CN101345468A - 伺服式离合装置及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明为伺服式离合装置及其运行方式，本装置成直线的两个转子轴分别连接输出输入轴。二转子之一嵌有永磁磁极或为励磁线圈，另一为绕组，二者构成电机。绕组与伺服驱动器连接，二转子轴上各安装连接伺服驱动器的位置/速度传感器。伺服驱动器含有扭矩伺服和速度/位置伺服功能，有与离合控制单元连接的控制端口，接受扭矩或速度/位置设定、模式切换信号、扭矩限制设定信号。伺服驱动器与电能存储装置、和/或用电装置等相连。其运行方式为根据需要确定工作模式，动态改变扭矩或速度/位置设定值、扭矩限制值，按给定规律控制主从隔离、或逐渐柔和接合/分离、或稳态运行。在主动轴转速大于从动轴时，多余能量转换为电能使用或存储不发热。

Description

伺服式离合装置及其运行方式

(一)技术领域

本发明涉及传动技术领域，具体为一种伺服式离合装置及其运行方式。

(二)背景技术

离合器是机械传动系统中常用的扭矩传递部件。常见的离合器有磁粉离合器、电磁离合器、摩擦式或液力式机械离合器等几种。主要功能是隔离主、从部件的扭矩传递，实现主从部件的逐渐接合/分离，传递工作扭矩。

磁粉离合器在主从部分之间加入了磁粉，通过调节从动部分的激磁电流就能方便地控制转矩，且转矩随激磁电流呈一定的线性关系，与激磁电流在相当广阔的范围内成正比。并且磁粉离合器具有较为迅捷的快速响应性：激磁电流的变化使磁场强度产生相应的变化，其过程无任何宏观的机械动作，几乎在接通电源的同时，就有转矩传递。但主从部分的速度差会磨擦发热，损失能量、通常还需要用水冷却。

电磁式离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离，但传递扭力不易定量控制。

摩擦式离合器的主动和从动部分依靠摩擦力传递扭矩，给主、从部分施加接触压力，两者摩擦面相接合，依靠摩擦力传递扭矩；撤消接触压力，两者摩擦面分离而实现扭矩隔离；逐渐加大或减小接触压力，则可实现两者逐渐接合或分离。当离合器反复多次离合、主从部分有速差时，其摩擦面之间频繁地相对滑磨会产生大量的热量，同时相互磨损；离合器完全分离或完全结合时，摩擦片间摩擦发热停止。此类离合器摩擦片间摩擦发热严重，磨损也严重，因而摩擦离合器是易损件。另外摩擦式离合器传递扭矩的定量控制非常困难，操纵控制机械结构也较复杂。液力离合器利用液体作为传动介质，一般包括输入轴、增速齿轮系、工作液流腔、叶轮、从动轮等，虽然能实现离合器的功能，但也不能精确控制传递扭矩，并且结构复杂成本过高。

上述离合器都能够控制主从部分扭矩隔离、逐步接合、稳定传递扭矩，但接合过程会摩擦发热，不能将接合过程的剩余能量回收；虽然磁粉离合器可在一定程度上调节传递扭矩的大小，并且响应速度达到百毫秒级，但是现在的离合器均无法满足精确地、宽范围、响应快地控制传递扭矩以及效率高、体积小、能耗低的要求。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种伺服式离合装置及其运行方式，实现离合器传递扭矩从0-100％全范围的高精度、高速响应线性控制，并且，在传递扭矩时，将主从部分速度差导致的多余能量转变为电能，使用或存储，极少产生热量。

本发明设计的伺服式离合装置包括输入轴、第一转子、第二转子、输出轴、导电滑环、两个位置传感器或者两个位置/速度传感器和伺服驱动器。离合器的第一转子轴连输入轴，第二转子轴连输出轴，二轴处于同一直线。输入轴和输出轴可互换。第一转子和第二转子二者其一嵌有永磁磁极，另一个为绕制在铁芯上的绕组，嵌有永磁磁极的为另一个提供磁场，二者构成永磁电机。或者第一转子和第二转子二者其一为与外部励磁电源连接的励磁线圈，为另一个提供磁场，另一个为绕制在铁芯上的绕组，二者构成它励电机。绕组通过集电环与伺服驱动器连接，第一、第二转子轴上各安装一个位置传感器或者位置/速度传感器，二位置传感器或者二位置/速度传感器连接伺服驱动器。伺服驱动器含有扭矩伺服单元和/或速度/位置伺服单元，有与离合控制单元连接的控制端口，控制端口含有扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定多种控制信号端口，还可有扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的控制端口。

