JP2015513294A - ２つのロータを備えた磁気リラクタンスカップリング - Google Patents

Abstract

２つのロータを備えた磁気リラクタンスカップリング。簡単に構成された磁気カップリングが提供される。このためには、第１の軸（１）を第２の軸（２）に連結する磁気リラクタンスカップリングが提案される。磁気リラクタンスカップリングは、周囲に分配して配置された少なくとも１つの磁石（１０）を備えた中空円筒状のステータ（３）を有している。さらにリラクタンスカップリングは、ステータ（３）の内部に回動可能に支承された第１のロータ（４）であって、該第１のロータ（４）は、第１の軸（１）に相対回動不能に結合されており、周囲に分配して配置された、互いに分離された強磁性の複数の第１の区分と、前記第１のロータ（４）の内部に回動可能に支承された第２のロータ（５）であって、前記第２の軸（２）に相対回動不能に結合されており、周囲に分配されて配置された強磁性の複数の第２の区分（１５）を有している、第２のロータ（５）とを有している。

Description

本発明は、第１の軸を第２の軸に連結する磁気リラクタンスカップリングに関する。

磁気カップリングのためには数多くの手段が存在している。これらの手段はほぼ全て、永久磁石により形成された磁界に基づいている。磁気カップリングの最も簡単な実施形態は、向かい合って配置された回転する２つの磁石から成る。これによって、非接触式の、しかし切り離し可能ではないカップリングが得られる。永久磁石により実現されたこのカップリングの一方の側を回転磁界コイルに置き換えた場合、カップリングは切換え可能に実施することもできる。しかし、コストは大幅に増大する。特に、出力は回転している軸に誘導式にまたはスリップコンタクトにより伝達されなければならない。

しかし、電流を印加することによって制御されてトルクを伝達することができる２つの回転する軸の間の磁気カップリングは、数多くの用途にとって有利である。力は、必要に応じて非接触式に伝達され得る。特に磁界が電気的な制御により遮断されると、解放したカップリングが実現される。

本発明の課題は、２つの軸の連結をより簡単に実現することができるようにすることである。

上記課題を解決した本発明による構成では、第１の軸を第２の軸に連結する磁気リラクタンスカップリングにおいて、１つまたは複数の磁石を備えた中空円筒状のステータであって、前記磁石は該ステータの周囲に分配されて配置されている、ステータと、該ステータの内部に回動可能にされた第１のロータであって、前記第１の軸に相対回動不能に結合されており、周囲に分配されて配置された互いに分離した強磁性の複数の第１の区分を有している第１のロータと、該第１のロータの内部に回動可能に支承された第２のロータであって、前記第２の軸に相対回動不能に結合されていて、周囲に分配されて配置された強磁性の複数の第２の区分を有している第２のロータと、が設けられている。

つまり有利な態様では、磁気リラクタンスカップリングは、ほぼ３つの構成要素、すなわちステータ、第１のロータおよび第２のロータにより実現され、ステータ、第１のロータおよび第２のロータのうち、ステータだけが１つまたは複数の磁石を有していればよい。両軸に結合されている第１のロータおよび第２のロータは、単に少なくとも部分的に強磁性の材料から製造されていればよい。したがって、軸もしくはロータを容易に交換することができ、この場合に磁石は不要である。

好適には、ステータが２つの強磁性のリングを有している。これらの強磁性のリングは同軸的に相前後して配置されており、２つのリングの間には１つまたは複数の磁石が配置されている。これにより、磁界は各角度位置において第１のロータ内に導入され、もしくは第１のロータから導出され得る。

さらに、１つまたは複数の磁石がそれぞれ電磁石であると特に有利である。これにより、磁気リラクタンスカップリングが電気的に制御可能であることも可能である。特に、第１の軸および第２の軸の間で伝達されるトルクに電気的に影響が与えられ得る。

電磁石はそれぞれ、１つの強磁性のコアを有している。強磁性のコアは、強磁性の２つのリングの間の結合部材を成しているので、強磁性の２つのリングの間に隙間のない強磁性の結合部が存在している。これにより、同軸的に相前後して配置された強磁性の両リングの間で極めて小さな磁気抵抗しか生じない。

