CN102341609B - 用于传递扭矩的装置 - Google Patents

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Abstract

在一种用于传递和/或生成扭矩的装置中，该装置带有驱动轴和从动轴，磁流变介质的由场引起的力作用到轴上，驱动轴(2)在壳体(4)内终止在法兰(7)中，在法兰(7)上布置了至少一个圆柱体(9)并且该圆柱体(9)同轴地在从动轴(3)上延伸以构成用磁流变介质填充的间隙(18)。

Description

用于传递扭矩的装置
技术领域
本发明涉及一种用于传递和/或产生扭矩的装置，该装置带有驱动轴和从动轴，磁流变介质的由场引起的力作用到所述轴上。
背景技术
磁流变流体，通常也简写为MRF，是一种类似让铁磁流体对磁场作出反应，但又与铁磁流体不同，在此固化的液体。磁流变流体是数量级为微米的磁性粒子的悬浮液，该悬浮液在所施加的磁场内构成链。这提高了磁流变液体直至固化时的表观粘度。
磁流变流体的这些物理特性允许特别地通过所施加的电场仿佛可调地传递扭矩，如在US 7,240,485B2中所公开的那样。
但如果作用到磁流变流体上的压力过大，那么这些压力就会摧毁在磁场中所形成的链，从而使可传递的力受到限制。
发明内容
在这种技术背景下，本发明任务在于，提供一种用于传递扭矩的装置，在该装置中，通过在磁流变介质中的电的以及磁的场引起的力也能传递较大的力，这种装置特别地、无集电环地构造并可以用来产生扭矩，此外，该装置机械构造简单。
在用于传递和/或产生扭矩、带有驱动轴和从动轴(在磁流变介质中的由场引起的力作用到所述轴上)的装置中，这个技术问题依据权利要求1通过如下的措施解决，即，驱动轴在壳体中终止在法兰中，在该法兰上布置至少一个圆柱体，并且该圆柱体同轴地在从动轴上延伸(übergreifen)，以构成用磁流变介质填充的间隙。
根据本发明的装置可以以有利的方式应用为马达用于通过施加电场而产生扭矩，但也可以应用为可以负载扭矩的发电机，从而使在此普遍使用的名称：驱动轴和从动轴鉴于它们的功能按照所选择的工作方式进行互换。
重要的优点还在于，用磁流变介质填充的间隙的有效圆柱体面可以既在轴向上又在径向上构造得较大，从而通过这样的简单的措施就已经能传递足够大的扭矩。
在此，尤其考虑到的是，驱动轴和从动轴在壳体内分别终止在转子的圆形的法兰中，在每个法兰上布置了至少一个圆柱体，并且这些圆柱体同轴地彼此交错以构成用磁流变介质填充的间隙。通过该措施精确地限定了间隙。若圆柱体之间出现相对速度，就实现了圆柱体表面之间的磁流变液体的剪切，在施加合适的电磁场时能够通过出现的粘度变化来调整这种剪切。
如果施加的是旋转场，那么可以实现的是，扭矩可以既提供在驱动轴上又提供在从动轴上。
为了产生待施加的电磁场进一步如下地设置，即，通过壳体构成指向壳体内部、被驱动轴贯穿的芯，所述芯在进一步的结构性设计方案中承载了场发生器。这些措施实现了根据本发明的装置的无集电环的设计，因为场发生器可以毫无困难地通过所述装置的壳体通电。
圆柱体在该特别地带有场发生器的芯上延伸，因此确保了用磁流变介质填充的间隙优化地位于场发生器的磁场的影响范围内。
进一步的结构性措施设置了，在内部的场发生器和从动轴的转子的径向内置的圆柱体之间布置的内部的气隙和/或在驱动轴的转子的径向外置的圆柱体和壳体之间布置的外部的气隙。
因此仅通过在转子的两个圆柱体之间的、填充有磁流变介质的间隙就实现了驱动轴的转子与从动轴的转子的耦合。
除了通过轴向延伸或扩大半径来简单地从几何上扩大有效的间隙面外，也可以通过如下措施提高有效的间隙面，即，每个法兰具有多个同轴地布置的圆柱体，且这些圆柱体彼此交错以构成多个用磁流变介质填充的间隙。
因此优选地得到一种结构，该结构在轴向纵剖面内从内向外地具有：在芯和/或场发生器与从动轴的转子的径向内置的圆柱体之间的内部气隙；然后在从动轴的转子的径向内置的圆柱体和驱动轴的转子的径向内置的圆柱体之间的用磁流变介质填充的间隙；接着在驱动轴的转子的径向内置的圆柱体和从动轴的转子的径向外置的圆柱体之间的、再次用磁流变介质填充的间隙；很快直至在从动轴的转子的径向外置的圆柱体和壳体之间的外部间隙。
在此，这些间隙相宜地彼此连接，从而使磁流变介质能够无阻碍地流通。
为此，在结构性设计方案中设置了，从动轴的转子的径向内置的圆柱体在该圆柱体的与法兰对置的侧面上具有环形盘，圆柱体反向自由收尾地布置在该环形盘上，然后这些圆柱体插入到驱动轴的转子的法兰上布置的圆柱体之间的环形间隙中。
