CH705833B1

CH705833B1 - Apparatus for transformational energy transfer to a rotating shaft.

Info

Publication number: CH705833B1
Application number: CH01912/11A
Authority: CH
Inventors: Dominik Bortis; Johann W Kolar
Original assignee: Eth Zürich Eth Transfer
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2015-12-15
Also published as: CH705833A2

Abstract

Eine Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierende Welle weist auf: einen stehenden Teil (1) mit einer Primärwicklung (7) und einen mit der Welle rotierenden Teil (2) mit einer Sekundärwicklung (8), sowie einen Transformatorkern aus Magnetkernmaterial, wobei die beiden Wicklungen (7, 8) und der Transformatorkern (12, 16, 17) einen Transformator bilden. Dabei sind alle Teile des Transformatorkerns (12, 16, 17) am stehenden Teil (1) angeordnet, oder Teile des Transformatorkerns sind am rotierenden Teil (2) nur an Stellen geringer mechanischer Belastung durch Fliehkräfte angeordnet.An apparatus for transforming energy transfer to a rotating shaft comprises: a stationary part (1) having a primary winding (7) and a shaft rotating part (2) having a secondary winding (8), and a transformer core made of magnetic core material, the two Windings (7, 8) and the transformer core (12, 16, 17) form a transformer. In this case, all parts of the transformer core (12, 16, 17) on the stationary part (1) are arranged, or parts of the transformer core are arranged on the rotating part (2) only at locations of low mechanical stress by centrifugal forces.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Energie- und Signalübertragung und insbesondere auf eine Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierende Welle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to the field of electrical energy and signal transmission and in particular to a device for transformatory energy transfer to a rotating shaft according to the preamble of claim 1.

[0002] Eine derartige Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierende Welle ist beispielsweise bekannt aus: Colonel WM. T. McLyman, «Transformer and Inductor design Handbook», Third Edition, Revised and Expanded, Pages: 19-3–19-10 New York, NY: Marcel Dekker, Inc., 2004. Such a device for transformatory energy transfer to a rotating shaft is known for example from: Colonel WM. T. McLyman, "Transformer and Inductor Design Handbook", Third Edition, Revised and Expanded, Pages: 19-3-19-10 New York, NY: Marcel Dekker, Inc., 2004.

[0003] Im Bereich von Robotik oder bei Materialbearbeitungssystemen besteht vielfach die Aufgabe, auf drehenden Teilen befindliche Systemteile mit elektrischer Energie zu versorgen. Vorteilhaft werden hierfür Transformatoren mit einem stehenden und einem rotierenden Teil eingesetzt, d.h., es wird die magnetische Kopplung beider Teile zur berührungsfreien Übertragung elektrischer Leistung genutzt, wobei der Übertritt des magnetischen Flusses zwischen rotierendem und stehendem Teil axial oder radial ausgeführt sein kann. In the field of robotics or material handling systems, there is often the task of supplying electrical parts to system parts located on rotating parts. For this purpose, transformers with a stationary and a rotating part are advantageously used, that is, the magnetic coupling of both parts is used for non-contact transmission of electrical power, wherein the passage of the magnetic flux between the rotating and stationary part can be made axial or radial.