离合控制单元主体为单片机，内含透过功能模块、曲线选定功能模块和设置模块，透过功能模块和曲线选定功能模块各经其内的模拟/数字开关并联后接到伺服驱动器的控制端口，设置模块内的选择开关接透过功能模块和曲线选定功能模块的模拟/数字开关，该选择开关为两个功能模块的模拟数字开关之一提供有效电平，作为功能模块的选通信号；该选择开关可直接设置选择所接功能模块，同时经单片机与外部控制单元相接，接受外部控制单元的信号选择所接功能模块。曲线选定功能模块内按编码存储有离合器各种常用功能流程的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合曲线；离合控制单元有扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口，扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的输出控制端口；还含有与上位外部控制单元连接的信号输入端口。该离合控制单元按设置模块选择开关的设置接受其内或外部控制单元的提供的选通信号，确定其运行的功能模块、并向伺服驱动器提供控制信号。伺服驱动器按离合控制单元的信号工作于扭矩伺服或有扭矩限制的速度/位置伺服模式。伺服驱动器经直流母线与外部相关配套装置相连，相关配套装置含电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变器、和/或能量泄放装置相连，伺服驱动器还与外部电源相连。

离合控制单元的透过功能模块运行时，外部控制单元提供的扭矩设定信号、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定信号、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号直接透过传递给伺服驱动器；其曲线选定功能模块运行时，按外部控制单元给定的编码信号，离合控制单元以预存的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合变化规律提供给伺服驱动器。

本伺服式离合装置的运行方式如下：

本离合器工作于扭矩伺服控制模式，离合控制单元根据外部控制单元指令，按照期望的扭矩传递规律给伺服驱动器提供扭矩设定信号，伺服驱动器即根据此设定值进行扭矩伺服控制，对输入轴施加线性跟随设定值的扭矩。由于作用力与反作用力的关系，在输入轴上的第一转子受到输出轴上的第二转子的电磁扭矩时，输出轴上的第二转子也受到同样大小的反作用扭矩，此扭矩即为离合器从输入轴传递到输出轴的扭矩，即主动轴按扭矩设定值的变化规律向从动轴传递扭矩。

或者本离合器工作于模式二：带扭矩限制的速度/位置控制模式，离合控制单元根据外部控制单元指令、按照期望的输出轴运动规律给伺服驱动器提供速度/位置给定信号和扭矩限制值，维持设定的速度/位置值所需扭矩不大于扭矩限制值时，伺服驱动器按设定的速度/位置变化规律控制第一、第二转子运行；维持设定的速度/位置运动规律所需扭矩大于扭矩限制值时，伺服驱动器保持第一、第二转子间的扭矩线性跟随扭矩限制值，第一转子3和第二转子4的相对速度/位置偏离设定值。

外部控制单元根据运动控制需要，选定离合控制单元运行其透过功能模块，通过伺服驱动器的控制端口选定其工作于扭矩伺服控制模式或带扭矩限制的速度/位置控制模式；动态改变扭矩设定值、速度/位置设定值、扭矩限制值，控制本离合装置主从部分隔离、或逐渐柔和接合/分离、或稳态运行。在接合/分离过程中，主动轴转速大于从动轴转速时，第一、第二转子将多余能量转换为电能送入伺服驱动器，经直流母线被相关配套装置使用或存储。

外部控制单元根据运动控制需要，选定离合控制单元运行其曲线功能模块并给出编码信号，离合控制单元依据编码信号按预存的曲线变化规律、将控制信号组合送达伺服驱动器接口，伺服驱动器动态控制第一转子、第二转子按预定规律运行。