尤其在这类级联的、在轴向纵剖面中曲折形地示出的、用磁流变介质填充的间隙中可以有目的地设置同轴地在外部包围圆柱体的场发生器。
如果设置了内部的和外部的场发生器，且此外在外部的场发生器和驱动轴的转子的径向外置的圆柱体之间设置了用磁流变介质填充的间隙，那么径向内置的间隙例如可以用于联接，外部的间隙则可以在相应地施加磁场时用于制动。
在根据本发明的装置的替代的实施变型中，设置从动轴具有承载了场发生器的芯。在这种场发生器中，感应电流可以引起磁场或必要时经由集电环向这样的场发生器供应电能。
然而在此优选的是，遮盖带有场发生器的芯的、轴向延伸的壳体部段被电绝缘，磁流变介质是导电的且与壳体部段电接触，并且磁流变介质相对其余的壳体、从动轴和驱动轴通过各个法兰电绝缘。在此，相宜地使用不导电的以及磁低渗透性的材料制造绝缘件。
在该设计方案中，当在从动轴上的场发生器和驱动轴的转子的圆柱体之间以及在导电的壳体部段和圆柱体之间，设置了能导电的、用磁流变介质填充的间隙时，可以在从动轴中取消带圆柱体的转子。
一个或多个场发生器的构造方案将通过场发生器的使用有目的地确定。如果要设置产生扭矩，那么这样的绕组尽可能与电动机的传统的转子绕组一致。然而相宜的是，场发生器具有多个能够在轴向和/或径向延伸的绕组包(Wicklungspaket)。在此，还在径向环绕的绕组包中设置轴向变换的场取向，其中，芯可以以常规方式实施，例如实施为层压的或实心的。
可以与芯的实施方式无关地进一步设置，场发生器由具有磁滞效应的材料构造，例如芯由具有这种磁滞效应的铁磁合金制成。基于该措施，也可以无施加电场地、不通电地产生保持力矩。
为了尽可能的优化，可以设置，转子和/或圆柱体至少局部用磁各向异性的材料制造。这样的各向异性的磁性材料可以合适地使用和布置，可以在优先方向上导引磁通，从而在输送给场发生器的能量相同时，提高磁通密度的可用量。
可以进一步设置，在场发生器的轴向延伸的绕组包中，至少一个圆柱体面配设有轴向延伸的槽，或在场发生器的径向延伸的绕组包中，至少一个圆柱体面配设有径向环绕的槽。在此，这些槽可以引入到径向外置的圆柱体面中或引入到与绕组对置的圆柱体面中。
在附加的或替代的措施中，在场发生器的轴向延伸的绕组包中，至少一个相邻的圆柱体配设有轴向延伸的穿孔列，或在场发生器的径向延伸的绕组包中，至少一个相邻的圆柱体配设有径向环绕的穿孔列。
这些槽和/或穿孔可以与它们的取向无关地用低渗透性的材料填充。
附图说明
借助附图详细阐述本发明，附图中仅示意性示出了实施例。图中：
图1用轴向纵剖面图示出了用作联接装置和驱动装置的、带有场发生器的根据本发明的装置；
图2示出了一种级联的实施形式；
图3示出了一种有两个场发生器的实施形式；
图4示出了一种级联的实施形式；
图5示出了一种用作联接装置、制动装置和驱动装置的装置；
图6示出了一种级联的实施形式；
图7示出了根据本发明的装置的一种变型；
图8示出了一种用作联接装置和驱动装置的、仅带有一个外置的场发生器的装置；
图9示出了一种级联的实施形式；
图10示出了带有在从动轴上的场发生器的联接装置；
图11示出了场发生器的径向剖面；
图12示出了内置的场发生器的并联电路；
图13示出了外置的场发生器的并联电路；
图14示出了内置的场发生器的串联电路；以及
图15示出了外置的场发生器的串联电路。
具体实施方式
图1以轴向纵剖面图示出了根据本发明的装置1，该装置用于将扭矩从驱动轴2传递给从动轴3，并且该装置也可以产生一个扭矩。驱动轴2在例如由铝制成的壳体4内以能扭转的方式保持在仅简略示出的轴承5、6中，并且在壳体4内部构成了转子8的法兰7。在该法兰7上套装着由钢制成的、必要时由各向异性的材料制成的圆柱体9，所述圆柱体在从动轴3上延伸。
从动轴3也在壳体4的穿孔内以能扭转的方式保持在两个简略示出的轴承10、11中。在此，从动轴3贯穿由壳体4所构成的芯12，该芯12径向外置地承载了场发生器13。在壳体内部，同轴地在驱动轴2的转子8的圆柱体9的内部由从动轴3同样地形成例如铝制的法兰14，所述法兰14承载了同样由钢，必要时由其它各向异性的材料制成的圆柱体15。
从动轴3的转子16在圆柱体15的与法兰14对置的端部上具有径向指向外部的环形盘17，该环形盘17将保留在圆柱体9、15之间的间隙18遮盖并且用例如根据公知的径向轴密封圈类型的密封件19相对圆柱体15封闭。
用磁流变介质、优选用在基于油的载体液中的、颗粒直径在几微米的羰基铁粉填充在圆柱体9、15之间的间隙18以及在法兰7、15之间的空间20。