[0004] Bei axialem Luftspalt bzw. axialer Führung des magnetischen Flusses im Übergangsbereich zwischen einem stehenden Teil 1 und einem rotierenden Teil 2 ist eine konzentrische Anordnung von zwei topfförmigen zylindrischen magnetischen Schalenkernen 3, 4 mit Mittelsteg (Pot-Cores od. Schalenkerne) bekannt, deren offene Seiten sich mit geringer Distanz (Luftspaltlänge) 5 gegenüberstehen (Fig. 1 ). Der magnetische Fluss 6 kann sich so vom Mittelsteg des feststehenden Teiles 1 (Primärseite) über einen inneren Luftspalt in den Mittelsteg des rotierenden Teiles 2 (Sekundärseite) fortsetzen und zylindersymmetrisch über dessen Aussenwände und über einen kreisringförmigen äusseren Luftspalt zurück in die Aussenwände bzw. den Mittelsteg der Primärseite schliessen. Eine Primärwicklung 7 ist dabei auf den Mittelsteg des primärseitigen Schalenkerns und eine Sekundärwicklung 8 auf den Mittelsteg des sekundärseitigen Schalenkerns gewickelt. Das System ist mechanisch einfach realisierbar, weist jedoch aufgrund der relativ grossen radialen Ausdehnung Beschränkungen hinsichtlich des Einsatzes bei hohen Drehzahlen auf. Um bei kleinem Bauvolumen eine möglichst hohe Leistung übertragen zu können, ist eine hohe Betriebsfrequenz des Transformators zu wählen, weshalb der Magnetkreis mit Blick auf geringe Ummagnetisierungsverluste in Ferrit ausgeführt werden muss. Ferritmaterialien sind allerdings durch geringe mechanische Festigkeit gekennzeichnet, womit dem Aussendurchmesser bzw. der maximalen Drehzahl des Systems relativ tiefe Grenzen gesetzt, oder spezielle mechanische Verstärkungen in Form von Hülsen oder Bandagen vorzusehen sind. Zudem erhöht allgemein der rotierende Schalenkern mit Mittelsteg 4 die Masse der rotierenden Teile 2, wodurch für rasche Beschleunigung auf hohe Drehzahlen ein höheres Drehmoment benötigt wird bzw. bei Vorliegen einer Asymmetrie des Aufbaus – speziell mit grossem Aussendurchmesser – starke Unwuchtkräfte verursacht werden. In the axial air gap or axial guidance of the magnetic flux in the transition region between a stationary part 1 and a rotating part 2 is a concentric arrangement of two cup-shaped cylindrical magnetic shell cores 3, 4 with central web (pot cores od. the open sides of which face each other at a small distance (air gap length) 5 (FIG. 1). The magnetic flux 6 can thus continue from the central web of the fixed part 1 (primary side) via an inner air gap in the central web of the rotating part 2 (secondary side) and cylindrically symmetrical about the outer walls and an annular outer air gap back into the outer walls or the central web Close the primary page. A primary winding 7 is wound on the central web of the primary-side shell core and a secondary winding 8 on the central web of the secondary-side shell core. The system is mechanically simple to implement, but has limitations in terms of use at high speeds due to the relatively large radial extent. In order to be able to transmit as high a power as possible with a small construction volume, a high operating frequency of the transformer has to be selected, which is why the magnetic circuit has to be designed in ferrite with a view to low core losses. However ferrite materials are characterized by low mechanical strength, which set the outside diameter or the maximum speed of the system relatively low limits, or special mechanical reinforcements in the form of sleeves or bandages are provided. In addition, generally increases the rotating pot core with central web 4, the mass of the rotating parts 2, which for rapid acceleration to high speeds, a higher torque is required or in the presence of asymmetry of the structure - especially with a large outer diameter - strong unbalance forces are caused.

[0005] Bei radialem Luftspalt (Fig. 2a ) wird ein Zylinder 9 hoher Permeabilität (Kernmaterial) angeordnet und auf diesem die Sekundärwicklung 8 aufgebracht, wobei die beiden Enden des Zylinders nicht bewickelt werden. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit wird der Zylinder vorteilhaft mit einer tragenden Welle 10 und einer Hülse hoher Permeabilität 11 ausgeführt (Fig. 2b ). Der primärseitige Magnetkreis wird durch zwei konzentrische Kreisscheiben hoher Permeabilität 12 realisiert, welche beidseitig die Enden der Hülse hoher Permeabilität 11 überlappen und so angeordnet sind, dass einerseits ein radialer Luftspalt 5 über den Umfang gleicher Breite verbleibt bzw. eine Drehung des Zylinders 9 oder der tragenden Welle 10 mit der Hülse hoher Permeabilität 11 möglich ist und andererseits der im Zylinder 9 oder in der Hülse hoher Permeabilität 11 fliessende magnetische Fluss 6 einen Pfad geringer Reluktanz für einen radialen Rückschluss hin zur Primärseite 1 zur Verfügung hat, wobei der primärseitige Flusspfad durch einen Hohlzylinder hoher Permeabilität 13, der ohne Luftspalt zwischen den beiden Kreisscheiben 12 sitzt und in dessen Innerem die Primärwicklung 7 untergebracht ist, vervollständigt wird. Diese Ausführung bietet den Vorteil eines geringen Aussendurchmessers der rotierenden Teile 2 – somit eine Reduktion des benötigten Drehmoments für rasche Beschleunigung und Reduktion der Unwuchtkräfte – und einer einfachen Skalierung nach höheren Leistungen durch Vergrösserung der axialen Ausdehnung. Andererseits ist nach wie vor hinsichtlich mechanischer Festigkeit kritisches Ferritmaterial auf dem rotierenden Teil 2 unterzubringen und damit eine Einschränkung hinsichtlich der maximalen Drehzahl, dem weiterhin benötigten höheren Drehmoment und der weiterhin bestehenden Unwuchtkräfte gegeben. In radial air gap (Fig. 2a), a cylinder 9 of high permeability (core material) is arranged and applied to this, the secondary winding 8, wherein the two ends of the cylinder are not wound. To increase the mechanical strength of the cylinder is advantageously carried out with a supporting shaft 10 and a sleeve of high permeability 11 (Fig. 2b). The primary-side magnetic circuit is realized by two concentric disks of high permeability 12, which overlap the ends of the sleeve of high permeability 11 on both sides and are arranged so that on the one hand a radial air gap 5 remains over the circumference of the same width or a rotation of the cylinder 9 or the supporting Shaft 10 is possible with the sleeve of high permeability 11 and on the other hand the magnetic flux 6 flowing in the cylinder 9 or in the high-permeability sleeve 11 has a path of low reluctance for radial inference towards the primary side 1, the primary-side flow path being through a hollow cylinder high permeability 13, which sits without air gap between the two circular disks 12 and in the interior of which the primary winding 7 is housed, is completed. This design offers the advantage of a small outside diameter of the rotating parts 2 - thus a reduction of the required torque for rapid acceleration and reduction of imbalance forces - and a simple scaling to higher performance by increasing the axial extent. On the other hand, critical ferrite material is still to be accommodated on the rotating part 2 with respect to mechanical strength and thus a restriction with respect to the maximum speed, the still required higher torque and the existing unbalance forces exist.

