Rotationstransformator

Abstract

 Es wird ein Rotationsübertrager vorgeschlagen, bei dem die zur stillstehenden Seite gehörende(n) Wicklung(en) W I und die zur rotierenden Seite gehörende(n) Wicklung (W III) durch den magnetischen Fluß in einem magnetischen Kreis aus einem Kern (1) und einem Luftspalt (3) in be­kannter Weise miteinander gekoppelt sind. Bei den bekann­ten Rotationsübertragern ist der Kern zweiteilig. Die Schnittstelle zwischen den Kernhälften ergibt einen Luft­spalt, dessen Breite durch dem Abstand zwischen den Kern­hälften gegeben ist. Dieser ist toleranzbedingt und unter der Rotation der einen Transformatorseite bezüglich der anderen veränderlich. Demgegenüber schafft die Erfindung durch Verwendung eines nur einteiligen Kernes 1 in Verbin­dung mit einer besonderen Anordnung der Wicklungen (W I - W III) einen Rotationstransformator mit einem von der Ro­tation und Fertigungstoleranzen unabhängigen Luftspalt kon­stanter Breite und ebenso unbeeinflußter Kopplung zwischen den Wicklungen W I - W III. Dadurch kann die Signal- und Energieübertragung von der eine Seite zur anderen von der stehehenden Seite her genau gesteuert und geregelt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationstransformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Elektrische Leistung kann bekanntlich induktiv mittels Trans­formatoren übertragen werden. Die Gründe für diese Übertra­gungsart sind vielfältig, z.B. Leistungsanpassung, Erzeugung beliebiger Spannungen oder ein Zwang zur galvanischen Tren­nung usw..

[0003] Der Wunsch zur kontaktlosen Leistungs- oder Energieüber­tragung liegt u.a. dort vor, wo Energie auf sich bewegenden, insbesondere drehenden, mechanischen Anordnungen benötigt wird. Für diesen Fall wurden die Rotationsübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in verschiedenster Bauform entwickelt. Allen bekannten Bauformen gemeinsam liegt folgende Konstruktion zugrunde:

[0004] Der Rotationstransformator ist sowohl magnetisch als auch wicklungsmäßig in zwei Teile getrennt. Die eine Hälfte ist der feststehenden und die andere Hälfte ist der rotierenden Seite des Systems zugeordnet. Die Schnittstelle ergibt zwangsläufig einen Luftspalt zwischen den beiden Kernhälften. Bei dieser Grundkonstruktion müssen zugunsten der Mechanik elektrische Nachteile hingenommen werden. So bewirkt der Luftspalt eine lose Kopplung, die obendrein noch von der relativen Bewegung (Rotation und/oder Hub) beeinflußt wird und außerdem mit großen Toleranzen behaftet ist. Aus diesem Grunde ist eine genaue Überwachung oder Steuerung der benö­tigten Leistung für die sich drehende Mechanik auf der fest­stehenden Seite nicht möglich.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotations­transformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der zum einen eine sehr feste Kopplung zwi­schen der ruhenden und der rotierenden Seite des Systems aufweist und sich zum anderen dadurch auszeichnet, daß diese Kopplung von der relativen Bewegung zwischen diesen Seiten (Rotation und/oder Hub) sowie von den mechanischen Toleranzen zwischen diesen Seiten unabhängig ist, so daß die auf der rotierenden Seite benötigte Leistung und ggf. dort benötigte oder entstehende Datensignale auf der stillstehenden Seite des Rotationstransformators genau überwacht und/oder gesteu­ert werden können.

[0006] Die vorgenannte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

[0007] Bei dem erfindungsgemäßen Rotationstransformator kann die Einstellung des für die Aussteuerbarkeit benötigten Luft­spalts über die Länge von Kernabschnitten, die von einem Basisteil vorragen, schon bei der Bemessung und Herstellung des Kerns in sehr engen Toleranzgrenzen erfolgen und nicht erst, wie bei den bekannten Rotationstransformatoren, bei der Monatage der verschiedenen Systemteile mit dabei unver­meidbarer erheblicher Toleranz. Die Scherung ist so durch einen einzigen Teil aus magnetisch leitfähigem Material, z.B. Ferrit, fest vorgegeben. Hinzu kommt, daß die bei der Rotation unvermeidbaren relativen Bewegungen der beiden Seiten in Bezug aufeinander auch in radialer und in axialer Richtung, keinerlei Einfluß auf den Luftspalt und den im geschlossenen magnetischen Kreis über diesen geführten und auf diesen beschränkten magnetischen Fluß haben, der die Wicklungen der beiden Systemseiten koppelt. Diese vorstehend genannten Eigenschaften sind idelal für einen Rotationsüber­trager, und zwar sowohl für den Betrieb, weil es möglich ist, die auf der rotierenden Seite benötigte Leistung von der stillstehenden Seite her genau zu überwachen und/oder zu steuern, als auch für die an die besonderen Bedingungen eines speziellen Verwendungszwecks angepaßte Gestaltung, weil Mechanik und Elektronik unabhängig voneinander optimiert werden können.