改变磁流变介质流阻的并且由此实现驱动轴2和从动轴3之间可调整的扭矩传递的磁场，通过与壳体固定的场发生器13产生，该场发生器13布置在实心地实施的或层压的芯12上。通过这种结构上的措施可以取消使用为场发生器13供能的集电环。
在依据图1的实施例中，磁流变介质仅位于间隙18和空间20内。在内部的场发生器13和从动轴3的转子16的圆柱体15之间留有气隙21如同在壳体内侧22和驱动轴2的转子8的圆柱体9之间也留有的气隙23。
除可调节的扭矩传递外，装置1也考虑用于电动机式的扭矩生成。为此，通过场发生器13产生旋转场，从而在驱动侧以及从动侧提供扭矩，其中，保留了联接功能。这样可以仿佛可接通地将驱动侧的扭矩增强地进一步传递给从动侧。反之，通过场发生器13的发电机式运行可以产生制动力矩。
根据图2的装置25也用于驱动轴26和从动轴27的联接和/或驱动。驱动轴26的转子29的法兰28承载了三个同轴布置的圆柱体30至32，其中，法兰28径向突出于外部的圆柱体32。
从动轴27的法兰33又承载了遮盖与壳体固定的内部的场发生器35的圆柱体34。圆柱体34在与法兰33对置的侧面上承载了环形盘36，三个圆柱体37至39同轴地以如下方式布置在该环形盘上，即，两个径向内置的圆柱体37、38插入到驱动轴26的转子29的对置的圆柱体30至32之间的环形间隙中。从动轴27的转子40的径向外置的圆柱体39用密封件41相对驱动轴26的转子29的法兰28封闭。通过这种措施，可以创造用磁流变介质填充的6个有效的间隙42。
因为转子29的圆柱体30至32的自由端在轴向上与从动轴27的转子40的环形盘36是轴向间隔的，所以这些间隙42彼此连接。
通过多个间隙42的这种级联效果，待传递的扭矩的大小可以提高多倍。
在依据图3的装置44的实施例中，通过第二外部场发生器45提高了扭矩传递或扭矩生成的效率。在这个外部的场发生器45和驱动轴48的转子47的径向外置的圆柱体46之间，留有自由的气隙49。在内部的场发生器50和外部的场发生器45的磁场取向相同时，有效磁场通过在圆柱体46和从动轴54的转子53的圆柱体52之间的、用磁流变介质填充的间隙51得到极大的增强，这意味着可传递的扭矩的提高。
在带级联的间隙57的依据图4的装置56的实施例中，内部的场发生器58和外部的场发生器59可以具有同类的、自行加强的场取向，从而使得除了通过间隙57的级联所提高的扭矩传递外，也通过提高磁场强度再次增大了待传递的扭矩。
依据图5的装置61用于驱动轴62和从动轴63的联接，用于制动和驱动。为此，又在与壳体固定的、被从动轴63贯穿的芯65上设置了内部的场发生器64。在内部的场发生器64和从动轴63的转子67的圆柱体66之间有气隙68。环形盘69遮盖在从动轴63的转子67的圆柱体66和驱动轴62的转子72的圆柱体71之间的间隙70。在这个实施例中，实现了环形盘69相对外部的场发生器74、必要时相对壳体75的密封件73。由此实现了，在外部的场发生器74和驱动轴62的转子72的径向外置的圆柱体71之间的间隙76可以用磁流变介质填充。然后通过在转子72的法兰78和外部的场发生器74(必要时相对壳体75)之间的另一个密封件77密封间隙76。
通过这个措施创造了两个有效的间隙70、76，在这两个间隙中，径向位于内部的间隙70用于扭矩的传递以及因而用于联接，而径向位于外部的间隙76则考虑用于制动作用。在驱动轴62的转子72和壳体75或场发生器74之间的可变化的流阻被用于制动作用。在此，内部的场发生器64和外部的场发生器74的相同取向和相反取向的磁场都能通过两个间隙70、76延伸，从而使得外部的场发生器74的场为了联接功能以如下的方式进行调整，即，使该外部的场发生器的场的作用在径向外置的间隙76内反作用于内部的场发生器64的作用。
类似地也适用于依据图6的装置80的情况，在该装置中，当间隙级联布置时，用磁流变介质填充在外部的场发生器82和从动轴85的转子84的径向外置的圆柱体83之间的在径向上处在外部的间隙81。通过在外部的场发生器82、必要时壳体88和驱动轴91的转子90的法兰89以及从动轴85的转子84的环形盘92之间的密封件86、87来实现这种在径向上处在外部的、考虑用于制动作用的间隙81的密封。
在该实施例中，由外部的场发生器82和内部的场发生器93产生的磁场的取向可以是相同的或相反的。
依据图7的装置94的特别之处在于，在驱动轴95和从动轴96之间具有刚性联接。
因此该装置94只能用于制动或驱动。为此，法兰97承载了圆柱体98，该圆柱体留有气隙99地在内部的场发生器100上延伸，所述内部的场发生器100在带有支承在芯中的从动轴96的与壳体固定的芯101上。在圆柱体98的自由端上以及在法兰侧，径向向外地设置了相对外部的场发生器104，必要时相对壳体105的密封件102、103，并且径向向外地用磁流变介质填充由此产生的间隙106。