[0006] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierend Welle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile behebt. It is therefore an object of the invention to provide a device for transforming energy transfer to a rotating shaft of the type mentioned, which overcomes the disadvantages mentioned above.

[0007] Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierende Welle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. This object is achieved by a device for transforming energy transfer to a rotating shaft with the features of claim 1.

[0008] Die Vorrichtung zur transformatorischen Energieübertragung auf eine rotierende Welle weist also auf: einen stehenden Teil mit einer Primärwicklung und einen mit der Welle rotierenden Teil mit einer Sekundärwicklung, sowie einen Transformatorkern aus Magnetkernmaterial. Dabei bilden die beiden Wicklungen und der Transformatorkern einen Transformator, wobei alle Teile des Transformatorkerns am stehenden Teil angeordnet sind, oder Teile des Transformatorkerns am rotierenden Teil nur an Stellen geringer mechanischer Belastung durch Fliehkräfte angeordnet sind. The device for transformatory energy transfer to a rotating shaft thus has: a stationary part with a primary winding and a shaft rotating with the part with a secondary winding, and a transformer core of magnetic core material. In this case, the two windings and the transformer core form a transformer, wherein all parts of the transformer core are arranged on the stationary part, or parts of the transformer core are arranged on the rotating part only at locations of low mechanical stress by centrifugal forces.

[0009] Dabei sind die Stellen geringer mechanischer Belastung durch Fliehkräfte insbesondere Stellen, an denen sich der Transformatorkern, in radialer Richtung gesehen, innerhalb des Radius der Sekundärwicklung befindet. Der äusserste Radius des rotierenden Teiles des Kernes ist also kleiner oder gleich dem äussersten Radius der Sekundärwicklung. The locations of low mechanical stress by centrifugal forces are in particular places where the transformer core, viewed in the radial direction, is within the radius of the secondary winding. The outermost radius of the rotating part of the core is therefore less than or equal to the outermost radius of the secondary winding.

[0010] Es sind also gemäss einer Ausführungsform keine Teile des Transformatorkerns am rotierenden Teil angeordnet. Thus, according to one embodiment, no parts of the transformer core are arranged on the rotating part.

[0011] Gemäss einer Ausführungsform weist die Sekundärwicklung die Form eines Hohlzylinders auf und umfängt einen stehenden Teil des Transformatorkerns. Es ragt also der stehende Teil des Transformatorkerns in die Sekundärwicklung hinein. According to one embodiment, the secondary winding has the shape of a hollow cylinder and surrounds a stationary part of the transformer core. Thus, the standing part of the transformer core protrudes into the secondary winding.

[0012] Es gilt also für die verschiedenen Ausführungsformen auch, dass der Teil des Transformatorkerns, der von der Sekundärwicklung umfangen ist, entweder am stehenden Teil angeordnet ist oder sich in radialer Richtung nicht weiter als bis zur Sekundärwicklung erstreckt. It is therefore also true for the various embodiments that the part of the transformer core, which is surrounded by the secondary winding, is either arranged on the stationary part or extends in the radial direction not further than to the secondary winding.

[0013] Gemäss einer Ausführungsform erstreckt sich der stehende Teil des Transformatorkerns in axialer Richtung mindestens entlang der gesamten Länge der Sekundärwicklung. According to one embodiment, the standing part of the transformer core extends in the axial direction at least along the entire length of the secondary winding.

[0014] Gemäss einer Ausführungsform ist die Sekundärwicklung eine Luftspaltwicklung. Eine Luftspaltwicklung ist auf einer Zylinderfläche derart gewickelt, dass die Flussrichtung durch die Wicklung jeweils normal zur Zylinderfläche verläuft, also in radialer Richtung bezüglich des Zylinders. According to one embodiment, the secondary winding is an air gap winding. An air gap winding is wound on a cylindrical surface in such a way that the direction of flow through the winding in each case runs normal to the cylindrical surface, ie in the radial direction with respect to the cylinder.

[0015] Gemäss einer Ausführungsform weist der Transformatorkern einen am stehenden Teil angeordneten topfförmigen zylindrischen Schalenkern auf, dessen Schale die Sekundärwicklung umfängt und dabei vom rotierenden Teil im Bereich der Sekundärwicklung nur durch einen Luftspalt getrennt ist. According to one embodiment, the transformer core on a standing part arranged cup-shaped cylindrical shell core, whose shell surrounds the secondary winding and is separated from the rotating part in the region of the secondary winding only by an air gap.

[0016] Gemäss einer Ausführungsform ist ein Teil des Transformatorkerns, der von der Sekundärwicklung umfangen ist, mit der Sekundärwicklung am rotierenden Teil angeordnet und erstreckt sich in radialer Richtung nicht weiter als bis zur Sekundärwicklung. According to one embodiment, a part of the transformer core, which is surrounded by the secondary winding, arranged with the secondary winding on the rotating part and extends in the radial direction no further than to the secondary winding.

