CN104295631B - 磁阻式微型离合器 - Google Patents

Abstract

磁阻式微型离合器，包括主动转子、从动转子和定子，从动转子的轴装在定子中心，主动转子装在定子外，其特征是从动转子中的内嵌导磁体和位于其外侧的并位于主动转子外圈的导磁体之间有第一工作磁阻气隙，同时从动转子的内嵌导磁体和位于其内侧的主动转子内圈中的辐射齿状磁极之间有第二工作磁阻气隙；所述主动转子外壳上的一端套装有齿轮。本发明从电磁原理和微电机设计巧出发，采用双气隙、梳齿状纵向齿、铸铝特殊结构设计和充分加大电导四项技术措施。将磁阻离合器的负荷指标和时间常数达到与正在使用的磁粉离合器的水平，并且与正在列装应用离合器外形尺寸大小和安装方式完全一样的磁阻离合器，以便提高飞机飞控设备的可靠性与寿命。

Description

磁阻式微型离合器

技术领域

本发明属于飞机自动飞行控制技术，是一种新型电磁离合器—磁阻离合器，用于飞机的飞行控制系统的执行机构中。

背景技术

目前，俄罗斯及我国某些飞机的飞控系统中，使用的离合器是磁粉离合器。由于工作中，存在着磁粉摩擦，发热，使磁性能变化(导磁率下降，矫顽力上升)，磁粉发生凝聚、结块，更甚者是磁粉颗粒对橡胶密封圈磨损破坏，使颗粒窜入轴承，发生卡死故障。因而，磁粉离合器工作不稳定，故障多寿命短，目前生产中是靠筛选剔除再提交的。鉴于此况，本人利用微电机原理，发明了磁阻式离合器(专利申请号：201210078990.1)，该专利的磁阻离合器，无磁粉、无接触，无摩擦，因而性能稳定可靠工作寿命长。还有设计的单气隙结构磁阻离合器，磁通量小，力作用半径也小，导致离合器力能系数偏低，体积偏大而力矩较小，时间常数较长。

针对我国许多飞机正在使用的小型磁粉离合器的飞控系统，如能制造出同样体积同样性能指标的磁阻离合器，具有重大意义。但按照已有的设计思路，无法达到。因而，必须通过对电磁学和电机理论的研究找出提高负荷能力和减少时间常数的办法，才能设计出同样大小和指标接近的磁阻离合器。

发明内容

本发明目的是设计一种体积小，力能高的磁阻式微型离合器，以代替目前的磁粉离合器，提高飞控系统的工作寿命和可靠性。

具体地说，磁阻式微型离合器，包括主动转子、从动转子和定子，从动转子的轴装在定子中心，主动转子装在定子外，从动转子中的内嵌导磁体和位于其外侧的并位于主动转子外圈的导磁体之间有第一工作磁阻气隙，同时从动转子的内嵌导磁体和位于其内侧的主动转子内圈中的辐射齿状磁极之间有第二工作磁阻气隙；所述主动转子外壳上的一端套装有齿轮。

所述主动转子包括内外两圈磁极，外圈齿状极为纵向梳齿状，内圈齿状磁极为径向辐射状，由铸造铝合金将两圈连为一体，两圈磁极呈对准状态；所述从动转子为一伞盖形结构，主体由铝合金舍铸成，伞盖形结构分为轮缘部分，转轴部分和将两者连在一起的盘状部分，轮缘部分插入环形凹槽内，轮缘内嵌装着与主动转子齿形磁极相对应的导磁体并与主动转子内外两圈都保持小的气隙，形成双工作气隙。

磁阻式离合器中的各齿的导电涡流体及总磁通的导电涡流体和内、外圈的连接结构由铝合金一次铸造形成。

本发明是采用双气隙磁阻，双气隙比单其隙的磁通--位移变化率dΦ/dθ和磁通--时间变化率dΦ/dt要大一倍，因而可以显著提高负荷能力和减少时间常数，面对多个齿极，双气隙机构难以实现，经过反复的结构方案设计终于找到了将两个不同极性(N、S极)多齿型磁极连接成一个转子带有两个回转圆的结构，这就形成具有外圈磁 极”S”和内圈磁极“N”的主动转子，在两个回转圆环之间的凹槽内插入从动转子，其上的导磁体与主动转子磁极形成双气隙，通电时当从动转子的导磁体在外负荷作用下有脱离对准倾向时，将被上下两个磁极拉住；没有完全拉到对抗状态时，如插入槽内导磁体与主动转子相对运动，将在围绕齿的铝合金形成的阻尼作用下进行阻尼，同时对主磁通也进行阻尼。由此，使负荷能力提高，也使同步时间常数减少。为进一步提高负荷力矩，本发明将通常径向辐射状的磁极演化为沿轴向伸展的梳齿状，并由铝合金铸造解决了围绕纵向梳齿成涡流环问题，纵向梳齿状磁极将力作用半径提高到最大，使转动力矩提高。电机的力能与作用气隙半径成四次方增加，因而显著提高了力能系数。

