichtet sind .

In FIG.1A und FIG.1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehübertragers allgemein mit 100

bezeichnet. Der Drehübertrager 100 umfasst einen Kern zur Führung des magnetischen Felds (Φ: nicht abgebildet), welcher im Wesentlichen aus einem ersten Kernteil 110 und einem zweiten Kernteil 120 besteht. Die beiden Kernteile 110, 120 des Kerns sind aus magnetisch hochpermeablen

Material, beispielsweise aus ferromagnetischen Blechplatten, insbesondere aus Elektroblech, hergestellt. Die Kernteile 110, 120 und führen im Betrieb den magnetischen Kreis im Wesentlichen parallel zur Ebene gemäß FIG.1A in einem quasi geschlossenen Kreis. Der erste Kernteil 110 hat im

Ausführungsbeispiel nach FIG.1A-1B eine U-förmige bzw. ei förmige Geometrie und stellt somit einen Bügel dar mit zwei Schenkeln 114, 115, die durch einen Stegbereich 116

verbunden sind. Der Stegbereich 116 des ersten Kernteils 110 ist mit einer ersten Induktionswicklung 111 aus einer geeigneten Zahl Induktionswindungen umgeben, welche durch Induktion das magnetische Feld erzeugen bzw. aufgrund des magnetischen Felds eine Spannung in der Induktionswicklung 111 induzieren.

Der zweite Kernteil 120 des ferromagnetischen Kerns ist stirnseitig durch zwei Luftspalte 102, 104 vom ersten

Kernteil 110 getrennt und gegenüber diesem um eine Drehachse A endlos drehbar d.h. rotierbar angeordnet. Die Breite der Luftspalte 102, 104 ist so gering wie möglich gehalten vorzugsweise im Bereich von wenigen Zehntel Millimeter. Eine am zweiten Kernteil 120 befestigte und diesen umgebende weitere Induktionswicklung 121 ermöglicht die Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale von bzw. zur Induktionswicklung 111 am ersten Kernteil 110. Die elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Induktionswicklungen 111, 121 erfolgt somit grundsätzlich nach dem Prinzip eines Transformators mit Trafokern. Eine Spannungsumsetzung bzw. -transformation ist in der Regel nicht erwünscht, weshalb hier die Bezeichnung Drehübertrager bevorzugt wird. Die Funktion des zweiten Kernteils 120 entspräche jedoch bei einem Trafo mit UI-Bauform der des I- Teils .

Wie am besten aus FIG.1A ersichtlich, erstreckt sich der zweite Kernteil 120 axial entlang der Drehachse Ä zwischen den beiden Endbereichen der Schenkel 114, 115 des ersten Kernteils 110. Der zweite Kernteil 120 weist an seinen axial gegenüberliegenden bzw. stirnseitigen Enden entsprechend zwei voneinander abgewandte parallele Polflächen 122, 123 auf. Die beiden Polflächen 122, 123 verlaufen senkrecht zur Drehachse Ä an den stirnseitigen Enden des drehbaren zweiten Kernteils 120. Wie ferner am besten aus FIG.1A ersichtlich, liegen folglich diesen voneinander abgewandten Polflächen 122, 123 zwei einander zugewandte Polflächen 112, 113 an den Schenkeln 114, 115 des ersten Kernteils 110 gegenüber. Die einander zugewandten Polflächen 112, 113 des ersten

Kernteils 110 sind somit ebenfalls senkrecht zu Drehachse A angeordnet .

Durch Feldeinkopplung parallel zur Drehachse A an den gegenpoligen Polflächen 112, 122 bzw. 113, 123 wird somit einerseits vermieden, dass Kräfte quer zur Drehachse A elektromagnetisch erzeugt werden. Insbesondere wird

sichergestellt, dass bei der Drehung des zweiten Kernteils 120 Gegendrehmomente weitestgehend vermieden werden. Wie in FIG.1A-1B gezeigt, wird als zweiter Kernteil 120

vorzugsweise ein Zylinderkörper, insbesondere ein

näherungsweise kreiszylindrischer Körper verwendet, wodurch das Magnetfeld innerhalb des zweiten Kernteils 120 quasi vollständig parallel zur Drehachse A verläuft. Zudem wird durch das magnetische Feld an axial gegenüberliegenden gegenpoligen Polflächen 112, 122 bzw. 113, 123 der zweite Kernteil 120 quasi selbsttätig zwischen den beiden Schenkeln 114, 115 des ersten Kernteils 110 zentriert, so dass die Breite der Luftspalte 102, 104 gleich bleibt.