[0017] Gemäss einer Ausführungsform ist die Sekundärwicklung eine zylindrische Spule und weist der Transformatorkern einen am stehenden Teil angeordneten topfförmigen zylindrischen Schalenkern auf, dessen Schale die Sekundärwicklung umfängt, und einen ebenfalls stehenden Mittelsteg (Zapfen), der in die Sekundärwicklung hineinragt. According to one embodiment, the secondary winding is a cylindrical coil and has the transformer core arranged on a stationary part pot-shaped cylindrical shell core, whose shell surrounds the secondary winding, and a likewise standing central web (pin) which projects into the secondary winding.

[0018] Eine zylindrische Spule ist auf einer Zylinderfläche gewickelt und erzeugt einen Fluss in axialer Richtung bezüglich des Zylinders. A cylindrical coil is wound on a cylindrical surface and generates a flow in the axial direction with respect to the cylinder.

[0019] Gemäss einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein feststehendes, das offene Ende des topfförmigen Schalenkerns abschliessendes ringförmiges Kernteil auf, welches mit dem Mittelsteg einen Luftspalt bildet, wobei ein Träger der Sekundärwicklung durch diesen Luftspalt in den Schalenkern hineinführt. According to one embodiment, the device has a fixed, the open end of the cup-shaped shell core concluding annular core part, which forms an air gap with the central web, wherein a carrier of the secondary winding leads through this air gap in the shell core.

[0020] Gemäss einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein feststehendes, das offene Ende des topfförmigen Schalenkerns abschliessendes ringförmiges Kernteil auf sowie ein am rotierenden Teil angeordnetes drehendes Kernteil, wobei ein erster Luftspalt zwischen dem drehenden Kernteil und dem ringförmigen Kernteil vorliegt und ein zweiter, beispielsweise axialer Luftspalt zwischen dem stehenden Mittelsteg (Zapfen) und dem drehenden Kernteil vorliegt, und ein Träger der Sekundärwicklung durch den ersten Luftspalt in den Schalenkern hineinführt. According to one embodiment, the device has a fixed, the open end of the cup-shaped shell core concluding annular core part and a rotating part arranged on the rotating core part, wherein a first air gap between the rotating core part and the annular core part is present and a second, for example, axial Air gap between the standing central web (pin) and the rotating core part is present, and a carrier of the secondary winding leads through the first air gap in the shell core.

[0021] Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Further preferred embodiments will become apparent from the dependent claims.

[0022] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: <tb>Fig. 1 :<SEP>Axiale Ausführung eines rotierenden Transformators bekannter Art. <tb>Fig. 2a , 2b :<SEP>Radiale Ausführung eines rotierenden Transformators bekannter Art. <tb>Fig. 3 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders. <tb>Fig. 4 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einem Zapfen mit unterschiedlichen Durchmessern. <tb>Fig. 5 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einem verkürzten Zapfen und axialem Luftspalt. <tb>Fig. 6 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einem mitrotierenden Zylinder aus Kernmaterial und derselben Länge wie der Hohlzylinder. <tb>Fig. 7a , 7b :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einer im Luftspalt und auf dem Hohlzylinder befindlichen Sekundärwicklung. <tb>Fig. 8 :<SEP>Einen Transformator mit einer im Luftspalt und innerhalb des Hohlzylinders befindlichen Sekundärwicklung. <tb>Fig. 9 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einer im Luftspalt und auf dem Hohlzylinder befindlichen Sekundärwicklung und einem mitrotierenden Zylinder aus Kernmaterial und verkürztem Zapfen mit axialem Luftspalt. <tb>Fig. 10 :<SEP>Einen rotierenden Transformator mit einer im Luftspalt und innerhalb des Hohlzylinders befindlichen Sekundärwicklung und einem mitrotierenden Zylinder aus Kernmaterial und verkürztem Zapfen mit axialem Luftspalt.In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically: <Tb> FIG. 1: <SEP> Axial design of a rotating transformer of known type. <Tb> FIG. 2a, 2b: <SEP> Radial design of a rotating transformer of known type. <Tb> FIG. 3: <SEP> A rotating transformer with a secondary winding carrier made of non-magnetizable material in the form of a hollow cylinder. <Tb> FIG. 4: <SEP> A rotating transformer with a pin with different diameters. <Tb> FIG. 5: <SEP> A rotating transformer with a shortened pin and axial air gap. <Tb> FIG. 6: <SEP> A rotating transformer with a co-rotating cylinder of core material and the same length as the hollow cylinder. <Tb> FIG. 7a, 7b: <SEP> A rotating transformer with a secondary winding in the air gap and on the hollow cylinder. <Tb> FIG. 8: <SEP> A transformer with a secondary winding in the air gap and inside the hollow cylinder. <Tb> FIG. 9: <SEP> A rotating transformer with a secondary winding in the air gap and on the hollow cylinder and a co-rotating cylinder of core material and a shortened journal with an axial air gap. <Tb> FIG. 10: <SEP> A rotating transformer with a secondary winding in the air gap and inside the hollow cylinder and a co-rotating cylinder of core material and a shortened journal with an axial air gap.

