Seite 1

Koppeleinrichtung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Koppeleinrichtung für eine Anlage zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung.

Aus der DE 199 32 504 A1 ist eine Realisierung einer kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zweier zueinander drehbarer Teile bekannt, bei dem zwei oder mehr Spulen drehbar gelagert sind, wobei mindestens eine der Spulen sich in einer Hälfte befindet, die einen L-förmigen Querschnitt aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit berührungsloser Energie- und Datenübertragung weiterzubilden, wobei die Fehlerrate der übertragung verringert ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Koppeleinrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Koppeleinrichtung sind, dass ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil vorgesehen sind, die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind, wobei eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement bilden, wobei die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist,

- am ersten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist und am zweiten Gehäuseteil eine elektrisch leitfähige Koppelfläche ausgebildet ist, die zusammen ein kapazitives Koppelelement bilden. Von Vorteil ist dabei, dass die induktive Kopplung eine die Energieversorgung mit großen Stromstärken von konstanter Frequenz ermöglicht, während die kapazitive Kopplung eine verzerrungsarme übertragung von Signalpulsen zur Datenübertragung ermöglicht.

BESTATIGUNGSKOPIE

Seite 2

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am ersten Gehäuseteil ein erstes Paar von Koppelflächen und am zweiten Gehäuseteile ein zweites Paar von Koppelflächen ausgebildet, wobei je eine Kontaktfläche des ersten Paars mit einer Kontaktfläche des zweiten Paars ein kapazitives Koppelelement bilden. Von Vorteil ist dabei, dass das Signal der Leistungsübertragung nicht auf das Signal der Datenübertragung übersprechen kann. Somit sind die übertragungsfehler verringert. Von Vorteil ist weiter, dass mit dem induktiven Koppelelement große Stromstärken übertragbar sind und somit eine Leistungsversorgung möglich ist, während mit den kapazitiven Koppelelementen Datensignale mit kleiner Stromstärke verzerrungsarm übertragen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das induktive Koppelelement von einer magnetischen Abschirmung umgeben. Vorzugsweise ist die magnetische Abschirmung zwischen induktivem Koppelelement und kapazitiven Koppelelementen angeordnet. Somit ist die Induktion von Wirbelströmen durch die induktive übertragung in die kapazitiven Koppelelemente weiter vermindert und es sind Störquellen für die Datenübertragung vom übertragungsbereich ferngehalten.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Koppelflächen durch metallische, ringförmige Bänder gebildet, deren Oberfläche jeweils radial zur Drehachse angeordnet ist. Somit sind die kapazitiven Koppelelemente unabhängig von der Drehposition funktionsfähig, weil die elektrischen Koppelflächen die Drehsymmetrie der Koppeleinrichtung nachbilden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jedes Paars auf einem gemeinsamen, gedachten Zylinder angeordnet. Somit ist eine kompakte Baugröße bereitgestellt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung jeweils um die Drehachse. Von Vorteil ist dabei, dass die Leistungsversorgung unabhängig von der Drehposition der Koppeleinrichtung bereitsteht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils mit einem Stecker verbunden, der eine Auszugssicherung aufweist. Somit ist eine hohe Stromstärke, beispielsweise von mehr als 10 A, übertragbar, und die Anlage weist eine erhöhte Sicherheit auf.

Seite 3

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das induktive Koppelelement radial innerhalb der kapazitiven Koppelelemente angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass das induktive Koppelelement mit geringem Platzbedarf ausführbar ist, und dass die kapazitive Kopplung preiswert realisierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Kontaktfläche eine Ringbreite von 1 cm bis 3 cm auf, insbesondere 2 cm. Vorzugsweise sind die Koppelflächen jeder kapazitiven Koppeleinrichtung 0,5 cm bis 2 cm, insbesondere 1 cm, beabstandet. Somit sind besonders günstige Verhältnisse für die Datenübertragung erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils eine elektrisch leitenden Ring, der an einer Stelle elektrisch durchtrennt ist. Somit sind umlaufende Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, unterbrochen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen der kapazitiven Koppeleinrichtungen jeweils in der Mitte zwischen den durch die Durchtrennung gebildeten Enden mit Anschlussmitteln verbunden. Somit ist eine gute Dateneinkopplung erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Koppelflächen der kapazitiven