在该实施例中，内部的场发生器100用于在气隙99中形成扭矩，其中，外部的场发生器104可以通过间隙106反作用于内部的场发生器100的磁通。当圆柱体98的壁厚足够时，这就不是必要的。在制动情况下，两个场发生器100、104可以考虑共同构造扭矩。
在依据图8的装置108的实施例中，设置了外置的场发生器109。此外，用于联接和驱动的装置108对应图1所示的装置。
同样，依据图9的装置110对应借助图2所阐释的装置，其中，在装置110中也设置了外置的场发生器111。
图10示出了根据本发明的装置113的另外的变型。该装置113的壳体114被两个优选由低渗透性的材料制成的绝缘件115、116轴向地划分，从而构成中间的壳体部段117。驱动轴118也配设有不导电的法兰119，所述法兰承载了由能导电材料，例如钢制成的圆柱体120。
装置113的从动轴121承载了场发生器122、法兰143和由不导电又低渗透性的材料制成的环形盘123。法兰119以及环形盘123相对绝缘件115、116密封。基于在圆柱体120的自由端和环形盘123之间的轴向间距，产生两个间隙124、125，这两个间隙和空间126一样普遍用磁流变介质填充。
磁流变介质是能导电的，从而使得通过中间的、能导电的壳体部段117和能导电的磁流变介质以及从动轴121、从动轴的轴承127、128以及壳体部分129实现简略通过+/-表示的供电。
由此，在该装置113中，确保了随从动轴121一起旋转的场发生器122的无集电环的供电。
在所有的实施例中，由钢、必要时由其它例如各向异性的材料制成的圆柱体，可以实施为具有平滑表面的简单的空心圆柱体。也可以加工槽或沟，它们可以有针对性地影响到间隙内的流体力学并且可以实现有针对性的磁通导引。专用的各向异性的磁性材料也可以在优先方向上导引磁通，从而在输送给场发生器的能量相同时提高磁通密度的可使用的量。
场发生器的结构可以尽可能以常规方式实现。这样可以在实心的或层压的芯上布置绕组包，其中，可以使用已知的材料。若使用具有剩磁特性(可控的剩余磁化)的专用的磁合金，那么场发生器可以有选择地具有被磁化的或未被磁化的状态。然后也可以在没有能量输送的情况下施加联接力矩和制动力矩，其中，磁化可以通过场发生器本身有针对性地变化。
如果考虑到通过根据本发明的装置的驱动，那么参看图11，应用了具有轴向延伸的绕组130的场发生器，场发生器的绕组130基本上与传统电动机的转子绕组一致。
图12至15示意性示出了在径向上卷绕的绕组包。如果这些是单个的线圈，那么在并联电路中的绕组包131、132；133、134既可以在依据图12的内置的场发生器中，也可以在依据图13的外置的场发生器中直接以并联连接方式运行，其中，通过绕组包131、132或133、134的交替的卷绕方向，实现轴向变换的场取向。
图14示出了在内置的场发生器中的绕组包136、137，图15示出了在外置的场发生器中的绕组包138、139，其中，常用的绕组金属线140、141在轴向上具有变换的卷绕方向，从而产生相反地取向的绕组包136、137或138、139的串联电路。

Claims (24)

1.一种用于传递和/或生成扭矩的装置，所述装置带有驱动轴和从动轴，其对置地穿过壳体(4)的壁布置，缝隙中的磁流变介质的由场引起的力作用到所述轴上，其由至少一个与缝隙同轴的场发生器(13)引起，其特征在于，
所述驱动轴(2)和所述从动轴(3)在所述壳体(4)中能转动地被支撑，由所述壳体(4)构造了指向壳体内部的、被所述从动轴(3)贯穿的芯(12)，所述驱动轴(2)和所述从动轴(3)分别终止在法兰中，在所述驱动轴(3)的所述法兰上布置了具有在其轴向延伸上呈圆形横截面的圆柱体并且所述圆柱体同轴地在所述从动轴(3)和芯(12)上延伸以构成用磁流变介质填充的间隙(18)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动轴(2)和所述从动轴(3)在所述壳体(4)内分别终止在转子(8、16)的圆形法兰(7、14)中，在每个所述法兰(7、14)上布置了至少一个圆柱体(9、15)并且所述圆柱体(9、15)同轴地彼此交错以构成用磁流变介质填充的所述间隙(18)。
3.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，所述芯(12)承载了场发生器(13)。
