CN103580448A - 一种柔性扭矩传递装置 - Google Patents

Abstract

一种柔性扭矩传递装置，包括输入轴、导体筒、导体环、永磁体、永磁体筒、输出轴、线圈组、花键、花键套、导磁体、弹性体，导体环安装在导体筒的内表面上，永磁体安装在永磁体筒的外表面上，导体环与永磁体之间存在气隙，永磁体筒与输出轴相连接，输入轴与花键相连接，花键与花键套相连接，花键套与导体筒相连接，导体筒靠近花键套的一侧设置有支撑筒，弹性体一端与支撑筒相连接，另一端与输入轴相连接，导磁体安装在支撑筒上，线圈组位于导磁体的左侧或右侧。花键及花键套的使用使导体环相对于永磁体移动，在本技术方案中通过调节线圈组中的电流水平，使柔性连接装置随时可以调节输出扭矩的大小。

Description

一种柔性扭矩传递装置

技术领域

本发明专利属于传动技术领域，尤其涉及一种柔性扭矩传递装置。

背景技术

在现有的机械传动方式中，普遍采用机械式刚性联接方式。机械式刚性联接方式的优点在于可以实现电机与负载的同步传递，传递效率高。但机械式刚性联接方式对电机轴和负载轴的对中性要求较高，传动装置振动明显，噪音较大且磨损比较严重。而电机大负载启动时，转速从0很快达到额定转速，对电机损伤较大。同时，机械式刚性联接方式很难在有毒，易燃，易爆的极端环境中运行。

针对这些情况，非接触式柔性扭矩传递装置可以很好地解决对中问题从而降低安装难度，减小噪音和振动，并提高了整个装置的稳定性，并且可以用于有毒，易燃，易爆的极端环境。

在申请公布号为CN101834513A的发明专利申请中公布了一种二级串联型永磁调速器，它包括筒形导体转子体，永磁转子和调节器；其特征是：永磁转子和筒形导体转子体均为二级串联型，导体转子只要移动一个导体的宽度即可将作用面积调节为0或100％，大大缩短了调节距离。此调速器可实现转矩无接触传递，是利用推力轴承组进行调节，但专利中对调节器的形状，特征涉及很少，将调节器安装在负载轴上，由于输出轴动载荷较大，振动对调节器调节精度影响明显，并且利用推力轴承组进行轴向调节不易于进行精确调节。

在申请公布号为CN202034886U的实用新型专利中公布了一种永磁耦合调速器，它包括：筒形导体转子、筒形隔磁罩、筒形永磁转子、调节器。筒形隔磁罩位于筒形导体转子和筒形永磁转子之间，筒形隔磁罩与筒形导体转子和筒形永磁转子均有间隙；筒形导体转子与筒形永磁转子沿各自旋转轴独立转动，轴向位置不变；在调节器的作用下，筒形隔磁罩沿轴向滑动，实现筒形永磁转子和筒形导体转子之间的作用磁场面积改变，其结果使得负载扭矩变化，转速变化。但该装置偏心受力，使装置处于非平衡受力状态，影响输入输出部件的动平衡，易产生振动和噪音，同时该装置过于简陋，可靠性也较差。

在申请公布号为CN202586711U的实用新型专利中公布了一种永磁调速器，它包括：笼形导体转子、永磁转子、固定转子和调节机构；笼形导体转子包围着永磁转子；永磁转子通过调节机构沿着轴向方向张、合运动；调节机构与固定转子相连；固定转子通过齿轮齿条机构与永磁转子相连。该实用新型的永磁调速器的作用面积为笼形导体转子的导体环与永磁转子的环形磁座之间的空气间隙，故没有轴向力，其调节机构所需的推拉力小。但其轴向移动距离较大，使用轴承结构的地方较多，增加了制造和装配难度，结构相对复杂，可靠性较差，同时增加了驱动部件的外径，影响了动平衡，易引起较大的振动和噪声。

发明内容

本发明针对柔性扭矩传递调节问题，提出了一种柔性扭矩传递装置，用以解决稳定调节传递扭矩的问题，实现了柔性扭矩传递的稳定精确调节。

一种柔性扭矩传递装置，包括输入轴、导体筒、导体环、永磁体、永磁体筒、输出轴、线圈组、花键、花键套、导磁体、弹性体，导体环安装在导体筒的内表面上，永磁体安装在永磁体筒的外表面上，导体环与永磁体之间存在气隙，永磁体筒与输出轴相连接，输入轴与花键相连接，花键与花键套相连接，花键套与导体筒相连接，导体筒靠近花键套的一侧设置有支撑筒，弹性体一端与支撑筒相连接，另一端与输入轴相连接，导磁体安装在支撑筒上，线圈组位于导磁体的左侧或右侧。花键及花键套的使用使导体环相对于永磁体移动，在本技术方案中通过调节线圈组中的电流水平，通过调节导磁环的左右移动，调节导体环与永磁体的作用面积，使柔性连接装置随时可以调节输出扭矩的大小。