Koppeleinrichtungen in Umfangsrichtung quer verlaufende Lücken oder Einschnitte auf. Somit sind Wirbelströme, die in den Kondensatorflächen der kapazitiven Koppelelemente vom induktiven Koppelelement induziert würden, weiter vermindert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Koppelflächen jeweils auf einer elektrisch isolierenden Unterlage befestigt. Somit ist eine ungestörte Datenübertragung über den durch die Koppelflächen gebildeten Kommunikationskanal ermöglicht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Seite 4

Bezugszeichenliste

1 Drehübertrager 5 2 Gehäuseteil

3 Gehäuseteil

4 Verbindungsring

5 Anschlusskasten

6 Stecker

10 7 Auszugssicherung

8 BNC-Anschluss

9 Schraube 10 WeIIe

20 Primärwicklung 15 21 Sekundärwicklung

22 Anschluss

23 Abschirmung

24 Luftspalt

25 Ringeinsatz

20 26, 27, 28, 29 Kupferband

30 Labyrinthdichtung

31 Drehachse

32 Primärwicklung

33 Trog

25 34 Sekundärwicklung

35 Träger

36 Deckel

37 Spalt

38 Bereich

30 40 Kupferstreifen

41 Längsstreifen

42 Querstreifen

43 Lücke

Seite 5

44 Streifenende

45 Einschnitt 50, 51 Modem

52, 53 Transceiver 5 54 Generator

55 AC/DC-Wandler

56 Primärseite

57 Sekundärseite 58, 59 Kondensator

10 60 Verbraucher 61 Drehübertrager

Seite 6

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

Es zeigt

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Drehübertrager, - Figur 2 eine Schnittansicht durch den Drehübertrager nach Figur 1 , Figur 3 eine Schnittansicht durch einen weiteren Drehübertrager, Figur 4a eine Kupferband für ein Koppelelement eines Drehübertragers, Figur 4b ein weiteres Kupferband für ein Koppelelement eines Dreh übertragers und Figur 5 das elektronische Prinzipschaltbild eines Drehübertragers.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehübertrager 1. Ein erstes Gehäuseteil 2 ist durch einen Verbindungsring 4 mit einem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden. Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind um die Achse des Verbindungsrings 4 gegeneinander drehbar.

Am ersten Gehäuseteil 2 und am zweiten Gehäuseteil 3 ist je ein Anschlusskasten 5 ausgebildet. An jedem Anschlusskasten 5 ist ein Stecker 6 für Starkstrom, also für mehr als 1OA, ausgebildet und ein BNC-Stecker 8 für den Anschluss einer Hochfrequenzleitung.

Ein klappbarer Bügel am Stecker 6 bildet eine Auszugssicherung 7 für den Stecker der Starkstromleitung.

Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind aus Kunststoff gefertigt.

Figur 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den Drehübertrager nach Figur 1.

Der Verbindungsring 4 ist durch Schrauben 9 mit einer Hohlwelle 10 verbunden. Hierdurch ist ein Lager gebildet, in dem das erste Gehäuseteil 2 und das zweite Gehäuseteil 3 drehbar angeordnet sind.

Der Stecker 6 ist durch nicht gezeigte Leitungen mit Anschlüssen 22 verbunden, die ihrerseits mit den beiden Enden einer Primärwicklung 20 verbunden sind. Die Wicklungen der Primärwicklung 20 verlaufen um die Drehachse des Drehübertragers. Somit erzeugt ein Wechselstrom, der über den Stecker 6 in die Primärwicklung 20 eingeprägt wird, ein

Seite 7

Magnetfeld, das eine ringförmig um die Drehachse verlaufende Sekundärwicklung 21 durchsetzt und in der Sekundärwicklung 21 einen Strom induziert. Die Sekundärwicklung 21 ist mit dem zweiten Gehäuseteil fest verbunden und über Anschlüsse und nicht gezeigte Leiter mit einem in Figur 2 nicht ersichtlichen Stecker 6 verbunden. Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 weisen eine gemeinsame Achse auf. Somit bilden Primärwicklung und Sekundärwicklung ein induktives Koppelelement, und es ist Energie berührungslos induktiv über das Drehgelenk hinweg übertragbar. Zwischen Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 ist ein Luftspalt 24 eingerichtet, der die relative Verdrehbarkeit von erstem und zweiten Gehäuseteil ermöglicht.

Primärwicklung 20 und Sekundärwicklung 21 sind jeweils von im Querschnitt U-förmigen, ringförmig-trogförmigen Abschirmungen 23 umfasst, deren öffnungen einander zugewandt sind. Somit ist das von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erzeugte magnetische Feld eingeschlossen und gelangt im Wesentlichen nicht aus dem von den Abschirmungen 23 umschlossenen Ringbereich heraus.