本伺服式离合装置及其运行方式通过伺服控制按设定值传递扭矩，具有以下的优点：

①输入轴和输出轴之间的扭矩传递为线性控制，非线性度可控制在5％以内；

②输入轴和输出轴间半联动过程产生的能量可以回收再利用；没有主从单元间的摩擦导致的能量损耗，发热小，效率高；

③转动部件间无机械摩擦，具有出色的耐久性和可靠性；

④在扭矩伺服模式，传递扭矩的大小与输入轴、输出轴的速度无关；

⑤扭矩控制响应迅速，响应时间可达毫秒级；

⑥离合操控灵活、平滑、无冲击，适合半联动控制；

⑦本伺服式离合器有多种工作方式：

a)输入轴转速等于输出轴转速，输入轴送入的能量，全部传递给输出轴；

b)输入轴转速高于输出轴转速，输入轴送入的能量，一部分传递给输出轴，多余部分转变为电能进入伺服驱动器；

c)输入轴转速低于输出轴转速，输入轴送入的能量，全部传递给输出轴，同时伺服驱动器消耗来自供电系统的电能，将之转变为机械能输出到输出轴；

d)加载方式，即针对输入轴施加大小精确受控、方向可变的扭矩负载；

e)制动方式，即第一、第二转子轴其一固定不动，对另一轴施加与转动方向相反的制动扭矩；

f)驱动方式，即第一、第二转子轴其一固定不动，对另一轴施加与转动方向相同的驱动扭矩；

⑧伺服驱动器配套电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变器、和/或能量泄放装置，以实现对回收能量的处置。

⑨可限制主从部分接合扭矩最大值，使主从部分免受过大扭矩的损害。

⑩可将常见的主从部分运行规律预存于离合控制单元，按外部控制单元编码选定运行，操控简化。

(四)附图说明

图1为本发明伺服式离合装置实施例1的结构示意图；

图2为本发明伺服式离合装置实施例2的结构示意图；

图1和2中标号为：1、输入轴，2、A位置传感器，3、第一转子，4、第二转子，5、集电环，6伺服驱动器，7、B位置传感器，8、输出轴，9、相关配套装置，10、离合控制单元。

图3为本发明伺服式离合装置实施例1的离合控制单元结构框图；

图中标号为：11、透过功能模块，12、设置模块，13、曲线选定功能模块。

(五)具体实施方式

实施例1

本发明伺服式离合装置实施例1的结构如图1所示，输入轴1连接第一转子3，第一转子3为外转子，内嵌永磁磁极，其内为第二转子4，第二转子4为内转子，为绕制在铁芯上的绕组，第二转子4连接本装置的输出轴8。输入轴1、输出轴8处于同一直线。第一转子3为第二转子4提供径向磁场。本实施例第一转子3内嵌的永磁磁极及第二转子4的铁芯和绕组构成永磁同步电机、开关磁阻电机、或直流电机。第一转子3上安装有A位置传感器2。第二转子4轴上安装有B位置传感器7，A位置传感器2与B位置传感器7经求差运算器后连接伺服驱动器6，或者直接连接内含求差运算器的伺服驱动器6。二传感器2、7获得的位置信号经过求差运算后作为第一、第二转子3、4的相对位置信号送入伺服驱动器6。伺服驱动器6通过集电环5与第二转子4的绕组连接，伺服驱动器6为含有扭矩伺服单元的伺服驱动器，伺服驱动器6具有与离合控制单元10连接的扭矩设定信号控制端口，工作于扭矩伺服模式。伺服驱动器6经直流母线与相关配套装置9连接，该装置包括电能存储装置、用电装置、逆变器、能量泄放装置，伺服驱动器还连接外部电源。

离合控制单元10主体为单片机，内含透过模块功能模块11、曲线选定功能模块13和设置模块12，透过功能模块11和曲线选定功能模块13各经其内的模拟/数字开关并联后接伺服驱动器的控制端口，设置模块12内的选择开关接透过功能模块和曲线选定功能模块的模拟/数字开关，为二者之一提供有效电平，作为功能模块的选通信号；该选择开关可直接控制选择，还与外部控制单元相接，可接受外部控制单元的功能模块选择信号。曲线选定功能模块内按编码存储有离合器各种常用功能流程的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合曲线；如本离合器柔和接合过程、或柔和脱离过程、或其它常规操控过程对扭矩等各种设定值的组合。离合控制单元有扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口，扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的输出控制端口；还含有与上位外部控制单元连接的信号输入端口。

该离合控制单元10按设置模块的选择开关接受其内设置的或外部控制单元的提供的选通信号，确定运行的功能模块。其透过功能模块运行时，外部控制单元提供的扭矩设定信号、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定信号、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号直接透过传递给伺服驱动器6；其曲线选定功能模块运行时，按外部控制单元给定的编码信号，离合控制单元选定对应的预存曲线组合信号，以预存的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合变化规律提供给伺服驱动器6。