优选地：还包括导柱，导柱一端与输入轴或输出轴相连接，支撑筒套装在导柱上，弹性体套装于导柱上。支撑筒与导柱之间采用间隙配合或者过渡配合，通过支撑筒使导体筒及花键套的一部分重量作用于导柱上，保证了导体环与永磁体之间的水平。弹性体在导柱的导向作用下，实现了弹性体平稳的水平轴向移动。

优选地：还包括线圈固定体、轴承、锁紧螺母，线圈组位于线圈固定体内，轴承通过锁紧螺母固定安装在输入轴或输出轴上，线圈固定体安装在轴承上。这样做可以使结构更为紧凑。线圈组固定体与输出轴旋转分离，保证了线圈组与控制系统的稳定运行。

优选地：导柱的另一端与输入轴或输出轴相连接，且导柱可相对于输入轴或输出轴旋转。通过导柱的另一端与输入轴或输出轴相连接，使导柱的受力结构由悬臂结构变为简支结构。使导柱的受力更为均匀，增强了整体结构的刚度，减小了变形量。

优选地：还包括过渡法兰，弹性体的一端位于支撑筒内，支撑筒远离输入轴的一侧安装有过渡法兰，过渡法兰套装于导柱上，并与导柱采用间隙配合或者过渡配合，弹性体的一端与过渡法兰相连接。

优选地：还包括弹性体固定法兰一，弹性体固定法兰一套装于导柱上，与过渡法兰相连接，弹性体固定法兰一与导柱采用间隙配合或者过渡配合，弹性体的一端与弹性体固定法兰一相连接。

优选地：永磁体筒上至少安装有一圈永磁体，在与永磁体相对应的位置上，导体筒上至少安装有一圈导体环。使扭矩的传递更为稳定，使柔性传递装置的运转更平稳。

优选地：永磁体筒上安装有二个永磁体，导体筒上安装有二个导体环，二个导体环或二个永磁体之间存在间隔，二个导体环之间的间隔大于永磁体的宽度，二个永磁体之间的间隔大于导体环的宽度。实现扭矩传递从0-100％的改变，大大缩短了调节距离。

优选地：导体环与永磁体的宽度相同。使得花键只需要移动一个导体环的宽度就可以实现扭矩从0-100％的变化，从而使结构更为紧凑。

优选地：花键套和导体筒形成的结合体的重心位于花键套的内腔范围内。这样做可以使花键套与导体筒的结合体的重量的大部分由花键来承受，更有利于本结构的稳定。

有益效果：

本发明通过向控制柜传输控制信号，控制线圈组中的电流大小，从而控制线圈组产生的电磁力与导磁体的作用，吸引导体筒沿轴向移动，并通过力平衡实现导体筒的轴向精确定位；装置驱动主动部件进行柔性扭矩传递的调节，减少了通过调节负载装置时因转速差变化带来的动载荷的干扰，使调节过程更加稳定并且高效。

说明书附图

图1为一种柔性扭矩传递装置结构示意图。

图2为输入装置结构示意图。

图3为输出装置结构示意图。

图4为线圈组及其固定体结构示意图。

图5为调节装置结构示意图。

图6为花键及导柱结构示意图。

图7为永磁体筒结构示意图。

附图标记名称如下：

1、支撑托板；2、线圈固定体；3、线圈组；4、永磁体；5、导体环；6、导体筒；7、永磁体筒；8、螺钉；9、导磁体；10、过渡法兰；11、螺钉；12、永磁体挡圈；13、弹性体固定法兰一；14、花键套；15、螺钉；16、花键；17、螺钉；18、输入轴；19、螺钉；20、导柱；21、弹性体固定法兰二；22、螺钉；23、弹性体；24、螺钉；25、轴承端盖；26、轴承；27、螺钉；28、螺钉；29、轴承；30、锁紧螺母；31、输出轴；32、控制柜；33、散热孔；34、空腔；35、螺丝。