[0008] Bei dem erfindungsgemäßen Rotationstransformator kann/können die sich drehende(n) Wicklung(en) in die feststehende(n) Wicklung(en) berührungslos eintauchen. Die Kopplung ist vergleichbar mit der eines Steckkammersystems und somit sehr fest. Sie kann nach Bedarf zwischen den Wicklungen unterschiedlich gestaltet werden und ist praktisch toleranz­frei.

[0009] Die Unteransprüche haben besonders vorteilhafte Ausführungs­formen des Rotationstransformators gemäß Patentanspruch 1 zum Gegenstand.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt jeweils in schematischer Darstellung:

Fig.1 den mechanischen Aufbau des Rotationstransformators im Längsschnitt durch den einteiligen Kern, und

Fig.2 das Blockschaltbild der elektrischen Schaltung beim Rotationstransformator gemäß Fig. 1.

[0011] Der Rotationstransformator gemäß Fig. 1 weist eine festste­hende Primärseite und eine dieser gegenüber rotierende Se­ kundärseite auf.

[0012] Zu der feststehenden Primärseite gehören ein einteiliger Kern (Monokern) 1, zwei Primärwicklungen W I und W II sowie eine elektrische Regel- und Steuereinrichtung (SPMS) 2 zur Versorgung der Primärwicklungen W I und W II mit hochfrequen­ter Energie, deren Frequenz im Bereich von etwa 10-100 kHz oder mehr liegt und die hochgenau steuer- und regelbar ist. Prinzipiell könnte die Regel-und Steuereinrichtung in nicht dargestellter Weise auch so gestaltet werden, daß sie in ihr gebildete oder von anderweitigen Einrichtungen an sie gelieferte elektrische Datensignale zur Sekundärseite über­trägt und/oder dort gebildete Datensignale zur Verarbeitung oder Weiterleitung empfängt.

[0013] Der Kern 1 ist bei der Ausführung nach Fig.1 glockenförmig gestaltet und weist einen Basisabschnitt 1a auf, von dem ein zentraler, zylindrischer Abschnitt 1b und ein diesen im Abstand als Mantel koaxial umgebender kreisringförmiger Abschnitt 1c vorragen. Der zentrale vorragende Abschnitt 1b ist unmittelbar an den Basisabschnitt 1a anschließend von den Primärwicklungen W I und W II umgeben. Eine von diesen ist auf den zylindrischen vorragenden Abschnitt 1b aufgeschoben, die andere im Abstand hiervon innen in den kreisringförmigen vorragenden Abschnitt 1c eingeschoben, so daß zwischen den Primärwicklungen W I und W II ein freier ringförmiger Raum vorhanden ist. Die vorragenden Abschnitte 1b und 1c sind über die von den Wicklungen W I-W III belegte Länge hinaus wesentlich verlängert und bilden jenseits dieser Wicklungen einen Luftspalt 3 von genau definierter Breite in Richtung senkrecht zu den vorragenden Abschnitten 1b und 1c. Dieser Luftspalt 3 schließt den mit den Primärwick­lungen W I und W II verketteten Magnetkreis außerhalb von diesen so, daß das Magnetfeld, wie in Fig. 1 durch die einge­zeichneten Feldlinien angedeutet, praktisch nicht aus dem Kern 1 nach außen dringt, was durch die aus Fig. 1 ersichtli­ che besondere Abschrägung 1d außen am freien Ende des vorra­genden Abschnittes 1c noch begünstigt wird.