本实施例中，上述的离合控制单元10的功能可通过多种线路实现，本例结构如附图3所示，包括透过功能模块11、曲线选定功能模块13、设置模块12。透过功能模块11内含A模拟/数字开关，该模块一侧与上位外部控制单元连接的输入信号端口连接，另一侧经A模拟/数字开关与伺服驱动器6连接的控制信号输出端口连接；曲线选定功能模块13主体为单片机，也含有B模拟/数字开关，该模块一侧与上位外部控制单元连接的输入信号端口连接，接受编码选择信号，另一侧经B模拟/数字开关与透过功能模块11并联接至伺服驱动器6连接的控制信号输出端口。设置模块12含选择开关，其为三种状态的设置选择开关，如图3所示，接高电平Vcc、或接地GND、或接曲线选定功能模块13的单片机单元，该选择开关经所接非门直接为透过功能模块11或曲线选定功能模块13提供二选一的选通信号，或者由单片机单元依据外部编码选择信号为透过功能模块11和曲线选定功能模块13的A、B模拟/数字开关提供二选一的选通信号。

本装置也可以设计成第一转子3安装铁芯和绕组，而第二转子4上安装永磁磁极，伺服驱动器6通过集电环5与第一转子3的绕组连接。

本装置还可以设计成第一转子3安装铁芯和绕组，而第二转子4则为励磁线圈，经集电环与外部励磁电源连接，产生电磁场，提供给第一转子3。伺服驱动器6通过集电环5与第一转子3的绕组连接。第二转子4安装铁芯和绕组，而第一转子3为励磁线圈的情况与之相似。

本离合装置实施例输入轴1连接外部动力机构，为主动部分，输出轴8连接负载，为从动部分。输入轴1与输出轴8可互换，即输出轴8连接外部动力机构，为主动部分，输入轴1连接负载，为从动部分。

本伺服式离合装置的第一、第二转子3、4也可按相关结构构成开关磁阻电机、或直流电机，其它结构与上述相同。

所述A、B位置传感器2、7可以是带有UVW信号的增量式光电编码器、或绝对式光电编码器或磁编码器或其它形式的位置传感器。

也可在第一转子3和第二转子4之间安装相对位置检测装置以取代A、B位置2、7，该相对位置检测装置与伺服驱动器6连接，直接输出两个转子相对位置的信号给伺服驱动器6。

实施例2

本发明伺服式离合装置实施例2的结构如图2所示，其第一转子3和第二转子4相对，保持气隙，其它结构与实施例1相同。二者构成轴向磁路结构，两个转子之间的气隙磁场方向为轴向。

本发明伺服式离合装置实施例1和2的运行方式如下：伺服驱动器6工作在扭矩伺服模式，本伺服式离合器的主从部分接合的扭矩值线性跟随伺服驱动器6的扭矩设定值，在接合过程中，离合器输入轴1与输出轴8的运动分别由各自的合成扭矩决定，即由伺服式离合器的电磁扭矩与二轴1、8上的动力扭矩或负载扭矩决定。

输入轴1转动时，本装置的第一转子3随之转动。伺服驱动器6根据其外部控制端口送入扭矩设定值大小和方向，以及A、B位置传感器2、7测量的第一转子3、第二转子位置信号，通过集电环5向第二转子4的绕组输出相应的电流矢量，从而对本装置进行扭矩伺服控制，通过第二转子4、第一转子3、对输入轴1施加线性跟随设定值的扭矩。由于作用力与反作用力的关系，在输入轴1上的第一转子3受到输出轴8上的第二转子4的电磁扭矩时，输出轴8上的第二转子4也受到同样大小的反作用扭矩，此扭矩即为离合器从输入轴1传递到输出轴8的扭矩。

外部按照期望的主从扭矩传递规律给伺服驱动器6提供扭矩设定信号，本离合器按扭矩设定信号的渐变规律从主动轴向从动轴传递扭矩，实现主从部分隔离、逐渐接合的过程，还实现对输入轴精确加载、对输入输出轴驱动/制动功能，主要运行方式如下：

①隔离状态

伺服驱动器6获得的扭矩设定值为0，伺服驱动器6输出给电机绕组的电流大小为0，第一转子3与第二转子4之间电磁力为0，本离合装置为“离”的状态，输入轴1与输出轴8处于自由状态；

②逐渐接合/分离与稳态运行状态

当对伺服驱动器6设定T扭矩时，离合器第一转子3与第二转子4间产生电磁扭矩线性跟随该设定值T，即两个转子间产生的电磁扭矩为nT，n为常数。本例中n＝1，两个转子间产生的电磁扭矩也为T，输入轴1传递给输出轴8的扭矩也是T，设定扭矩T按运动控制要求的规律变化时，输入轴1传递给输出轴8的扭矩也按相同的规律变化；例如，T随时间线性或按某一曲线递增，输入轴1传递给输出轴8的扭矩也按相同规律渐增，由此实现主从部分耦合扭矩按运动控制要求的规律柔和地逐渐接合；T按运动控制要求的规律随时间线性或按某一曲线递减，同样实现主从部分耦合扭矩按相同规律柔和地逐渐脱离。