本发明中，根据电力学原理，通过材料和形状的设计，最大程度提高了电与磁的正交链接量，除微小活动气隙外，空间全部被磁-电介质形成正交分布，将有效链接比例提高，才得以实现在磁粉离合器一样大小空间内，设计出磁阻离合器。为了提高有效正交链接量，本发明的许多部分都形成了一件多能的部件，例如，两圈结构连接部分，同时兼齿轮的涡流阻尼环，也是磁通的阻尼环。绕组骨架兼做总磁通阻尼环。在磁介质与电介质的作用矛盾中，采取了最佳设计，主工作气隙与馈送气隙之间的矛盾，通过气隙面积的分配使其最大化。

附图说明

图1为本发明总成结构示意图，图号说明：1定子导磁体前段，2齿轮，3外壳导磁体，4绕组，5铸铝结构，6内嵌导磁体，7从动转子 导磁体，8从动转子铸铝主体，9定子导磁体后段；10-从动转子轴。

图2为本发明中主动转子结构示意图；

图3为图2右侧剖面示意图；

图4为从动转子示意图；

图5为本发明中带绕组的定子结构示意图。

具体实施方式

本新型的磁阻离合器总成见图1。它的外形和尺寸与目前正在应用的磁粉离器完全一样。(外径长度65)同样在前端套装输入齿轮，其模数也一样。安装接口尺寸完全一样，用圆及其端面定位，用三只M4螺钉紧固，伸出有两个接线柱(图中未表示出)供绕组通电连接用。

磁阻离合器本质上属于一种特殊微电机，由于离合器磁场力未实现无接触、无摩擦离合，因此工作稳定、可靠、寿命长。本发明的磁阻离合器主要包含由三个部分：

1)输入转动的转子，称谓“主动转子”。飞控电机的转动通过齿轮输入进离合器，形成主动转子的转动，主动转子带有呈一周均布的多个齿形磁极6-1，一周的外圈为S极，内圈为N极。

2)输出转动的转子，称谓“从动转子”。当离合器未通电时，即使主动转子在转动，从动转子并不随其转动这便是“离”状态。当离合器通电时，主动转子上的齿形磁极，将吸住从动转子内嵌装的导磁体(条形)形成主动转子拖着从动 转子一起转动，这便是“合”状态。

3)带有绕组的定子，将其从总成图中分离出来便如图5所示，它的外圆部位有两处轴承(5-2)和(5-3)，供支撑主动转子旋转用。它的内孔中一对轴承(5-1)和(5-4)，供支承从动转子旋转用。它由导磁材料制成，当绕组通电时，所产生的磁场将沿着图5带箭头的线条路径产生磁通Φ。定子的左端面是本离合器安装接口的定位面(圆及其平面)。绕组导线通过平面上安装的两个绝缘子接线柱引出(未画出)。

图4所示的从动转子似一伞形，伞的外圈是一个圆环，此圆环插入主动转子的环形槽内与主动转子保持内、外的气隙。从动转子主体结构由铝合金铸成，其圆环上嵌入与主动转子齿形磁极相对应的条形导磁体，主动转子的外圈呈一周均布的齿形磁极，设计成纵向梳齿状，节省了径向空间的占用，从而使气隙半径为最大。

采用铸造铝合金结构的特殊设计，使导电良好的铝合金，环绕着每个齿，形成每个齿的涡流环，并且也环绕着总磁通。同时，铝合金又是连接结构，在包围主动转子外圈梳齿状磁极的同时，又将内圈与外圈连接成一体，并且也形成对内外圈各齿的环绕，也起对不同极性的磁场隔离作用。在离合器空间内，除了导磁体占用的空间和各活动间隙占用了很小的空间外，其余空间，全部灌铸成铝合金导电结构，从而使涡流电导最大，充分利用机电转换空间，提高涡流阻尼效应。