[0014] Zu der rotierenden Sekundärseite gehören ein bezüglich des Kerns 1 um dessen -die Drehachse 4 bildende- Mittelachse drehbar gelagerter Träger 5 und, darauf fest angeordnet, eine elektrische Verbrauchereinrichtung 6. In der Zeichnung ist zwar nur eine sehr einfache Verbrauchereinrichtung als Beispiel wiedergegeben, doch könnte diese prinzipiell eine Schaltungsanordnung verschiedenster Art sein, die zum Betrieb elektrische Energie benötigt, daneben aber auch Daten empfan­gen und verarbeiten sowie auch bilden und abgeben kann. Die Verbrauchereinrichtung 6 besteht im Beispiel aus einer Sekundärwicklung W III und einer daran angeschlossenen elek­trischen Verbraucherschaltung 7. Die Sekundärwicklung W III umgibt einen koaxial zur Drehachse 4 am Träger 5 befestigten topfförmigen Wicklungsträger 8 bei dessen freiem Ende. Der Wicklungsträger 8 taucht in den freien Raum zwischen den Primärwicklungen W I und W II ein und hält die Sekundärwick­lung W III zwischen diesen Primärwicklungen jeweils im Ab­stand von diesen, also berührungslos, in mit diesen überein­ander verschachtelter Anordnung vergleichbar mit der eines Steckkammersystems, so daß zwischen den Primärwicklungen W I und W II und der Sekundärwicklung W III eine sehr feste Kopplung erreichbar ist. Die Kopplung kann nach Bedarf zwi­schen den Wicklungen unterschiedlich gestaltet werden und ist praktisch toleranzfrei. So ist es z.B. möglich, die Kopplung zwischen der verbraucherseitigen Sekundärwicklung W III und der eine Treiber- und Regelwicklung bildenden Primärwicklung W II sehr fest auszulegen und so eine gute Regel- und Steuereinrichtung auf der feststehenden mechani­schen Seite zu schaffen, die es ermöglicht, die auf der rotierenden Verbraucherseite benötigte Leistung sowie ggf. vorgesehene Datensignale von der feststehenden Primärseite her genau zu überwachen, zu steuern und zu regeln. Da der Luftspalt 3 durch Vibrationen und anderweitige Bewegungen in Richtung axial und radial zur Drehachse 4 nicht verändert wird, haben solche Bewegungen auch keinen Einfluß auf die Kopplung zwischen den Wicklungen W I, W 11 und W III, die hochgenau konstant bleibt, so daß die Genauigkeit der Ener­gie- und ggf. Datenübertragung zwischen Primär- und Sekundär­seite durch solche Bewegungen nicht beeinflußt wird.

[0015] Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der primärseitigen elektrischen Regel-und Steuereinrichtung 2 und der sekundär­seitigen elektrischen Verbrauchereinrichtung 6, die über die Primärwicklungen W I und W 11 und die Sekundärwicklung W III vermittels des Magnetkreises aus dem Kern 1 und dem Luftspalt 2 miteinander gekoppelt sind.

[0016] Bei der primärseitigen Regel- und Steuereinrichtung 2 wird die Primärwicklung W II von einer elektronischen Schaltung 9, die einen Oszilator, einen Regelkreis, einen Steuerkreis, eine Treiberschaltung und eine Schutzschaltung umfaßt und von einer Batterie oder dgl. gespeist wird, als Treiber- und Regelwicklung angesteuert. Die Primärwicklung W I ist eine von der elektronischen Schaltung 9 angesteuerte normale transformatorische Wicklung.

[0017] Die an die Sekundärwicklung W III angeschlossene Verbraucher­schaltung 7 besteht hier aus zwei mit einem Gleichrichter in Serie liegenden Verbrauchern und einem zu den Verbrauchern parallel geschalteten Kondensator.

[0018] Die primärseitige elektrische Regel und Steuereinrichtung 2 und die sekundärseitige elektrische Verbrauchereinrichtung 6 können, wie bereits dargelegt, auf die verschiedenste Weise gestaltet werden. In jedem Falle wird für die Übertra­gung über den erfindungsgemäßen Monokernrotationstransforma­tor von der Primärseite auf die Sekundärseite der Bereich hoher Frequenzen gewählt.

[0019] Anstelle der oben genannten Glockenform könnte der Kern auch E- oder U-Form mit über die Wicklungen hinaus wesentlich verlängerten Schenkeln und ggf. außenseitigen Abschrägungen an den freien Enden der aüßeren Schenkel aufweisen. In jedem Falle kann der Kern auch mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Bohrung für eine mechanische Drehachse versehen sein , die sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 entlang der Drehachse 4 durch den zentralen mittleren vorra­genden Abschnitt 1b hindurch erstrecken würde.

[0020] Die Wicklungen können in ihrer Anzahl und ihrer Position entsprechend den Anforderungen des jeweiligen speziellen Verwendungszwecks an Kopplung und Elektronik angepaßt ausge­legt werden. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten überein­ander verschachtelten Anordnung könnte die Lage von Primär­wicklung(en) zu Sekundärwicklung(en) auch nebeneinander realisiert werden.

[0021] Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, die Primärseite mit der Sekundärseite zu vertauschen, d.h. den Kern rotieren zu lassen und die Speisewicklung der ruhenden Mechanik zuzu­ordnen.