具体实施方式

一种柔性扭矩传递装置，包括输入装置，输出装置和调节装置。输入装置包括输入轴18、导体筒6、导体环5；输出装置包括永磁体4、永磁体筒7、输出轴31；调节装置包括花键16、花键套14、导柱20、弹性体23、线圈组3、线圈固定体2、过渡法兰10。输出轴31与永磁体筒7通过螺钉8相连接，永磁体筒7的外筒采用导磁性材料制成，只要有一定强度和刚度即可，永磁体4安装在永磁体筒7的外表面上，永磁体4采用强永磁材料做成；导体环5安装在导体筒6的内表面上，导体环5为导电体且具有导磁性，最好使用铜作为制作材料。导体环5与永磁体4之间存在气隙。花键套14和导体筒6通过螺钉22相连接；花键套14与花键16相连接，花键16和花键套14形成花键联接副，花键套14可以在花键16上沿轴向左右移动，由于花键套14与导体筒6相连接，故导体筒6也可以沿轴向左右移动；输入轴18通过螺钉17和花键16相连接。当导体筒6沿轴向左右移动时，导体环5与永磁体4之间的作用面积也在变化。

导体筒6靠近花键套14的一侧设置有支撑筒，导体筒6与输入轴18之间安装有弹性体23，弹性体23一端与支撑筒相连接，另一端与输入轴18相连接。由于弹性体23的存在，在弹性体23不受外力影响的情况下，花键套14不会在花键16上移动，当弹性体23受到外力影响而伸长或缩短时，花键套14就会随着弹性体23的伸长或缩短在花键16上左右移动，从而带动导体筒6上的导体环左右移动。花键套14上还设置有螺纹通孔，花键套14可以通过螺丝35固定在花键16，使花键套14不能在花键16上移动。

支撑筒上安装有导磁体9，导磁体9采用磁性材料制作而成。在导磁体9的左侧或右侧安装有线圈组3。在本实施例中支撑筒的左侧安装有导磁体9，导磁体9的左侧安装有线圈组3，且永磁体筒7的支撑体采用透磁材料制作而成，以保证线圈组3产生的磁场能穿过永磁体筒7的支撑体对导磁体9产生作用，永磁体筒7的外筒采用导磁材料制成，支撑体通过焊接的方式与永磁体筒7的外筒相连接。当电流通过线圈组3时，线圈组3产生磁场，使导磁体9向线圈组3一侧移动，从而通过支撑筒、导体筒6、花键套14实现导体环5的移动。可以通过施加在线圈组3上的电流大小来控制导磁体的移动量。

线圈组3可以独立的设置在输入轴18或者输入轴31的一侧；也可以安装在输入轴18或者输出轴31上，线圈组3可以随输入轴18或者输出轴31一起旋转，也可以不随输入轴18或者输出轴31一起旋转。在本实施例中线圈组3安装在输出轴31上，安装在输出轴31上可以使结构更为紧凑。如图所示二个并排的轴承29通过锁紧螺母30套装在输出轴31上，并通过锁紧螺母30使轴承29不会在输出轴31上沿轴向串动。线圈固定体2安装在轴承29上，线圈固定体2与轴承29的外圈为紧配合。线圈组3安装在线圈固定体2内。支撑托板1套装于输出轴31上且与输出轴31不接触，线圈固定体2通过螺钉28与支撑托板1相连接。线圈组3及线圈固定体2不随输出轴31一起旋转可以减轻输出轴31的惯性。

支撑筒的中心设置有通孔。导柱20穿过支撑筒上的通孔。导柱20一端与输入轴18或输出轴31相连接，也就是说导柱20随输入轴18或输出轴31一起旋转。支撑筒的通孔的内径比导柱20的直径略大，支撑筒与导柱20间隙配合或者过渡配合，也就是说支撑筒与导柱20之间可以相对旋转。由于支撑筒与导柱20间隙配合或者过渡配合，导柱20承受了由支撑筒传递来的导体筒6及花键套14的一部分重量。由于导柱20的存在，使导体筒6及花键套14获得了更稳定的支撑，更有利于导体环5处于水平位置。弹性体23套装在导柱20上。

当导柱20与输入轴18相连接时，支撑筒与导柱20不会发生相对转动。导柱20与输出轴31相连接时，支撑筒与导柱20之间会发生相对转动，可以在支撑筒与导柱20之间设置轴承。