Außerhalb der Abschirmungen 23 ist am ersten Gehäuseteil 2 ein mit der Drehachse konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 25 ausgebildet, an dessen Innenseite ein Paar ringförmiger Kupferbänder 26, 27 angebracht ist. Die Kupferbänder 26, 27 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des ersten Gehäuseteils 2 elektrisch verbunden.

Zwischen dem Ringeinsatz 25 und den Abschirmungen 23 ist am zweiten Gehäuseteil 3 ein zweiter konzentrisch verlaufender Ringeinsatz 31 ausgebildet, an dessen Außenseite ein weiteres Paar ringförmiger Kupferbänder 28, 29 angeordnet ist. Die Kupferbänder 28, 29 sind mit den zwei Anschlüssen des BNC-Anschlusses 8 im Anschlusskasten 5 des zweiten Gehäuseteils 3 elektrisch verbunden.

Die Ringeinsätze 25, 31 sind konzentrisch ineinander angeordnet und ermöglichen so eine uneingeschränkte Drehbewegung des Drehverbinders.

Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind radial ausgerichtet, das heißt, die Normale der Oberfläche zeigt jeweils in radiale Richtung in Bezug auf die Drehachse. Die Kupferbänder 26 und 28 sind auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators. Ebenso sind die Kupferbänder

Seite 8

27 und 29 auf gleicher axialer Position einander gegenüber angeordnet und bilden so ein zweites kapazitives Koppelelement in Form eines Kondensators.

Durch die zwei parallel betriebenen kapazitiven Koppelelemente ist eine übertragung von HF-Signalen vom BNC-Anschluss 8 des ersten Gehäuseteils 2 zum BNC-Anschluss 8 des zweiten Gehäuseteils 3 berührungslos unabhängig von der Drehposition des Drehübertragers ermöglicht.

Die Ringbreite der eingesetzten Kupferbänder 26, 27, 28, 29 beträgt 2 cm, die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 eines jeden kapazitiven Koppelelements sind 1 cm beabstandet.

Figur 3 zeigte ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehübertragers. Dargestellt ist eine Schnittansicht einer Seite des Drehübertragers. Die Drehachse 31 ist mit einer Strichpunktlinie angedeutet. Die Darstellung der Lager und der elektrischen Anschlüsse wurde zur Verbesserung der übersichtlichkeit der Zeichnung unterdrückt.

In einem ersten Gehäuseteil 2 ist ein ringförmiger Trog 33 aus ferromagnetischem Material eingelassen. In diesen Trog 33 ist die Primärwicklung 32 aufgewickelt. In den von dem Trog 33 umschlossenen Raum greift ein ringförmiger Träger 35 mit der Sekundärwicklung 34 ein. Die Primärwicklung 32 ist so radial innerhalb der Sekundärwicklung 35 angeordnet.

Das ringförmige Träger 35 ist am zweiten Gehäuseteil 3 befestigt. In den zweiten Gehäuseteil 3 ist ein Deckel 36 aus ferromagnetischem Material eingearbeitet, der ringförmig den Trog 33 abschließt. Somit ist der Innenraum des Trogs 33, der die Primärwicklung 32 und die Sekundärwicklung 34 aufnimmt, magnetisch abgeschlossen gegen den Außenbereich.

Erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3 sind drehbar um die Drehachse 31 gegeneinander gelagert. Zwischen den Gehäuseteilen ist ein Spalt 37 ausgebildet, der einen axial verlaufenden, rotationssymmetrischen Bereich 38 aufweist und in eine Labyrinth- Dichtung 30 ausläuft.

In den Seitenwänden des Bereichs 38 ist ein erstes Paar von Kupferbändern 26, 27 eingelassen und gegenüber des Paars von Kupferbändern 26, 27 ein zweites Paar von

Seite 9

Kupferbändern 28, 29. Die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 sind auf einer elektrisch nichtleitenden Unterlage befestigt und gegeneinander und gegen die Umgebung elektrisch isoliert.

Ein erstes Kupferband 26 des ersten Paares bildet somit gemeinsam mit einem ersten Kupferband 28 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein erstes kapazitives Koppelelement. Ebenso bildet das zweites Kupferband 27 des ersten Paares gemeinsam mit dem zweiten Kupferband 29 des zweiten Paares einen Kondensator und somit ein zweites kapazitives Koppelelement. Somit ist eine übertragung von Signalen über die kapazitiven Koppelelemente in jeder Drehposition des Drehübertragers und unabhängig von einer Drehbewegung durchführbar.