[0023] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In principle, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.

[0024] Ein Aspekt der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist, nur einen Wicklungsträger und die Sekundärwicklung rotieren zu lassen, sämtliche Teile oder wesentliche Teile des Magnetkreises jedoch feststehend zu halten. One aspect of the various embodiments of the invention is to rotate only one winding carrier and the secondary winding, but to keep all parts or essential parts of the magnetic circuit fixed.

[0025] Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 geringer Wandstärke, wobei ein Anfangsbereich (ausgehend vom geschlossenen Ende des Hohlzylinders 14) ungewickelt verbleibt, also nur ein Endbereich mit der Sekundärwicklung 8 bedeckt wird, wobei vorteilhaft sich radial und in Umfangsrichtung erstreckende Seitenwände 15 des Wicklungsbereiches vorliegen können. Zusätzlich zu den Seitenwänden 15 können auch Zwischenwände (Segmentierung der Sekundärwicklung 8) im Wicklungsbereich vorgesehen sein, welche zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit des rotierenden Teils und Verbesserung der elektrischen Eigenschaften (Durchschlagfestigkeit) führen können. Die Sekundärwicklung kann auch mit leichten Materialien (z.B. Aluminium) ausgeführt werden, was zu einer Reduktion der rotierenden Masse und deren Unwuchtkräfte führt. Fig. 3 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 of small wall thickness, with an initial area (starting from the closed end of the hollow cylinder 14) remains unwound, so only one end region with the secondary winding 8 is covered, wherein advantageously radially and circumferentially extending side walls 15 of the winding region may be present. In addition to the side walls 15, intermediate walls (segmentation of the secondary winding 8) can also be provided in the winding area, which can lead to an increase in the mechanical strength of the rotating part and an improvement in the electrical properties (dielectric strength). The secondary winding can also be made with lightweight materials (e.g., aluminum), resulting in a reduction in rotating mass and its imbalance forces.

[0026] Der feststehende Magnetkreis hoher Permeabilität ist durch einen Schalenkern 16 mit gegenüber den Seitenwänden längerem zylinderförmigem Mittelsteg (Zapfen) 17 und eine auf die Seitenwände ohne Luftspalt konzentrisch aufgelegte vordere Kreisscheibe 12 (aus Gründen der Herstellbarkeit beispielsweise gebildet durch zwei Halbkreisscheiben) gleichen Materials gebildet. The fixed magnetic circuit of high permeability is formed by a shell core 16 with respect to the side walls longer cylindrical central web (pin) 17 and one on the side walls without air gap concentrically launched front circular disk 12 (for reasons of manufacturability, for example, formed by two semicircular disks) of the same material ,

[0027] Der Schalenkern 16 wird bei der Montage konzentrisch mit dem Hohlzylinder 14 angeordnet und der Zapfen 17 so weit in diesen eingeschoben – der Aussendurchmesser des Zapfens 17 ist so gewählt, dass gegenüber der Innenwand des Hohlzylinders 14 ein über den Umfang konstanter Luftspalt 5 verbleibt – dass das Zapfenende die Welle in axialer Richtung nicht berührt, also nach wie vor eine freie Drehung des Hohlzylinders 14 möglich ist. Anschliessend wird die vordere Kreisscheibe 12, deren Lochdurchmesser geringfügig grösser als der Aussendurchmesser des Hohlzylinders 14 im Bereich ohne Wicklung gewählt ist (also mit einem über den Umfang konstanten Luftspalt 5), aufgebracht. The shell core 16 is arranged concentrically with the assembly of the hollow cylinder 14 during assembly and the pin 17 so far inserted into this - the outer diameter of the pin 17 is chosen so that opposite the inner wall of the hollow cylinder 14 a constant air gap 5 remains over the circumference - That the spigot end does not touch the shaft in the axial direction, so still a free rotation of the hollow cylinder 14 is possible. Subsequently, the front circular disk 12, whose hole diameter is slightly larger than the outer diameter of the hollow cylinder 14 in the area without winding is selected (ie with a constant air gap over the circumference 5) applied.

[0028] Weiter kann an der Innenfläche der zylinderförmigen Aussenwand des Schalenkerns 16 die Primärwicklung 7 aufgebracht sein. Der durch die Primärwicklung 7 erregte magnetische Fluss 6 schliesst sich dann zylindersymmetrisch durch den Zapfen 17 über den Boden und die Aussenwand des Schalenkerns 16 und die vordere Kreisscheibe 12 bzw. deren Lochinnenwand radial nach innen gegen den Zapfenaussenmantel. Entsprechend ist die Zapfenlänge so zu wählen, dass der aus der Innenwand der Kreisscheibe 12 austretende magnetische Fluss 6 einen Pfad minimaler Reluktanz vorfindet. Further, the primary winding 7 may be applied to the inner surface of the cylindrical outer wall of the shell core 16. The excited by the primary winding 7 magnetic flux 6 then closes cylindrically symmetric by the pin 17 through the bottom and the outer wall of the shell core 16 and the front circular disc 12 and the inner wall of the hole radially inwardly against the Zapfenaussenmantel. Accordingly, the journal length is to be selected such that the magnetic flux 6 emerging from the inner wall of the circular disk 12 finds a path of minimal reluctance.