在逐渐接合过程中，输入轴1受其连接的动力机构及第一、第二转子3、4之间的电磁扭矩T(单位为N·m，牛顿米，下同)的作用，其转动状态随之发生相应的变化；同样输出轴8受电磁扭矩T及负载扭矩的共同作用，其转动状态亦发生相应的变化。输入轴1的转速可以低于、等于或高于输出轴8的转速。

当输入轴1的转速N₁(单位为rpm，每分钟转数，下同)高于输出轴8的转速N₂时，输入轴1送入的能量P₁＝T×N₁÷9550(单位为kW，千瓦，式中9550为单位转换常数，下同)，一部分P₂＝T×N₂÷9550(kW)传递给输出轴8，多余部分(P₁-P₂)＝T×(N₁-N₂)÷9550(kW)经第一、第二转子3、4转变为电能进入伺服驱动器6，经直流母线送入相关配套装置9，如可直接送入用电装置被利用，或送入电能存储装置存储，几乎不生热。其它各类离合器在柔和接合/分离过程因速差未耦合到输出轴的能量只能发热损失，甚至因此损害离合器。本伺服式的离合装置可以长期、稳定地在其它离合器回避的“半联动”状态运行，输入轴的能量不会损失、也不会损坏离合装置。

当输入轴1的转速N₁等于输出轴8的转速N₂时，输入轴1送入的能量，全部传递给输出轴8。当输入轴1的转速N₁低于输出轴8的转速N₂时，输入轴1送入的能量全部传递给输出轴8，同时伺服驱动器6经直流母线汲取电能存储装置或外部电源的电能，经第一、第二转子3、4转变为机械能输出到输出轴8。

由于第一、第二转子3、4相互作用扭矩受控于伺服驱动器6，第一、第二转子3、4传递的最大扭矩等于当前的设定扭矩，输出轴8或输入轴1不会将冲击性的破坏扭矩传递给另一轴，本伺服式离合器能有效地保护输出轴8或输入轴1关联部件免受破坏性扭矩的损害。

③对输入轴精确加载：本伺服式离合器工作于扭矩伺服控制模式时，可按扭矩加载方式工作，离合控制单元10根据外部控制单元指令，按期望值对伺服驱动器6提供扭矩设定值，伺服驱动器6以扭矩伺服方式通过第二转子4、第一转子3对输入轴1施加大小精确受控、方向可变、线性跟随设定值的扭矩负载。

④伺服式离合器6工作在驱动/制动状态

输入轴1和输出轴8之一固定不动，离合控制单元10根据外部控制单元指令、按运动控制需要向伺服驱动器6提供驱动设定扭矩，伺服驱动器6从电源或电能存储装置获取能量，向电机绕组送入电流矢量作扭矩伺服控制，通过第二转子4和第一转子3，按扭矩设定值对另一轴施加与期望其转动的方向相同的驱动扭矩，驱动其转动。例如，施加外力使输出轴8和第二转子4固定不动，第二转子4和第一转子3组成常规的电机，驱动器6从电源或电能存储装置获取能量，按扭矩设定值驱动第一转子3和输入轴1转动；相反地，施加外力使输入轴1和第一转子3固定不动，驱动器6从电源或电能存储装置获取能量，按扭矩设定值驱动第二转子4和输出轴8转动。同样地，外部控制单元按运动控制需要向伺服驱动器6提供制动设定扭矩值，伺服驱动器6通过第二转子4和第一转子3，按设定值对另一轴施加与其转动方向相反的驱动扭矩，对该运动轴实施制动，制动过程第一、第二转子3、4产生的电能量经过伺服驱动器6送入相关配套装置9。

实施例3

本伺服式离合装置实施例3的结构与实施例1或2大部分相同，不同处为：其第一转子3上改为安装A位置/速度传感器2，第二转子4轴上改为安装B位置/速度传感器7，A位置/速度传感器2与B位置/速度传感器7经求差运算器后连接伺服驱动器6，或者两个位置和速度传感器接入内含求差运算器的伺服驱动器6。二传感器2、7获得的的位置和速度信号分别经过求差运算后作为第一、第二转子3、4的相对位置和速度信号送入伺服驱动器6；伺服驱动器6为含有扭矩限制值的速度/位置伺服单元的伺服驱动器，伺服驱动器6具有与离合控制单元10连接速度/位置设定信号和扭矩限制信号的控制端口，工作于有扭矩限制值的速度/位置伺服模式。