4.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，在内部的所述场发生器(13)和所述从动轴(3)的转子(16)的径向内置的圆柱体(15)之间设置了内部的气隙(21)。
5.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，在所述驱动轴(2)的转子(8)的径向外置的圆柱体(9)和所述壳体(4)之间设置了外部的气隙(23)。
6.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，每个法兰(28、33)具有多个同轴地布置的圆柱体(30-32；37-39)并且所述圆柱体(30-32；37-39)彼此交错以构成多个用磁流变介质填充的间隙(42)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述间隙(42)彼此连接。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，从动轴(27)的转子(40)的径向内置的圆柱体(34)在所述圆柱体的与法兰(33)对置的侧面上具有环形盘(36)，圆柱体(37-39)反向自由收尾地布置在所述环形盘(36)上。
9.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，圆柱体(46、52)同轴地被外部的场发生器(45)包围。
10.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，在外部的场发生器(74)和驱动轴(62)的转子(72)的径向外置的圆柱体(71)之间设置有用磁流变介质填充的间隙(76)。
11.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，场发生器具有多个绕组包(131、132)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，绕组包(130)在轴向上和/或绕组包(131、132)在径向上延伸。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，径向环绕的绕组包(131、132)具有轴向变换的场取向。
14.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，场发生器由具有磁滞现象的材料构造。
15.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，转子和/或圆柱体至少局部由磁各向异性的材料制造。
16.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，在场发生器的轴向延伸的绕组包中，至少一个圆柱体面配设有轴向延伸的槽，或在场发生器的径向延伸的绕组包中，至少一个圆柱体面配设有径向环绕的槽。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述槽被引入到径向外置的圆柱体面中。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述槽被引入到与绕组对置的圆柱体面中。
19.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，在场发生器的轴向延伸的绕组包中，至少一个相邻的圆柱体配设有轴向延伸的穿孔列，或在场发生器的径向延伸的绕组包中，至少一个相邻的圆柱体配设有径向环绕的穿孔列。
20.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，用低渗透性材料填充槽。
21.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，用低渗透性材料填充槽。
22.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，用低渗透性材料填充槽。
23.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，用低渗透性材料填充穿孔。
24.根据权利要求1-2中一项所述的装置，其特征在于，磁流变介质是在基于油的载体液中的羰基铁粉。
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