１つの態様では、第１のロータの各第１の区分がロッド状に形成されていて、３つの小区分を有している。該３つの小区分のうちの第１の小区分および第２の小区分は、強磁性の材料から成っており、半径方向で強磁性の２つのリングの内側に配置されていて、第３の小区分は、非磁性材料から成っており、軸方向で第１の小区分と第２の小区分との間に配置されている。第１のロータの第１の区分の第１の小区分と第２の小区分とにより、磁界はリングから半径方向内方に向けられるか、もしくは半径方向外方に向かってリング内へとガイドされる。

第１のロータは、ディスク状の保持エレメントを有している。該保持エレメントの一方の側には第１の軸が取り付けられており、反対に位置する別の側には複数の第１の区分が取り付けられている。これによって、第１のロータの第１の区分から第１の軸にトルクを伝達することができる。

有利には、第２のロータが、第１のロータと同じ軸方向の長さを有している。この軸方向の長さは、ステータの軸方向の長さに一致する。これによって、できるだけコンパクトかつ効率的な磁気リラクタンスカップリングが生じる。

第２のロータの第２の区分は、第２のロータの回転軸線を中心として放射状に配置されていてよい。これにより、第２の区分は、第２のロータの中心、つまり回転軸線に接する。これによって半径方向で到着する磁束は中心部へと導かれて軸方向に変向され、もしくは半径方向に変向されて外方に向かって導かれる。

有利には、ステータの電磁石のコイルは、直列接続されている。これにより電磁石の全てのコイルを通る同じ電流が生じ、これにより磁気リラクタンスカップリングの簡単な制御を実現することができる。

本発明によれば、上記の磁気リラクタンスカップリングと、制御装置とを備えたカップリングアセンブリも提供される。制御装置により、連結状態では第１の磁界が第１および第２のロータ内で第１の方向に向けられていて、連結状態の終了の直後に、電流インパルスによって第２の磁界が第１の方向とは反対に向けられた第２の方向で第１および第２のロータ内に消磁のために形成可能であるように、磁気リラクタンスカップリングが制御可能である。これにより、連結状態の後に、ロータ内の残留磁気、場合によってはステータ内の残留磁気が解消されるので、連結解除状態では第１のロータと第２のロータとの間で実際にトルクはもはや伝達されないことが確実にされる。これにより、両軸は完全に連結解除されている。

本発明を以下に添付の図面につき詳しく説明する。

本発明による例示的な磁気リラクタンスカップリングの斜視図である。 図１に示した磁気リラクタンスカップリングを示す別の斜視図である。 磁気リラクタンスカップリングの外側の第１のロータを示す図である。 磁気リラクタンスカップリングの内側の第２のロータを示す図である。 磁気リラクタンスカップリングの、コイルを備えたステータを示す図である。 コイルを有しないステータを示す図である。 磁力線と共に磁気リラクタンスカップリングの端面を示す図である。 比較的大きな磁気抵抗を有するロータの位置で図１および図２に示した磁気リラクタンスカップリングの端面側を示す図である。 最小限の磁気抵抗におけるロータの位置を示す図である。

以下に詳しく記載された実施の形態は、本発明の有利な実施の形態である。

図１は、例示的に磁気リラクタンスカップリングを三次元図で示している。磁気リラクタンスカップリング（クラッチ）は、第１の軸１を第２の軸２に連結するために働く。カップリングは、ほぼ管状もしくは中空円筒状の形状を有するステータ３を有している。ステータ３の内部には、第１のロータ４が回転可能に支承されている。この第１のロータ４は、第１の軸１に相対回動不能に結合されている。第１のロータ４の内部には、第２のロータ５が回転可能に支承されている。第２のロータ５には、第２の軸２が相対回動不能に位置固定されている。

両方の軸１，２は、回転軸線６に対して同軸的に配置されている。第１の軸１は、磁気リラクタンスカップリングの一方の端面から突出しており、第２の軸２は、反対の側に位置する別の端面から突出している。したがって、回転軸線６は、第１のロータ４および第２のロータ５の回転中心を形成している。さらに、回転軸線６は、管状のステータ３の中心軸線を成している。

図１が磁気カップリングを第２の軸２の側から示しているのに対して、図２は磁気リラクタンスカップリングを第１の軸１の側から示している。図２の視点では、特に第１のロータ４のディスク状の保持エレメント７を確認することができる。保持エレメント７は、第１の軸１に相対回動不能に取り付けられている。ディスク状の保持エレメント７は、回転軸線６に関して回転対称である。