本例也可在第一转子3和第二转子4之间安装相对位置检测装置和两个速度传感器以取代A、B位置/速度传感器2、7，该相对位置检测装置与伺服驱动器6连接，直接输出二转子相对位置的信号给伺服驱动器6，两个速度传感器信号仍经过求差运算后作为第一、第二转子3、4的速度信号送入伺服驱动器6。

本发明伺服式离合装置实施例3的运行方式如下：

伺服驱动器6工作于带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式，离合控制单元10给出的速度/位置设定值为0，并动态设置扭矩限制值。本离合装置工作在此模式下，当负载扭矩不大于扭矩限制值时，第一转子3和第二转子4相对静止；当伺服驱动器6维持第一转子3和第二转子4相对静止所需扭矩大于扭矩限制值时，伺服驱动器6给电机绕组的电流矢量使第一、第二转子3、4间的相互作用扭矩等于设置的扭矩限制值，第二转子3和第一转子4发生速差而滑动。

本离合器的此工作模式有以下工作状态：

①隔离状态：

离合控制单元10给出的扭矩限制值为0，伺服驱动器6输出给电机绕组的电流大小为0，第一转子3与第二转子4之间电磁力为0，本离合装置为“离”的状态，输入轴1与输出轴8处于自由状态；

②负载扭矩不大于扭矩限制值但不为0：

当输出轴8上的负载扭矩小于设定的扭矩限制值时，伺服驱动器6维持第一转子3和第二转子4相对静止所需扭矩小于扭矩限制值，本伺服式离合器的输入轴1和输出轴8间没有相对运动，输出轴8完全跟随输入轴1转动，离合器传递的扭矩等于负载扭矩，输入轴1送入的能量，全部传递给输出轴8；

③负载扭矩大于扭矩限制值：

当输出轴8上的负载扭矩大于设定的扭矩限制值时，维持第二转子4和第一转子3相对静止的需要的扭矩必大于设定的扭矩限制值，伺服驱动器6为维持传递扭矩在限制值内，导致离合器输入轴1和输出轴8产生相对转动，此时输入轴1的转速高于输出轴8的转速，输入轴1送入的能量，一部分传递给输出轴8，多余部分转变为电能进入伺服驱动器6，伺服驱动器6经直流母线将电能送入相关配套装置9，将这些电能量直接送入用电装置使用，或送入电能存储装置进行存储、或送入逆变器将直流电能转变为交流电能馈入交流电源，当母线电压过高时经能量泄放装置消耗泄放。

由于设置了扭矩限制值，本离合装置使从动部分按速度/位置伺服模式跟随主动部分运动的同时，不传递越限扭矩，起到保护负载的作用。

外部控制单元可根据运动需要，动态改变速度/位置设定值和扭矩限制值，控制本离合装置以带扭矩限制的速度/位置伺服模式按要求运行。速度/位置设定值可以不为0，当维持速度/位置设定值所需扭矩不大于限制值时，伺服驱动器6控制第一转子3和第二转子4按给定的速度/位置变化规律运行；当维持速度/位置设定值所需扭矩大于限制值时，伺服驱动器6控制第一转子3和第二转子4间的作用扭矩等于该扭矩限制值，第一转子3和第二转子4的相对速度/位置偏离设定值，因第一、第二转子3、4速度差而发生的能量转移同实施例1。

实施例4

本伺服式离合装置实施例4的结构与实施例3大部分相同，不同处为：伺服驱动器6为含有扭矩伺服单元和带扭矩限制值的速度/位置伺服单元的伺服驱动器，伺服驱动器6具有与离合控制单元10连接的多种控制端口，控制端口含有扭矩设定、速度/位置设定、扭矩限制值设定控制信号端口，还有扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的控制端口。伺服驱动器6工作于扭矩伺服模式或有扭矩限制值的速度/位置伺服模式。

本发明伺服式离合装置实施例4的运行方式如下：离合控制单元10按外部指令通过伺服驱动器6控制端口动态选定其工作模式：扭矩伺服控制模式或带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式。确定工作模式后，则本离合装置如上述实施例1和2所述在两种模式下根据离合控制单元10的设定信号按各种方式运行。

Claims (13)