Wie weiter aus FIG.1A-1B ersichtlich, erfolgt die

mechanische Drehlagerung des rotierbaren zweiten Kernteils 120 unmittelbar am feststehenden ersten Kernteil 110. Die Drehlagerung erfolgt mittels elektrisch isolierenden bzw. galvanisch trennenden inneren und äußeren Drehlagern 130, 131, vorzugsweise aus Kunststoff. Zur drehbaren Lagerung ist weiter eine Hohlwelle 132 vorgesehen, an welcher der zweite Kernteil 120 koaxial und drehfest angebracht ist. Die

Hohlwelle 132 ist durch die Lager 130, 131 drehbar gelagert, so dass ihre Längsachse auch die Drehachse A definiert.

In der Ausführung gemäß FIG.1A-1B wird eine stabile Lagerung auf einfache Weise dadurch gewährleistet, dass die Hohlwelle 132 durch beide Schenkel 114, 115 hindurch nach außen geführt ist und durch Drehlager 130, 131 beidseitig am ersten Kernteil 110 gelagert ist. Hierbei werden

vorzugsweise als äußere Drehlager zwei Gleitlager 130 eingesetzt und als inneres Paar zwei Wälzlager 131

eingesetzt, bspw. Kugellager. Die Drehlager 130, 131 sind jeweils aus Kunststoff. Das innere Paar Wälzlager 131 dient vorzugsweise zur Aufnahme axialer Kräfte. Der rotierbare Kernteil 120 kann zudem durch Nuten in der Hohlwelle 132 zentriert werden. Die Hohlwelle 132 erlaubt auf einfache Weise das Durchführen von Anschlussleitungen, insbesondere der elektrischen Leitungen 124 der zweiten

Induktionswicklung 121 auf den bzw. die drehbaren Maschinenoder Anlagenkomponenten.

Wie in FIG.lA gezeigt kann an einem Ende der Hohlwelle 132 eine Drehdurchführung bzw. Drehkopplung 140 angebracht werden, mittels welcher gasförmige und/oder flüssige Betriebsmedien zwischen den relativ zueinander drehenden Vorrichtungskomponenten übertragen werden können. Die

Bauweise solcher Drehdurchführungen ist an sich bekannt und demnach hier nicht näher erläutert.

Weiter kann, wie in FIG.1A schematisch gezeigt, an der Anschlussleitung 118, 124 jeder Induktionswicklung 111, 121 jeweils ein Trägerfrequenz-Modem 140 an sich bekannter Bauart vorgesehen werden zur Übertragung von Daten zwischen den relativ zueinander drehbaren Vorrichtungskomponenten. Bei Verwendung des Drehübertragers 100 zur Übertragung von Netzspannung kann ohne Weiteres und auf kostengünstige Weise eine TFA nach dem sog. Powerline- oder PowerLAN Prinzip realisiert werden, etwa zum Datenaustausch mit

Aktoren/Sensoren auf der/den drehenden

Vorrichtungskomponente (n) .

FIG.2A-2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines

Drehübertragers, allgemein mit 200 bezeichnet. Bestandteile des Drehübertragers 200, deren Wirkweise bzw. Aufbau im Wesentlichen identisch zu jenen des Ausführungsbeispiels nach FIG.1A-1B ist, sind in FIG.2A-2B mit um hundert erhöhte Bezugszeichen bezeichnet. Nachfolgend wird zur Vereinfachung nur der wesentliche Unterschied der beiden

Ausführungsbeispiele erläutert.