[0022] Das erfindungsgemäße Konzept für einen Rotationstransformator eröffnet eine Reihe bisher nicht bekannter Möglichkeiten elektrischer Leistungs- und Datenübertragung auf sich drehen­de mechanische Einheiten bzw. ggf. von diesen weg.

[0023] Durch Elektronik auf der feststehenden Seite können Span­nungs- und Lastschwankungen toleranzarm ausgelegt werden.

[0024] Die Regelung gestattet eine dynamische Referenz als Führungs­größe für gezielte Leistungs- und ggf. Datensignalsteuerun­gen, die ebenfalls auf der ruhenden mechanischen Seite durch­geführt und kontrolliert werden können.

[0025] Der Wirkungsgrad der Übertragung ist hoch und toleranzarm (geringe Streuinduktivität) . Das magnetische Feld verursacht keinerlei Kraft in axialer Richtung. Die Ausführung ist zudem kostengünstig.

[0026] Wie bei anderen Konzepten ist die Leistungsübertragung von der Drehzahl und der Drehrichtung unabhängig. Die Funktion ist auch im Stillstand vorhanden.

Ansprüche

1. Rotationstransformator für Schaltnetzteile aller Arten zur berührungslosen Übertragung von Leistung auf rotie­rende Agregatteile, wobei die zur stillstehenden Seite gehörende(n) Wicklung(en) (W I,W II) und die zur rotie­renden Seite gehörende(n) Wicklung(en) (W III) durch den magnetischen Fluß in einem magnetischen Kreis mit­einander gekoppelt sind, der einen von diesen Wicklungen umschlossenen Kern (1) aus magnetischem Material und einen Luftspalt (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus einem einzigen Teil besteht, in dem sowohl die gegenüber dem Kern stillstehende(n) Wicklung(en) (W I,W II) der einen Seite als auch die sich gegenüber dem Kern drehende(n) Wicklung(en) (W III) der anderen Seite angeordnet sind, wobei der Fluß alle Wicklungen (W I-W III) durchsetzt, ohne in den mechani­schen Bereich der jeweils anderen, feststehenden bzw. rotierenden Seite außerhalb des Kerns (1) einzudringen, so daß eine Beeinflussung der Übertragung durch die relative Bewegung (Rotation und/oder Hub) zwischen den beiden Seiten ausgeschlossen ist.,

2. Rotationstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß

a) der Kern (1) so ausgeführt ist, daß er von einem Basisabschnitt (1a) nebeneinander im Abstand vorra­ gende Kernabschnitte (1b,1c) aufweist, und

b) die Wicklung(en) (W I,W II) der einen Seite einen vorragenden Kernabschnitt (1b) in diesem gegenüber fester Anordnung und die Wicklung(en) (W III) der anderen Seite einen vorragenden Kernabschnitt (1b) in diesem gegenüber drehbarer Anordnung umgeben und die vorragenden Kernabschnitte (1a,1b) des Kernes (1) über die von der Wicklungsbreite dieser Wicklun­gen (W I-W III) eingenommene Länge hinaus wesentlich so weit verlängert sind, daß sie zwischen ihren freien Endabschnitten jeweils einen außerhalb dieser Wicklungen gelegenen Luftspalt (3) bilden, über den sich der magnetische Kreis im wesentlichen voll­ständig schließt.

3. Rotationstransformator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wicklung(en) (W I,W II) der einen Seite und die Wicklung(en) (W III) der anderen Seite jeweils denselben vorragenden Kernabschnitt (1b) umge­ben.

4. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) der feststehenden Seite zugeordnet ist.

5. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) der rotierenden Seite zugeordnet ist.

6. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende und/oder die rotierende Seite mehrere Wicklungen aufweist/aufweisen.

7. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen nebeneinander angeordnet sind.

8. Rotationstransformator nach einemn oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen übereinander angeordnet sind.

9. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen koaxial derart angeordnet sind, daß sich die rotierende(n) Wicklung(en) (W III) berührungslos zwischen einer inneren und einer äußeren Wicklung (W I, W II), die gegenüber dem Kern (1) feststehen, befindet/­befinden.

10. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) U-förmig, E-förmig oder glockenförmig konfiguriert ist.

11. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der relativen Rotationsachse (4) der beiden Seiten befindlicher Bereich des Kernes (1) eine Bohrung für eine durchgehende mechanische Achse aufweist.

12. Rotationstransformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende(n) Wicklung(en) (W III) zu der/den ste­henden Wicklung(en) (W I,W II) nach VDE-Vorschriften Netztrennung aufweist/aufweisen.

13. Rotationstransformator gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung des Rotationstransformators zur Übertragung von Datensignalen zwischen der stillstehenden Seite und der rotierenden Seite.

Zeichnung