[0029] Der rotierende Hohlzylinder mit geringer Wandstärke 14 kann hierbei aus einem hochfesten Kunststoff oder aus hochfesten keramischen Materialen gefertigt werden und ist nur im Bereich des Flussübertrittes aus der Lochinnenwand der Kreisscheibe 12 in den Zapfen 17 mit möglichst geringer Dicke auszuführen, um die vorstehend erwähnte minimale Reluktanz des magnetischen Fluss 6 sicherzustellen. Mechanische Verstärkungen in anderen Bereichen sind daher einfach möglich. The rotating hollow cylinder with a small wall thickness 14 can be made of a high-strength plastic or high-strength ceramic materials and is only in the region of the flux from the inner wall of the circular disk 12 in the pin 17 with the smallest possible thickness to perform the aforementioned to ensure minimal reluctance of the magnetic flux 6. Mechanical reinforcements in other areas are therefore easily possible.

[0030] Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 gemäss Fig. 3 , wobei der Zapfen 17 – wieder mit Blick auf minimale Reluktanz – nur im Bereich der Lochinnenwand der Kreisscheibe 12 einen möglichst kleinen Luftspalt 5 gegenüber dem Hohlzylinder 14 aufweisen muss und über die weitere Länge mit geringerem Durchmesser ausgeführt sein kann, beispielsweise, um Freiraum für eventuelle Biegeschwingungen des Hohlzylinders 14 zu belassen. Für eine einfachere mechanische Fertigung kann für den Zapfen 17 im Bereich der Lochinnenwand der Kreisscheibe 12 ein separater Zylinder 18 – beispielsweise aus demselben Material wie der Zapfen 17 – verwendet werden und dieser mechanisch mit dem Zapfen verbunden sein. Fig. 4 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 according to FIG. 3, wherein the pin 17 - again with a view to minimal reluctance - only in the region of the hole inner wall of the circular disk 12th must have the smallest possible air gap 5 relative to the hollow cylinder 14 and can be designed over the further length with a smaller diameter, for example, to leave room for any bending vibrations of the hollow cylinder 14. For a simpler mechanical production, a separate cylinder 18 - for example made of the same material as the pin 17 - can be used for the pin 17 in the area of the inner wall of the circular disk 12 and be mechanically connected to the pin.

[0031] Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 gemäss Fig. 3 , wobei im Bereich der Innenwandung der Kreisscheibe 12 ein Zylinder aus Kernmaterial 19 ohne Luftspalt in den Hohlzylinder 14 eingebracht, also mitrotierend, vorliegt, womit die Reluktanz des magnetischen Flusses 6 zum rotierenden Teil reduziert wird, da dann nur mehr der Luftspalt 5 als erster Luftspalt im Bereich der Aussenwand des Hohlzylinders 14 verbleibt. Fig. 5 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 according to FIG. 3, wherein introduced in the region of the inner wall of the circular disk 12, a cylinder of core material 19 without an air gap in the hollow cylinder 14 , thus co-rotating, is present, whereby the reluctance of the magnetic flux 6 is reduced to the rotating part, since then only the air gap 5 remains as the first air gap in the region of the outer wall of the hollow cylinder 14.

[0032] Beispielsweise ist hierfür ein Zylinder aus Kernmaterial 19 relativ geringen Durchmessers vorzusehen, womit die mechanische Beanspruchung des Zylinders aus Kernmaterial 19 auf relativ tiefe Werte beschränkt bleibt. For example, for this purpose, a cylinder of core material 19 to provide relatively small diameter, whereby the mechanical stress of the cylinder of core material 19 remains limited to relatively low values.

[0033] Der Zapfen 17 ist dann so zu kürzen, dass hin zum Ende des Zylinders aus Kernmaterial 19 als zweiter Luftspalt ein geringer axialer Luftspalt 20 verbleibt, also dessen Drehung nicht behindert und die Reluktanz des magnetischen Flusses 6 möglichst gering verbleibt. The pin 17 is then to be shortened so that towards the end of the cylinder of core material 19 as a second air gap, a small axial air gap 20 remains, so its rotation is not hindered and the reluctance of the magnetic flux 6 remains as low as possible.

[0034] Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 und einem mitrotierenden Zylinder aus Kernmaterial 19 gemäss Fig. 5 , wobei weiterführend der Zylinder aus Kernmaterial 19 ebenfalls in den Bereich ausserhalb der Innenwandung der Kreisscheibe 12 bis hin zum Ende des Hohlzylinders 14 verlängert ist. Fig. 6 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 and a co-rotating cylinder of core material 19 according to FIG. 5, wherein continuing the cylinder of core material 19 also in the area outside the Inner wall of the circular disc 12 is extended to the end of the hollow cylinder 14.