1、一种伺服式离合装置，包括输入轴、输出轴，其特征在于：

输入轴(1)连接第一转子(3)，输出轴(8)连接第二转子(4)，输入轴(1)输出轴(8)在同一直线上；第一转子(3)和第二转子(4)其一嵌有永磁磁极，另一为绕制在铁芯上的绕组，或者第一转子(3)和第二转子(4)二者其一为与外部励磁电源连接的励磁线圈，另一个为绕制在铁芯上的绕组，第一转子(3)和第二转子(4)构成电机；

第一转子(3)上安装有A位置传感器(2)第二转子(4)轴上安装有B位置传感器(7)，  A位置传感器(2)与B位置传感器(7)与伺服驱动器(6)连接；或者，第一转子(3)上安装有A位置/速度传感器(2)，第二转子(4)轴上安装有B位置/速度传感器(7)，A位置/速度传感器(2)与B位置/速度传感器(7)与伺服驱动器(6)连接；

伺服驱动器(6)含有扭矩伺服单元或速度/位置伺服单元，具有与离合控制单元(10)连接的控制端口，控制端口包括有扭矩设定或速度/位置设定及扭矩限制值设定控制信号端口，该伺服驱动器(6)工作于扭矩伺服或速度/位置伺服模式；伺服驱动器(6)通过集电环(5)与第一转子(3)或第二转子(4)的绕组连接；伺服驱动器(6)经直流母线与相关配套装置(9)连接，相关配套装置(9)是电能存储装置、和/或用电装置、和/或逆变器、和/或能量泄放装置。

2、根据权利要求1所述的伺服式离合装置，其特征在于：

所述伺服驱动器(6)含有扭矩伺服单元和速度/位置伺服单元，还有扭矩伺服或速度/位置伺服模式切换控制信号端口。

3、根据权利要求1所述的伺服式离合装置，其特征在于：

所述离合控制单元(10)主体为单片机，内含透过功能模块、曲线选定功能模块和设置模块，曲线选定功能模块内按编码存储有离合器各种常用功能流程的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合曲线；离合控制单元有扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定的多种控制信号输出端口，扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号的输出控制端口；还含有与上位外部控制单元连接的信号输入端口；该离合控制单元(10)接受其内的设置信号或外部控制单元的信号，确定其运行的功能模块；其透过功能模块运行时，外部控制单元提供的扭矩设定信号、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定信号、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换信号直接透过传递给伺服驱动器(6)；其曲线选定功能模块运行时，按外部控制单元给定的编码信号，离合控制单元以预存的扭矩设定、和/或速度/位置设定及扭矩限制值设定、扭矩伺服模式或速度/位置伺服模式切换多种控制信号的组合变化规律提供给伺服驱动器(6)。

4、根据权利要求1所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

本离合器工作于在扭矩伺服控制模式，离合控制单元(10)按照期望的扭矩传递规律给伺服驱动器(6)提供扭矩设定信号，伺服驱动器(6)即根据此设定值进行扭矩伺服控制，对输入轴(1)施加线性跟随设定值的扭矩，在输入轴(1)上的第一转子(3)受到输出轴(8)上的第二转子(4)的电磁扭矩时，输出轴(8)上的第二转子(4)也受到同样大小的反作用扭矩，输入轴(1)按扭矩设定值的变化规律向输出轴(8)传递扭矩；

或者本离合器工作于在带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式，离合控制单元(10)按照期望的输出轴运动规律给伺服驱动器(6)动态提供速度/位置设定值和扭矩限制值，当维持速度/位置设定值所需扭矩不大于限制值时，伺服驱动器6控制第一转子3和第二转子4按给定的速度/位置变化规律运行；当维持速度/位置设定值所需扭矩大于限制值时，伺服驱动器6控制第一转子3和第二转子4间的作用扭矩等于该扭矩限制值，第一转子3和第二转子4的相对速度/位置偏离设定值；

离合控制单元(10)根据外部控制单元的指令动态改变扭矩设定值、扭矩限制值，控制本离合装置主从部分隔离、或逐渐柔和接合/分离、或稳态运行。

5、根据权利要求4所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

所述伺服驱动器(6)含有扭矩伺服单元和速度/位置伺服单元，还有扭矩伺服或速度/位置伺服模式切换控制信号端口；

离合控制单元(10)根据运动控制需要通过伺服驱动器(6)的控制端口动态选定其工作于扭矩伺服控制模式或带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式。