Der Drehübertrager 200 weist einen feststehenden ersten Kernteil 210 mit in der Ebene der FIG.2A in etwa

rechteckiger Rahmenform auf. Der erste Kernteil 210 bildet demnach, wie in FIG.2B ersichtlich, zwei diametral

gegenüberliegende Bügel aus mit jeweils zwei Schenkeln 214, 215 und einem Stegbereich 216-1, 216-2. An edem der

Stegbereiche 216-1, 216-2 ist eine jeweilige

Induktionswicklung 211-1, 211-2 vorgesehen. Hierdurch kann die erforderliche Induktionswindungszahl am jeweiligen

Stegbereich 216-1, 216-2 im Wesentlichen halbiert werden, wodurch im Inneren zusätzlicher Bauraum gewonnen wird, insbesondere für die Induktionswicklung 221 am drehbaren zweiten Kernteil 220. Dies ermöglicht bei Bedarf,

insbesondere unter Beibehaltung einer vergleichbaren

Kernquerschnittsfläche des zweiten Kernteils 220, die

Verwendung einer Hohlwelle 232 mit größerem

Innendurchmesser, etwa für zusätzliche Anschlussleitungen zwischen den relativ drehenden Vorrichtungskomponenten.

Weitere Merkmale und Eigenschaften des Drehübertragers 200 entsprechen analog dem oben zu FIG.1A-1B Erläuterten.

In der Draufsicht nach FIG.3 ist schematisch beispielhaft ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehübertragers allgemein mit 300 bezeichnet. Zur weiteren Erhöhung des Induktionswicklungsraums um den drehbaren zweiten Kernteil 320 des magnetischen Kerns kann ein feststehender erster Kernteil auch mit vier kreuzförmig angeordneten Bügeln bzw. Stegbereichen 316-1 ... 316-4 und entsprechend vier

feststehenden Induktionswicklungen 311-1 ... 311-4

vorgesehen werden. Auch andere, vorzugsweise

rotationssymmetrische, Geometrien des ersten Kernteils sind möglich .

Bevor anhand der FIG.4 und FIG.5 mögliche Bauweisen des drehbaren zweiten Kernteils 120; 220; 320 näher erläutert werden, seien zunächst einige bemerkenswerte Vorteile und Wirkungen der vorgeschlagenen „Schenkelbauweise" für einen Drehübertrager 100; 200; 300 erläutert.

Unerwünschte Schwingungen und Gegendrehmomente am drehbaren Kernteil 120; 220; 320 werden vor allem dadurch vermieden, dass die Geometrie beider Kernteile 110, 120; 210, 220; 310, 320 sicherstellt, dass die Feldlinien des Magnetfelds durch die beiden Luftspalte 102, 204; 202, 204 und auch durch den zweiten Kernteil 120; 220; 320 ausschließlich parallel zur Drehachse A verlaufen. Das Magnetfeld wird somit invariant bezüglich der Drehstellung. Zudem wird der drehbare Kernteil 120; 220; 320 anhand der gegenpoligen Polflächenpaare, die sich parallel gegenüberliegen, 112-122, 113-123; 212-222; 213-223 in Axialrichtung mittig und im gleichen Abstand zwischen den beiden Schenkeln 114, 115; 214, 215 des ersten Kernteils 110; 210 gehalten. Versuche mit einem Prototyp konnten ohne weitere Leistungselektronik im

Leistungsspektrum von 35 bis 140 Watt ein Wirkungsgrad von 85 % bis 88 % bei rein sinusförmiger Ausgangsspannung von zwischen 190 bis 220 V erzielen.

Somit lassen sich mit der vorgeschlagenen Schenkelbauweise nach dem Prinzip aus FIG.1-3 ohne Weiteres bei geringen Frequenzen, insbesondere unterhalb des kHz-Breichs und bei Netzfrequenz, auch ohne zusätzliche Leistungselektronik mit hohem Wirkungsgrad elektrische Energie und/oder elektrische Datenübertragung erzielen. Aufgrund rein induktiver Kopplung ohne Frequenzumstellung mittels Leistungselektronik lässt sich auch anhand kostengünstiger, marktüblicher

Trägerfrequenz-Modems, auch als sog. Bridges bezeichnet, eine Datenübertragung über den Drehübertrager realisieren. Versuche zeigten zudem, dass der vorgeschlagene Aufbau drehzahlunabhängig eine hohe Spannungsstabilität am Ausgang gewähren kann. Zudem lässt sich die vorgeschlagene Bauweise mit erprobten, verhältnismäßig günstigen

Herstellungsverfahren für Transformatorkerne realisieren.