[0035] Zur Verringerung der mechanischen Beanspruchung des Zylinders aus Kernmaterial 19 kann des Weiteren der Hohlzylinder 14 in Form einer Hülse mit Schrumpfsitz vorliegen. Der Zapfen 17 ist dabei wiederum zu kürzen (bei maximaler Länge des Zylinders aus Kernmaterial 17 verschwindet der Zapfen 17 gänzlich), dass hin zum Ende des Zylinders aus Kernmaterial 19 ein geringer axialer Luftspalt 20 verbleibt, also die Drehung des Zylinders aus Kernmaterial 19 nicht behindert und die Reluktanz des magnetischen Flusses 6 möglichst gering verbleibt. Für sämtliche der vorstehend beschriebenen Anordnungen (Fig. 3 –Fig. 6 ) kann der Schalenkern 16 auch mit nicht über den ganzen Umfang geschlossenen Aussenwänden, also z.B. als E-Kern oder U-Kern, ausgeführt sein, einzig der Zapfen 17 soll vorteilhaft einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. To reduce the mechanical stress on the cylinder of core material 19, the hollow cylinder 14 may further be in the form of a sleeve with a shrink fit. The pin 17 is in turn to shorten (at maximum length of the cylinder of core material 17, the pin 17 disappears entirely) that towards the end of the cylinder of core material 19, a small axial air gap 20 remains, so the rotation of the cylinder of core material 19 is not hindered and the reluctance of the magnetic flux 6 remains as low as possible. For all of the arrangements described above (Figures 3 - 6), the shell core 16 may also be provided with outer walls not closed over the entire circumference, e.g. be designed as E-core or U-core, only the pin 17 should advantageously have a circular cross-section.

[0036] Fig. 7a und 7b zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemässen rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14, wobei nun die Sekundärwicklung 8 direkt im Luftspalt 5 des primärseitig feststehenden Magnetkreises, d.h. zwischen der Innenfläche der dann entsprechend breit ausgeführten Kreisscheibe 12 und dem Zapfen 17 angeordnet ist. Fig. 7a and 7b show further embodiments of a novel rotary transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14, wherein now the secondary winding 8 directly in the air gap 5 of the primary side fixed magnetic circuit, i. between the inner surface of the then correspondingly wide circular disc 12 and the pin 17 is arranged.

[0037] Die Länge des Hohlzylinders 14 wird dadurch verkürzt und so mechanische Resonanzen potentiell zu höheren Drehzahlen verschoben. Zudem weist diese Ausführung Vorteile bezüglich der Montage auf. Die Primärwicklung 7 ist beispielsweise auf dem Boden des Schalenkerns 16 (Fig. 7a ) oder in einem unteren Teil einer Innenwand des Schalenkerns 16 angeordnet, also an einem von der offenen Seite des Schalenkerns beabstandeten Bereich der Innenwand (Fig. 7a ). The length of the hollow cylinder 14 is thereby shortened and thus potentially shifted mechanical resonances to higher speeds. In addition, this embodiment has advantages in terms of mounting. The primary winding 7 is arranged, for example, on the bottom of the shell core 16 (FIG. 7a) or in a lower part of an inner wall of the shell core 16, ie on a region of the inner wall which is at a distance from the open side of the shell core (FIG. 7a).

[0038] Die Sekundärwicklung 8 ist dabei beispielsweise als selbsttragende Luftspaltwicklung – wie von rotierenden elektrischen Maschinen bekannt – auszuführen, wobei die Wicklung auf den Hohlzylinder 14 von aussen aufgeschoben wird. The secondary winding 8 is, for example, as self-supporting air gap winding - as known from rotating electrical machines - run, wherein the winding is pushed onto the hollow cylinder 14 from the outside.

[0039] Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 und einer sich im Luftspalt 5 befindlichen Sekundärwicklung 8 analog zur Fig. 7 , wobei die Sekundärwicklung 8 in den Hohlzylinder 14 eingeschoben ist, der Hohlzylinder 14 also die Sekundärwicklung 8 in radialer Richtung umfängt. Für die Bauweise im Inneren des Hohlzylinders 14 ist durch dessen Wandung eine mechanische Verstärkung hinsichtlich der Fliehkräfte gegeben. Fig. 8 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 and located in the air gap 5 secondary winding 8 analogous to FIG. 7, wherein the secondary winding 8 is inserted into the hollow cylinder 14 that surrounds the hollow cylinder 14 thus the secondary winding 8 in the radial direction. For the construction in the interior of the hollow cylinder 14 is given by the wall of a mechanical reinforcement in terms of centrifugal forces.