Zwischen den zwei zu jedem kapazitiven Koppelelement gehörenden Kupferbändern ist jeweils Luft angeordnet.

Erste kapazitives Koppelelement und zweites kapazitives Koppelelement bilden gemeinsam einen übertragungskanal für die Datenübertragung.

In Weiterbildungen sind die Kupferbänder 26, 27, 28, 29 der Drehübertrager derart gestaltet, dass möglichst geringe Wirbelströme vom induktiven Koppelelement induziert werden.

Figur 4a zeigt ein erstes Beispiel für eine solche Weiterbildung. Auf einem Längsstreifen 41 aus Kupfer sind zur Bildung eines Kupferstreifens 40 Querstreifen 42 aus Kupfer angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden, sodass zwischen den Querstreifen 42 Lücken 43 gebildet werden. Diese Lücken vermindern induzierte Wirbelströme im Kupferstreifen 40.

Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Längsstreifens 41 fließen können.

Figur 4b zeigt ein zweites Beispiel für eine Weiterbildung der Kupferbänder 26, 27, 28, 29.

Seite 10

In einen Kupferstreifen 30 sind in Längsrichtung seitlich wechselseitig Einschnitte 45 eingebracht, sodass sich insgesamt ein mäanderförmig verlaufender Leiter ergibt. Der Kupferstreifen 40 wird an den Enden 44 zusammengesetzt zur Bildung eines ringförmigen Kupferbands. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Enden 44 bis auf einen Spalt zusammengesetzt, sodass keine Kreisströme entlang des Kupferstreifens 40 fließen können.

In weiteren Ausführungsbeispielen wird statt Kupfer ein anderer metallischer Leiter, beispielsweise Aluminium, eingesetzt.

Figur 5 zeigt das Prinzipschaltbild einer berührungslosen Energie- und Datenübertragung über eine frei drehbare Kopplung.

Ein als übertragerkopf ausgebildeter Drehübertrager 61 umfasst eine Primärseite 56 und eine Sekundärseite 57 eins Transformators, die gegeneinander verdrehbar angeordnet sind. Der Transformator bildet das induktive Koppelement für eine berührungslose Leistungsübertragung.

Die Primärseite 56 wird aus einer Generator 54 mit einem konstanten Wechselstrom mit einer Stromstärke von 10 A oder 60 A und einer Frequenz von 25 kHz gespeist. Auch andere Frequenzen zwischen 10 kHz und 200 kHz sind vorsehbar.

Dieser Wechselstrom wird über den Transformator an einen Gleichrichter 55 weitergegeben. Zur Erhöhung der Kopplungsstärke umfasst der Gleichrichter einen Resonanzschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz des eingespeisten Wechselstroms abgestimmt ist.

Der Gleichrichter 55 versorgt einen Verbraucher 60, beispielsweise einen Umrichter oder einen Motor oder eine elektronische Schaltung.

Der Generator 54 versorgt außerdem ein Modem 50 und einen Transceiver 52. Das Modem 50 erhält über eine nicht gezeigte Leitung Daten und gibt diese als Signale an den Transceiver 52 weiter. Der Transceiver 52 verstärkt die Signale.

Seite 11

Der Drehübertrager 61 umfasst einen ersten Kondensator 58 und einen zweiten Kondensator 59. Die Kondensatoren 58, 59 bilden die kapazitiven Koppelelemente eines übertragungskanals für die Datenübertragung.

Die Kondensatoren 58, 59 sind so jeweils gestaltet, dass die beiden Platten gegeneinander beweglich sind.

über die parallel angeordneten Kondensatoren 58, 59 sind Signale vom Transceiver 53 an den Transceiver 53 übertragbar und umgekehrt. Eine Rückführung über eine Masseleitung ist nicht nötig. Somit ist die Störanfälligkeit vermindert.

Der Transceiver 53 wird aus dem über das induktive Koppelelement übertragenen Wechselstrom, insbesondere aus dem Gleichrichter 55 gespeist. Vom Transceiver 53 gelangen die Signale zum Modem 51 , das ebenfalls aus dem Gleichrichter 55 versorgt wird.

Das Modem 51 kann umgekehrt Daten an den Transceiver 53 versenden, die im Modem 50 empfangen werden.

So ist ein bidirektionaler Datenaustausch über eine bewegliche Koppeleinrichtung bereitgestellt, wobei parallel zur Koppelung für den Datenaustausch eine induktive Kopplung für Energie vorgesehen ist, aus der ein Verbraucher und die Transceiver 52, 53 und/oder die Modems 50, 51 versorgt werden.