Es ist demnach wünschenswert den ersten Kernteil 110; 210; 310 aus einem Blechpaket mit einer Vielzahl hochpermeabler Elektrobleche, bspw. in U-Form und parallel zur Ebene der FIG.1A oder FIG.2A gestapelt, herzustellen. Die geblechte Bauweise ist kostengünstig und demnach zur Vermeidung von Wi belströmen auch beim zweiten Kernteil 110; 210; 310 sinnvoll. In der Praxis lässt sich bei Verwendung einfacher quaderförmiger Blechpakete als zweiten Kernteil 110; 210; 310 ein deutliches und unerwünschtes „Einrastverhalten" erkennen. Die Blechplatten bzw. Lamellen eines so hergestellten zweiten Kernteils 120; 220; 320 bevorzugen die Ausrichtung parallel zu denen im ersten Kernteil^' 110; 210; 310. Derartiges unerwünschtes Einrastverhalten während der Endlosdrehung des zweiten Kernteils 120: 220; 320 lässt sich durch Verwendung einer der beiden in FIG.4 und FIG.5

gezeigten Bauweisen vermeiden.

FIG.4 zeigt einen Abschnitt eines im Wesentlichen

kreiszylindrisch geformten Kernteils, allgemein mit 420 bezeichnet. Dieser ist speziell zur Verwendung als drehbarer Kernteil 120; 220; 320 in einem Drehübertrager 100; 200; 300 gemäß FIG.1-3 gestaltet. Der Kernteil 420 gemäß FIG.4 besteht aus einem spiralförmig aufgewickelten Blechband 450, welches zur Isolierung gegen Wirbelströme zumindest

einseitig mit einer Isolierschicht, beispielsweise aus

Backlack, versehen ist. Das permeable Blechband 450 aus Elektroblech kann beispielsweise unmittelbar auf der

Hohlwelle 132; 232; 232 (nicht gezeigt in FIG.4)

aufgewickelt werden. Anschließend an das Aufwickeln wird das Blechband 450 durch Erhitzen, vorzugsweise anhand der zugleich als Kleber wirkenden Isolierschicht zu einer einheitlich zylinderförmigen Gestalt verklebt. Anschließend kann außen auf dem Kernteil 420 eine Isolierschicht gegen die entsprechende Induktionswicklung 121; 221; 321

aufgebracht werden. Aufbau und Herstellung des Kernteils 420 sind somit ähnlich zu dem eines aufgewickelten Ringkerns aus Transformatorblech für einen Ringkerntrafo. Der Kernteil 420 ist im Querschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut und weist daher bei Rotation um die Drehachse A ein invariantes Verhalten auf d.h. besitzt keine bevorzugte Ausrichtung im Magnetfeld eines in geblechter Bauweise hergestellten ersten Kernteils 110; 210; 310 gemäß FIG.1-3.

FIG.5 zeigt eine bevorzugte Variante zur Herstellung eines drehbaren Kernteils 520 für einen Drehübertrager 100; 200; 300 gemäß FIG.1-3. Der Kernteil 520 nach FIG.5 ist ebenfalls im Wesentlichen mit einer kreiszylinderförmigen Kontur gestaltet. Der Kernteil 520 ist aus vier Segmenten 551, 552, 553, 554 zusammengefügt. Jedes Segment 551, 552, 553, 554 besteht aus einer Vielzahl miteinander verklebter Lamellen oder Platten 550 aus hochpermeablem Elektroblech, welche mit ihrer Längsrichtung parallel zur Drehachse A verlaufen. In Richtung quer zur Drehachse A sind die Platten 550 der

Segmente 551, 552, 553, 554 paarweise gegeneinander

winkelversetzt bzw. unterschiedlich ausgerichtet. In der Ausführung gemäß FIG.5 sind entsprechend der Verwendung von vier Kernsegmenten, die paarweise unterschiedlich

ausgerichtet sind, die Platten 550 jeweils um 90°

gegeneinander gedreht unterschiedlich ausgerichtet.

