[发明专利]电感式旋转传输装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种以非接触方式传输能量和数据的装置，所述装置包括两个可相对旋转的支架，传输装置的初级侧绕组和次级侧绕组布置在所述支架上。

背景技术

这种装置例如用于在两个可相对移动的零部件之间进行能量传输和数据传输。这种零部件布置主要出现在机器人技术应用领域中，这些应用领域要求机器人零部件之间的旋转角达到360°或360°以上，而且这些零部件之间需进行数据和/或能量传输。这种装置的另一应用领域的例子是在汽车的转向轴与转向柱之间进行能量传输和数据传输。

在借助导线而实现的能量传输和数据传输中，旋转接头区域内所用的电缆必须具有极高的柔韧性，才能尽可能地减少磨损和降低生产故障率。因此，在可相对旋转的组件之间以非接触方式进行电感式能量传输和数据传输，是有利的。

DE19914395A1中公开了一种用于在两个可相对移动的零部件之间(尤其是在汽车的转向轴与转向柱之间)传输测量数据和/或电能的电感式变压器，这种电感式变压器具有一初级传输部件与一次级传输部件。

EP0510926A2中公开了一种用于在变压器的一转子部件与一定子部件之间进行非接触式信号传输的可旋转变压器。这种变压器包括多个频率特性各不相同的不同铁心。这些铁心均用于信号的频率选择性传输，借此可改善数据传输效率，并减小变压器的尺寸。借助这种变压器既可在转子部件与定子部件之间传输数据信号，又可传输用于电能传输的信号。

发明内容

本发明的目的是在两个可相对转动的零部件之间实现电感式非接触能量传输和数据传输，其中，应尽可能减小能量传输对数据传输的干扰影响。

这个目的通过一种以非接触方式进行能量传输和数据传输的装置达成，所述装置包括一抗扭转地布置在一第一支架上的初级绕组布置与一抗扭转地布置在一第二支架上的次级绕组布置，其中，第一支架和第二支架可相对旋转，初级绕组布置和次级绕组布置均具有至少一个用于电感式电能传输的能量绕组，且初级绕组布置和次级绕组布置均具有至少一个用于电感式数据传输的数据绕组，数据绕组的至少一个数据线匝以一方式包围能量绕组的至少一个能量线匝，使得数据线匝的一第一部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相同，数据线匝的一第二部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相反。

本发明基于这样一种认识：在将数据绕组和能量绕组布置在一共用支架上的情况下，如果数据绕组的线匝包围能量绕组，就可基本排除能量绕组对数据绕组的干扰影响。但采用这种包围式布置方案时必须注意能量绕组的绕线方向。如果数据线匝的第一部分的绕线方向与能量绕组的绕线方向相同，数据线匝的第二部分的绕线方向就必须与能量绕组的绕线方向相反。通过这种方法，可用能量绕组在数据绕组的第二部分中感应出的一第二电压分量来补偿能量绕组在数据绕组的第一部分中感应出的电压。

由于能量传输和数据传输均使用一独立的传输装置，因而可以不依据用于能量传输的线圈匝数来选择用于电感式数据传输的线圈匝数。因此可分别对能量传输系统和数据传输系统进行优化。

为达到最大的补偿效应，有利的做法是，数据绕组相对于能量绕组的布置方式使得能量绕组所产生的磁场强度分量在一被数据线匝包围的面中彼此抵消，使得所述面中基本上没有磁通。所述补偿效应的物理学原理是，数据线匝中所产生的感应电压与由数据线匝构成的面中的磁通的时间相关的导出成比例。在此情况下，如果所述面中由于补偿效应而基本不产生磁通，构成相关面的数据线匝内也就不会产生感应电压，也就不会受到干扰。

上述将数据线匝所构成的面中的磁通最小化的方案的主要实现方法是，将能量线匝基本布置在数据线匝的第一部分(绕线方向与能量绕组相同)与第二部分(绕线方向与能量绕组相反)之间的中心位置上。借此可使被数据线匝封闭的面的大约一半被一磁场强度穿过，这一磁场强度与穿过封闭面另一半的场强方向相反。在此情况下，两半面的场强分量彼此抵消，使得整个面上几乎没有磁通。由于几乎没有磁通，数据线匝中也就不会产生感应电压，数据线匝也不会受到能量绕组的干扰。

通过将初级绕组布置和次级绕组布置实施为扁平线圈(flat coil)，可使用于非接触式能量传输和数据传输的装置具有紧凑的结构尺寸。

根据本发明的一有利实施方式，第一和第二支架实施为旋转对称，并布置为彼此之间在轴向上相互偏移，且具有一共用旋转轴。采用这种实施方式的第一和第二支架可通过共用旋转轴相对转动。