6、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

本离合器工作于上述两种模式之一，输入轴(1)转速大于输出轴(8)转速时，第一、第二转子(3、4)将多余能量转换为电能送入伺服驱动器(6)，经直流母线被相关配套装置(9)使用或存储。

7、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

本离合器工作于上述两种模式之一，当离合控制单元(10)的扭矩设定值或扭矩限定值为0时，伺服驱动器(6)输出给电机绕组的电流大小为0，第一转子(3)与第二转子(4)之间电磁力为0，本离合装置为“离”的状态，输入轴(1)与输出轴(8)处于自由状态。

8、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

离合控制单元(10)选定伺服驱动器(6)工作于扭矩伺服控制模式，当其对伺服驱动器(6)设定T扭矩时，离合器第一转子(3)与第二转子(4)间产生电磁扭矩T，输入轴(1)传递给输出轴(8)扭矩T，设定扭矩T随时间线性或按某一曲线递增，输入轴(1)传递给输出轴(8)的扭矩也按相同规律渐增，实现主从部分耦合扭矩柔和地逐渐接合；设定的扭矩T随时间线性或按某一曲线递减，主从部分耦合扭矩按相同规律柔和地逐渐脱离。

9、根据权利要求8所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

本离合装置主从部分在逐渐接合过程中，输入轴(1)受其连接的动力机构及第一、第二转子(3、4)之间的电磁扭矩的作用，其转动状态随之发生相应的变化；同样输出轴(8)受电磁扭矩及负载扭矩的共同作用，其转动状态亦发生相应的变化，输入轴(1)的转速低于、或等于、或高于输出轴(8)的转速；

当输入轴(1)的转速等于输出轴(8)的转速时，输入轴(1)送入的能量，全部传递给输出轴(8)；当输入轴(1)的转速低于输出轴(8)的转速时，输入轴(1)送入的能量全部传递给输出轴(8)，同时伺服驱动器(6)经直流母线汲取电能存储装置或外部电源的电能，经第一、第二转子(3、4)转变为机械能输出到输出轴(8)。

10、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

离合控制单元(10)选定伺服驱动器(6)工作于扭矩伺服控制模式，输入轴(1)和输出轴(8)之一固定不动，离合控制单元(10)按运动控制需要向伺服驱动器(6)提供设定扭矩，伺服驱动器(6)从电源或电能存储装置获取能量，向电机绕组送入电流矢量，通过第二转子(4)和第一转子(3)，按扭矩设定值对另一轴施加与期望其转动的方向相同的驱动扭矩，驱动另一轴转动；

或者输入轴(1)和输出轴(8)之一固定不动，离合控制单元(10)按运动控制需要向伺服驱动器(6)提供设定扭矩，伺服驱动器(6)向电机绕组送入电流矢量，通过第二转子(4)和第一转子(3)，按扭矩设定值对另一轴施加与其转动的方向相反的驱动扭矩，对另一轴实施制动，制动过程第一、第二转子(3、4)产生的电能量经过伺服驱动器(6)送入相关配套装置(9)。

11、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

离合控制单元(10)选定伺服驱动器(6)工作于带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式，速度/位置设定值为0，输出轴(8)上的负载扭矩小于扭矩限制设定值但不为0，伺服驱动器(6)维持第一转子(3)和第二转子(4)相对静止所需扭矩小于扭矩限制值，伺服式离合器的输入轴(1)和输出轴(8)间相对静止，输出轴(8)完全跟随输入轴(1)转动，离合器传递的扭矩等于负载扭矩，输入轴(1)送入的能量，全部传递给输出轴(8)。

12、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

离合控制单元(10)选定伺服驱动器(6)工作于带扭矩限制的速度/位置伺服控制模式，速度/位置设定值为0，输出轴(8)上的负载扭矩大于设定的扭矩限制值时，维持第二转子(4)和第一转子(3)相对静止的需要的扭矩大于设定的扭矩限制值，伺服驱动器(6)控制输出的电流矢量、保持二转子(4、3)传递扭矩在限制值内，第二转子(4)和第一转子(3)产生相对转动，输入轴(1)的转速高于输出轴(8)的转速。

13、根据权利要求4或5所述的伺服式离合装置的运行方式，其特征在于：

离合控制单元(10)选定伺服驱动器(6)工作于扭矩伺服控制模式，按期望值对伺服驱动器(6)的提供扭矩设定值，伺服驱动器(6)以扭矩伺服方式通过第二转子(4)、第一转子(3)对输入轴(1)施加大小精确受控、方向可变、线性跟随设定值的扭矩负载。

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