[0040] Fig. 9 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 und einer auf den Hohlzylinder 14 geschobenen im Luftspalt 5 befindlichen Sekundärwicklung 8 analog zur Fig. 7 , wobei aufgrund des geringen Durchmessers des Hohlzylinders 14 und der dadurch geringen Fliehkräfte hier wieder ein Zylinder aus Kernmaterial 19 entsprechender Länge im Inneren des Hohlzylinders 14 mitrotierend vorgesehen und der Zapfen 17 entsprechend gekürzt werden, dass hin zum Ende des Zylinders aus Kernmaterial 19 wiederum ein geringer axialer Luftspalt 20 verbleibt. Fig. 9 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 and a pushed onto the hollow cylinder 14 in the air gap 5 located secondary winding 8 analogous to FIG. 7, wherein due to the small diameter of Hollow cylinder 14 and the thus low centrifugal forces here again provided a cylinder of core material 19 corresponding length in the interior of the hollow cylinder 14 co-rotating and the pin 17 are shortened accordingly that towards the end of the cylinder of core material 19 again a small axial air gap 20 remains.

[0041] Fig. 10 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines rotierenden Transformators mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material gefertigten Sekundärwicklungsträger in Form eines Hohlzylinders 14 und einer im Luftspalt 5 befindlichen Sekundärwicklung 8 und einem mitrotierenden Zylinder aus Kernmaterial 19 und verkürztem Zapfen 17 mit axialem Luftspalt 20 analog zur Fig. 9 , wobei die Sekundärwicklung 8 in den Hohlzylinder 14 eingeschoben ist. Fig. 10 shows an exemplary structure of a rotating transformer with a made of non-magnetizable material secondary winding carrier in the form of a hollow cylinder 14 and a secondary air 8 located in the air gap 5 and a co-rotating cylinder of core material 19 and shortened pin 17 with axial air gap 20 analogous to Fig. 9, wherein the secondary winding 8 is inserted into the hollow cylinder 14.

[0042] Des Weiteren kann, grundsätzlich in allen Ausführungsformen, die Wicklung in Nuten eines Rotorringes aus Material hoher Permeabilität eingelegt sein, der auf dem Hohlzylinder oder innerhalb des Zylinders angeordnet ist. Ebenfalls kann grundsätzlich in allen Ausführungsformen die Primärwicklung in Nuten des stehenden Kernmaterials eingebracht sein. Beispielsweise ist dann die Luftspaltbreite nicht mehr durch die Wicklungshöhe und die Wandstärke des Hohlzylinders bestimmt, allerdings ist wieder magnetisches Material auf dem rotierenden Teil angeordnet. Furthermore, in principle, in all embodiments, the winding may be inserted in grooves of a rotor ring made of high permeability material, which is arranged on the hollow cylinder or within the cylinder. Also, in principle, in all embodiments, the primary winding may be incorporated in grooves of the standing core material. For example, then the air gap width is no longer determined by the winding height and the wall thickness of the hollow cylinder, but magnetic material is again arranged on the rotating part.

Claims

1. A device for transforming energy transfer to a rotating shaft, comprising a stationary part (1) having a primary winding (7) and a shaft rotating with the part (2) having a secondary winding (8), and a transformer core made of magnetic core material, the two Windings (7, 8) and the transformer core (12, 16, 17) form a transformer, characterized in that all parts of the transformer core (12, 16, 17) on the stationary part (1) are arranged, or parts (19) of the Transformer core (12, 16, 17) are arranged on the rotating part (2) only at locations at which the transformer core, as seen in the radial direction, is within the radius of the secondary winding (8).

2. Device according to claim 1, in which the secondary winding (8) has the shape of a hollow cylinder and a pin (17) of the transformer core (12, 16, 17) surrounds.

3. Device according to claim 2, in which the pin (17) of the transformer core (12, 16, 17) extends in the axial direction at least along the entire length of the secondary winding (8).

4. Device according to one of claims 1 to 3, in which the secondary winding (8) is an air gap winding.

5. Apparatus according to claim 4, in which the transformer core (12, 16, 17) has a standing part (1) cup-shaped cylindrical shell core (16) whose shell surrounds the secondary winding (8) and thereby from the rotating part (2) in the region of the secondary winding (8) is separated only by an air gap (5).

6. Device according to claim 4 or 5, wherein a part (19) of the transformer core, which is surrounded by the secondary winding (8) with the secondary winding (8) on the rotating part (2) is arranged and in the radial direction no further than extends to the secondary winding (8).

7. Device according to one of claims 3 to 5, in which the transformer core (12, 16, 17) has a standing on the part (1) cup-shaped cylindrical shell core (16) whose shell surrounds the secondary winding (8), and also a standing central web or pin (17) which projects into the secondary winding (8).

8. The device according to claim 7, comprising a fixed, the open end of the cup-shaped shell core (16) concluding annular core part (12) which forms an air gap (5) with the central web, wherein a carrier of the secondary winding (8) through this air gap ( 5) leads into the shell core (16).

9. Device according to claim 7, comprising a fixed, the open end of the cup-shaped shell core (16) concluding annular core part (12) and arranged on the rotating part rotating core part (19), wherein a first air gap (5) between the rotating core part ( 19) and the annular core part (12) and a second air gap (20) between the standing center web or pin (17) and the rotating core part (19) is present, and a carrier of the secondary winding through the first air gap in the shell core (16) leads ,