Alternativ zu der beispielhaft in FIG.5 gezeigten Ausführung sind auch andere Ausrichtungswinkel und/oder andere Anzahlen an Segmenten zur Vermeidung einer präferenziellen

Ausrichtung des drehbaren Kernteils 520 möglich. Als

mögliches Herstellungsverfahren für einen Kernteil 520 gemäß FIG.5 kann ein auf herkömmliche Weise gefertigtes in etwa quaderförmiges Blechpaket durch geeignetes Bearbeiten zu einem Hohlzylinder umgeformt und anschließend in

Längsrichtung in vier gleiche Segmente geviertelt werden. Zum Winkelversatz werden zwei diametral gegenüberliegende entsprechend erzeugte Segmente durch Kippen um 180° und Drehen, wie in FIG.5 gezeigt, wieder an die beiden anderen Segmente angefügt. Das Fügen erfolgt beispielsweise durch geeignete Verklebung. Praktische Versuche zeigten mit einer Ausführung gemäß FIG.5 eine geringere Erwärmung und demnach höheren Wirkungsgrad als mit einer Ausführung gemäß FIG.4.

Auch andere Bauweisen zur Herstellung bzw. Geometrien eines drehbaren Kernteils 120; 220; 320 und auch des feststehenden Kernteils 110; 110; 310 sind jedoch im Rahmen der

vorliegenden Erfindung ohne Weiteres verwendbar. Induktiver Drehübertrager

Bezugzeichenliste

FXG.1A-1B

100 Drehübertrager

102, 104 Luftspalt

110 erster Kernteil (stationär)

111 Induktionswicklung

112, 113 zugewandte Polflächen

114, 115 Schenkel

116 Stegbereich

118 Anschlussleitung

120 zweiter Kernteil {rotierbar)

121 Induktionswicklung

122, 123 abgewandte Polflächen

124 Anschlussleitung

130, 131 Drehlager

132 Hohlwelle

140 Drehdurchführung

142 Trägerfrequenz-Modem

A Drehachse

FIG.2A-2B

200 Drehübertrager

202, 204 Luftspalt

210 erster Kernteil (stationär)

211-1, 211-2 Induktionswicklung

212, 213 zugewandte Polflächen

214, 215 Schenkel

216-1, 216-2 Stegbereich 218 Anschlussleitung

220 zweiter Kernteil (rotierbar)

221 Induktionswicklung

222, 223 abgewandte Polflächen 224 Anschlussleitung

230, 231 Drehlager

232 Hohlwelle

240 Drehdurchführung

A Drehachse

FIG.3

300 Drehübertrager

310 erster Kernteil (stationär) 311-1... 311-4 Induktionswicklung 316-1... 316-4 Stegbereich

320 zweiter Kernteil (rotierbar)

321 Induktionswicklung

FIG.4

420 Kernteil

450 Kernblech

A Drehachse

FIG.5

520 Kernteil

550 Platen

551, 552, 553, 554 Segmente A Drehachse

Claims

Induktiver Drehübertrager Patentansprüche

1. Induktiver Drehübertrager (100; 200; 300) zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale zwischen relativ zueinander drehbaren Maschinen- oder Anlagenteilen, umfassend einen Kern mit einem ersten Kernteil (110; 210; 310) und einem zweiten Kernteil (120; 220; 320), wobei ein Kernteil stationär und der andere Kernteil gegenüber dem stationären Kernteil um eine Drehachse (A) rotierbar ist, beide Kernteile jeweils aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt sind und beide Kernteile mindestens eine Induktionswicklung (111, 121; 211-1, 211-2, 221; 311-1...311-4, 321) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil (110; 210; 310) zwei senkrecht zur Drehachse (A) angeordnete und einander zugewandte Polflächen (112, 113; 212, 213) aufweist, welche im Betrieb jeweils magnetisch gegenpolig sind, und der zweite Kernteil (120; 220; 320) zwei senkrecht zur Drehachse angeordnete und voneinander abgewandte Polflächen (122, 123; 222, 223) aufweist, welche jeweils an einem der axial gegenüberliegenden, stirnseitigen Enden unter Bildung eines Luftspalts (102, 104; 202, 204) einer entsprechenden Polfläche des ersten Kernteils axial gegenüberliegen, so dass der zweite Kernteil (120; 220; 320) sich axial zwischen den einander zugewandten Polflächen (112, 113; 212, 213) des ersten Kernteils erstreckt .

2. Drehübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil mindestens einen Bügel urafasst, welcher zwei durch einen Stegbereich (116) verbundene Schenkel (114, 115) aufweist an deren Enden die einander zugewandte Polflächen (112, 113) ausgebildet sind.

3. Drehübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil (210; 310) mehrere symmetrisch um die Drehachse (A) angeordnete Bügel aufweist, wobei an jedem Bügel, vorzugsweise am Stegbereich (216-1, 216-2; 316-1... 316-4), jeweils eine Induktionswicklung (211-1, 211-2; 311-1... 311-4) vorgesehen ist.

4. Drehübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil (110) lediglich einen Bügel aufweist und die Abmessung der Schenkel (115, 116) quer zur Drehachse (A) größer ist als die Abmessung des Stegbereichs (116) in Richtung Drehachse .

5. Drehübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil stationär (110; 210; 310) ist und der zweite Kernteil (120; 220; 320) am ersten Kernteil drehbar gelagert ist, vorzugsweise mittels elektrisch isolierenden Gleit- oder Wälzlagern, insbesondere mittels Drehlagern aus Kunststoff (130, 131; 230, 231) .

6. Drehübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlwelle (132; 232) zur Durchführung von Anschlussleitungen (124; 224) drehfest am zweiten Kernteil (120; 220) angebracht ist, wobei die Hohlwelle koaxial zur Drehachse (A) verläuft und an mindestens einer der beiden einander zugewandten Polflächen (112, 113; 212, 213) durch den ersten Kernteil (110, 210} hindurch geführt ist.

7. Drehübertrager nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (132; 232) an beiden zugewandten Polflächen (112, 113; 212, 213} jeweils durch den ersten Kernteil (110, 210) hindurch nach Außen geführt ist und beidseitig am ersten Kernteil drehbar gelagert ist, vorzugsweise mittels elektrisch isolierenden Gleit- oder Wälzlagern, insbesondere mittels Drehlagern aus Kunststoff (130, 131; 230, 231) .

8. Drehübertrager nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Hohlwelle (132; 232) eine Drehdurchführung (140; 240) zur Übertragung von Gasen und/oder Flüssigkeiten zwischen den relativ zueinander drehbaren Maschinen- oder Anlagenteilen vorgesehen ist.

9. Drehübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Trägerfrequenz-Modem (142) an die Induktionswicklung (111) des ersten Kernteils und ein zweites Trägerfrequenz-Modem (142) an die Induktionswicklung (121) des zweiten Kernteils angeschlossen ist, zur Übertragung von Daten zwischen den relativ zueinander drehbaren Maschinen- oder Anlagenteilen, insbesondere unter Ausbildung einer Trägerfrequenzanlage, vorzugsweise einer PowerLAN- bzw. Powerline-Anlage.

10. Drehübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kernteil (120; 220; 320) als Zylinderkörper (420; 520) ausgeführt ist, so dass das Magnetfeld innerhalb des zweiten Kernteils zwischen den voneinander abgewandten Polflächen (122, 123; 222, 223) stets näherungsweise parallel zur Drehachse (A) verläuft.

11. Drehübertrager nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkörper (420) aus einem spiralförmig aufgewickelten Transformatorblech (450) hergestellt ist.

12. Drehübertrager nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkörper (520) aus mindestens zwei Segmenten (551, 552, 553, 554) zusammen gefügt ist, welche jeweils aus mehreren parallel zur Drehachse (A) angeordneten Platten (550) aus Transformatorblech hergestellt sind, wobei im zusammengefügten Zylinderkörper (520) die Platten der mindestens zwei Segmente in Richtung senkrecht zur Drehachse (A) unterschiedlich ausgerichtet sind.