由于导柱20一端与输入轴18或输出轴31，且导柱20上还承受支撑筒传来的导体筒6及花键套14的重量，导柱20的受力结构为悬臂结构。为了使导柱20的受力结构更为稳定，导柱20的另一端与输出轴31或输入轴18相连接，且导柱20可相对于输出轴31或输入轴18旋转。在本实施例中：导柱20的一端通过螺钉19与输入轴18相连接，更进一步的，输出轴31靠近输入轴18的一端设置有空腔34，空腔34中安装有轴承26，轴承26的外圈与空腔34为紧配合，导柱20的另一端安装在轴承26内，导柱20与轴承26的内圈为紧配合，使得导柱20可以相对于输出轴31旋转；为了延长轴承26的使用寿命，轴承26的右侧还安装有轴承端盖25，使空腔34处于密封状态。由于导柱20承受了支撑筒传递来的重力，当导柱20的另一端安装在轴承26上时，可以使导柱20的受力结构由悬臂结构为简支结构。

更进一步的，过渡法兰10通过螺钉11安装在支撑筒的左侧(即远离输入轴18的一侧)，过渡法兰10套装于导柱20上，过渡法兰10与导柱20之间采用间隙配合或者过渡配合。支撑筒的通孔内径略大于弹性体23的直径，弹性体23的一端位于支撑筒内，弹性体23的一端与过渡法兰10相连接，另一端与输入轴18相连接。导磁体9安装在过渡法兰10上，当然弹性体23也可以直接与支撑筒相连接，通过弹性体23的伸长与缩短带动花键套14的左右移动。

更进一步的，弹性体固定法兰一13通过螺钉24安装在过渡法兰10上，弹性体固定法兰一13套装于导柱20上。弹性体固定法兰一13位于支撑筒的通孔内。弹性体固定法兰一13与导柱20采用间隙配合或者过渡配合。过渡法兰10的内径大于导柱20的直径。弹性体23的一端与弹性体固定法兰一13相连接，另一端与输入轴18相连接。

为了使弹性体23更加稳定，在花键16的左侧，通过螺钉15使弹性体固定法兰二21安装在花键16的左侧，弹性体23套装于弹性体固定法兰二21的内孔。

在本实施例中采用弹簧作为弹性体23。线圈组3与控制柜32相连接，并通过控制柜32来控制电流的大小。

所述装置在未进行调节时，花键套14处于花键16行程的最右端，由于花键套14与导体筒6连接为一整体，导体筒6上的导体环5处于永磁体4的右端，且导体环5和永磁体4的作用面积为零，传递扭矩为零，当线圈组3通过电流时，产生了电磁力，通过与导磁体9的相互作用，吸引导磁体9沿轴向向左移动，由于导磁体9通过过渡法兰10、导体筒6与导体环5成为一整体，通过导磁体9向左移动带动导体环5向左移动，使得导体环5和永磁体4啮合面积逐渐增大，传递扭矩逐渐增大。

所述装置，可实现柔性扭矩传递的精确调节，向控制柜32输入控制信息，控制线圈组3中的电流大小，从而控制所产生的∑F_电磁，设弹性体23在轴向移动过程中其他外力为F_外，移动距离为x，弹性体23在变形过程中弹性模量为函数f(x)，轴向的力平衡方程式为∑F_电磁=F_外+∫[x*f(x)]dx，即可实现导体筒6的轴向精确定位，从而实现扭矩的精确调节。

所述导体环5至少为一圈，就是说可以为一圈，也可以是多圈，在本实施例中采用了二圈，在导体筒6的左右二侧分别设置一圈导体环5。每圈导体环5可以是完整的一圈。也可以是分段式的一圈，也就是说将分块的导体板绕成一圈形成环状安装在导体筒6的内壁上。设置在永磁体筒7上的永磁体4可至少为一圈，就是说可以为一圈，也可以是多圈，在本实施例中采用了二圈，在永磁体筒7的左右二侧分别设置一圈永磁体4，二圈永磁体4之间相隔一定的间隔，永磁体筒7的二侧还安装有永磁体挡圈12以防止永磁体4向二侧串动。每圈永磁体4可以是完整的一圈。也可以是分段式的一圈，也就是说将分块的永磁体板绕成一圈形成环状安装在永磁体筒10的外壁上。导体环5圈数的多少、宽度的大小以及导体板的数量可以根据所需负载的大小来调整；同样永磁体4的圈数的多少、宽度的大小、永磁体板的数量以及磁性的大小也可以根据负载的大小来调整。

在本实施例中导体环5安装在永磁体4的正上方，导体环5的宽度与永磁体4的宽度相同。二个导体环5之间存在间隔。使二个导体环5之间的间隔大于永磁体4的宽度，二个永磁体4之间的间隔大于导体环5的宽度，当导体筒6向左移动时，只需移动一个导体环5的宽度就可以使导体环5与永磁体4的作用面积变为100％。因此本实施例可以实现导体环5与永磁体4之间的作用面积从0变化为100％，大大缩短了调节距离。