本发明通过上述措施提高了负荷能力和减少时间常数，因而实现 了小型化，使之能够将磁阻离合器设计成具有和磁粉离合器同样外形尺寸和安装方式，以便用可靠性高、寿命长的磁阻式替换磁粉式。经以上改进后，其力能系数和时间常数已经与磁粉离合器相当，因而可以将磁阻离合器的形状大小和接口尺寸设计成与磁粉离合器完全一样，以便在飞控系统总体设计不变的情况下，采用磁阻离合器，以便提高寿命和可靠性。

以上便是本新型的离合器机构及作用的简介，下面将进一步阐述相关问题。

沿图1指示的磁通回路上，所有结构部分都用导磁良好的材料(例如电磁纯铁，或1J系列合金)制造。但在定子与转子接壤处，并不发生接触，而是有间隙小而面积足够大的空气隙，使磁通Φ的磁阻很少。

为了实现双气隙的工作磁阻，主动转子的右端有一周环形凹槽，凹槽的两侧圆柱面上，皆有一周均布的多个齿的齿形磁极，两侧圆柱面上的磁极结构，由铸造铝合金结构连为一体，并呈现内外两侧齿相互对准状态。图5所示的从动转子似一伞形，伞的外圈是一个圆环，此圆环插入主动转子的环形槽内与主动转子保持内、外的气隙，这正是工作磁阻气隙。从动转子主体结构由铝合金铸成，其圆环上嵌入与主动转子齿形磁极相对应的条形导磁体，通电时，主动转子的上下齿将把从动转子的导磁条吸到对准状态，并具有一定保持力(即能提供的负荷力)，形似上下齿咬住从动转子的导磁条，但不发生接触，仅是磁场力在起咬住的作用。这样的双气隙结构与单气隙的相比较原则 上使dΦ/dθ和dΦ/dt都会增大一倍，dΦ/dθ的增大，则咬住力增大，dΦ/dt的增大，则动作时间常数减少。但考虑到分布的漏磁通的改变，增大值比一倍略小一些。

本发明为了提高负荷力矩能力，尽可能将气隙半径加大，结合磁路原理和磁路设计，将主动转子的外圆齿形磁极，设计成纵向梳齿形，见图3，从而使气隙半径达到最大值。而主动转子的内圆齿形磁极设计成向外辐射状。通过巧妙的铸造工艺设计，实现了由导电良好的铸铝合金即形成包围着各个齿的小涡流环，也是围绕总磁通的大涡流环，同时兼作内外圆的连接结构和隔磁措施。就连定子上绕组的骨架，也由铝合金制成，兼作总磁通涡流环，其绝缘采用厚层阳极化处理加浸绝缘漆办法。按上述设计，使离合器有限空间得到最充分利用，使涡流导体电导达到最大值，使磁阻离合器的时间常数最小，可以接近磁粉的阻尼能力。

上述实例，只是本发明的实用设计方案之一，并非用来限制本发明的方案范围。凡以本发明三个主要部件设计原则和设计要点结合具体应用而设计的其他方案，均属于本发明范围皆包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (1)

1. 磁阻式微型离合器，包括主动转子、从动转子和带有绕组的定子，从动转子的轴(10)装在定子中心，主动转子装在定子外，定子外圆部位有两处轴承，供支撑主动转子旋转用，定子内孔中具有一对轴承，供支撑从动转子旋转用，从动转子的轴(10)穿过定子内孔并由定子内孔中的一对轴承支撑，其特征是，从动转子中的内嵌导磁体(7)和位于其外侧的并位于主动转子外圈的导磁体(3)之间有第一工作磁阻气隙，同时从动转子的内嵌导磁体(7)和位于其内侧的主动转子内圈中的辐射齿状磁极(6)之间有第二工作磁阻气隙；所述主动转子外壳上的一端套装有齿轮(2)；所述主动转子包括内外两圈磁极，外圈磁极为纵向梳齿状的齿状磁极，内圈磁极为径向的所述辐射齿状磁极(6)，由铸造铝合金将内外两圈磁极连为一体，内外两圈磁极呈对准状态, 内外两圈磁极之间具有环形凹槽；所述从动转子为一伞盖形结构，主体由铝合金铸成，伞盖形结构分为轮缘部分、转轴部分和将两者连在一起的盘状部分，从动转子的轴(10)构成转轴部分，轮缘部分插入所述环形凹槽内，轮缘部分内嵌装着与主动转子内外两圈磁极相对应的内嵌导磁体（7）并与主动转子内外两圈磁极都保持小的气隙，形成第一和第二工作磁阻气隙。