所述花键16以及花键套14，是利用花键连接承载能力高，对中性好且便于导向的优点，适用于本装置的动联接的特点。

在输入装置和输出装置上开有一系列的通孔，用于散热。其中永磁体筒7内部的支撑体上开有散热孔33。

花键套14和导体筒6形成的结合体的重心位于花键套14的内腔范围内。也就是说在结构设计过程中，由于花键16具有一定的宽度，这样可以使结合体的大部分重量落在花键16上，减轻了落在导柱20上的重量，减小了导柱20由于受力而产生的变形，从而更进一步的保证了弹性体23调节的精确性。也保证了结构的稳定性及结构的使用寿命。

工作原理：永磁体筒7外表面上布置的永磁体4会在气隙中形成一定的磁场，当导体筒6随输入轴18旋转时，其内表面上布置的导体环5做切割磁感线运动时便会在导体环5中产生感应电流，该电流和原先磁场相互作用，可使永磁体筒7受到一个和导体筒6旋转方向一致的电磁转矩，而使永磁体筒7转动，从而起到传递扭矩的作用；在未进行调节时，导体筒6处于花键16行程的最右端，导体环5和永磁体4啮合面积为零，传递扭矩为零，当线圈组3通过电流时，产生了电磁力，透过永磁体筒7的透磁材料部位(支撑体)与安装在导体筒6上的导磁体9相互作用，吸引导体筒6沿轴向向左移动，使导体环5和永磁体4啮合面积逐渐增大，传递扭矩逐渐增大。

Claims (10)

1.一种柔性扭矩传递装置，包括输入轴(18)、导体筒(6)、导体环(5)、永磁体(4)、永磁体筒(7)、输出轴(31)，导体环(5)安装在导体筒(6)的内表面上，永磁体(4)安装在永磁体筒(7)的外表面上，导体环(5)与永磁体(4)之间存在气隙，永磁体筒(7)与输出轴(31)相连接，其特征在于：还包括线圈组(3)、花键(16)、花键套(14)、导磁体(9)、弹性体(23)，输入轴(18)与花键(16)相连接，花键(16)与花键套(14)相连接，花键套(14)与导体筒(6)相连接，导体筒(6)靠近花键套(14)的一侧设置有支撑筒，弹性体(23)一端与支撑筒相连接，另一端与输入轴(18)相连接，导磁体(9)安装在支撑筒上，线圈组(3)位于导磁体(9)的左侧或右侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括导柱(20)，导柱(20)一端与输入轴(18)或输出轴(31)相连接，支撑筒套装在导柱(20)上，弹性体(23)套装于导柱(20)上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括线圈固定体(2)、轴承(29)、锁紧螺母(30)，线圈组(3)位于线圈固定体(2)内，轴承(29)通过锁紧螺母(30)固定安装在输入轴(18)或输出轴(31)上，线圈固定体(2)安装在轴承(29)上。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：导柱(20)的另一端与输入轴(31)或输出轴(18)相连接，且导柱(20)可相对于输入轴(31)或输出轴(18)旋转。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括过渡法兰(10)，弹性体(23)的一端位于支撑筒内，支撑筒远离输入轴(18)的一侧安装有过渡法兰(10)，过渡法兰(10)套装于导柱(20)上，并与导柱(20)采用间隙配合或者过渡配合，弹性体(23)的一端与过渡法兰(10)相连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：还包括弹性体固定法兰一(13)，弹性体固定法兰一(13)套装于导柱(20)上，与过渡法兰(10)相连接，弹性体固定法兰一(13)与导柱(20)采用间隙配合或者过渡配合，弹性体(23)的一端与弹性体固定法兰一(13)相连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：永磁体筒(7)上至少安装有一圈永磁体(4)，在与永磁体(4)相对应的位置上，导体筒(6)上至少安装有一圈导体环(5)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：永磁体筒(7)上安装有二个永磁体(4)，导体筒(6)上安装有二个导体环(5)，二个导体环(5)或二个永磁体(4)之间存在间隔，二个导体环(5)之间的间隔大于永磁体(4)的宽度，二个永磁体(4)之间的间隔大于导体环(5)的宽度。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：导体环(5)与永磁体(4)的宽度相同。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：花键套(14)和导体筒(6)形成的结合体的重心位于花键套(14)的内腔范围内。

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