図１および図２が示すように、ステータ３は２つの強磁性のリング８，９を有している。これらの強磁性のリング８，９は、有利には同一の幾何学形状を有している。これらの強磁性の両リング８，９は、同軸的に配置されており、共通の軸線６を有している。両リング８，９は互いに間隔を置いて配置されている。これらの強磁性のリング８，９の間には、周方向に同じように分配された複数の磁石、有利な態様ではコイル１０を備えた電磁石が位置している。

磁石は、永続的な磁界を形成する永久磁石であってよく、これにより、第１の軸１と第２の軸２との間の予め規定された連結特性が生じる。しかし有利には、磁石は、電気的に制御可能な電磁石である。特に、このような電磁石は切換え可能でもあるので、軸１および２は、互いに対して連結解除され得る。

磁気リラクタンスカップリングの作用形式を説明する前に、図３から図６に基づいて、まず磁気リラクタンスカップリングの構成を詳細に示す。図３は、外側の第１のロータ４を示している。外側の第１のロータ４は、既に言及したように、ディスク状の保持エレメント７を有している。保持エレメント７の一方の側には、中心に軸１が相対回動不能に位置固定されている。軸１は、本実施の形態では、保持エレメント７において終端しており、この保持エレメント７を貫通していない。ディスク状の保持エレメント７の、軸１とは反対に位置する側には、ロッド状の複数の第１の区分１１が取り付けられている。第１の区分１１の長手方向軸線は、回動軸線もしくは軸１に対して平行に延びている。第１の区分１１は、保持エレメント７の外縁部に周方向で均等に分配されて配置されている。

各個別のロッド状の第１の区分１は、長手方向に分割されている。第１の区分１１は、近位の第１の小区分１２、遠位の第２の小区分１３および第１の小区分１２と第２の小区分１３との間に位置する第３の小区分１４とを有している。第１の小区分１２および第２の小区分１３は、強磁性の材料から成っているのに対して、第１の小区分１２と第２の小区分１３との間に位置する第３の小区分１４は、非磁性材料から製造されている。

本実施の形態では、第１のロータ４は、４つの第１の区分１１を有している。しかし、第１の区分の個数は、より多く選択されてもより少なく選択されてもよく、たとえば１，２，３，５，６個等であってよい。

図２は、内側の第２のロータ５を示している。この第２のロータ５は、軸線６から外方に向かって放射状に突出する強磁性の第２の区分１５を有している。第２の区分１５は、長手方向、つまり軸線６の方向に、第１のロータ４の第１の区分１１が延びている長さと同じ長さだけ延びている。第２のロータ５は、有利にはワンピースに、つまり一体的に形成されているので、第２の区分１５は中心で、つまり軸線６の領域で互いに移行しあっている。第２のロータ５の端面側には、第２の軸２が相対回動不能に取り付けられている。

図５は、ステータ３を組み付けられていない状態で示している。両リング８，９の間には、複数の電磁石が位置している。これらの電磁石のうち、図５では単にコイル１０しか確認することができない。電磁石は、ステータ３の周囲に均等に分配されている。電磁石は、両リング８および９の内面により画定されている円筒により規定されるステータ３の内部に突出しない。コイル１０の巻き軸線は、ステータ３の中心軸線に対して平行に延びている。

図６は、コイル１０を有しないステータ３を有している。したがって、両リング８，９の間の強磁性の結合部材１６を確認することができる。これらの結合部材１６は、電磁石のコアを成している。結合部材１６はそれぞれ、ほぼ直方体の形状を有しており、軸方向で一方のリング８から他方のリング９に向かって延びている。したがって、両リング８，９の間で一貫した強磁性の複数のブリッジが形成されている。

磁気リラクタンスカップリングの作用原理は、図７〜図９につき詳しく説明される。図７は、カップリングの端面を図示している。リング８を備えたステータ３を確認することができる。ステータ３の内部には、外側の第１のロータ４が延びており、第１のロータ４の小区分１３を確認することができる。内側の第２のロータ５のうち、第２の区分１５が確認され得る。さらに第２の軸２が記載されている。

（コイル１０により象徴される）電磁石により、それぞれ１つの磁界が形成される。磁界は、円筒方向で図平面から出るように向けられている。したがって、記号１７で示された磁力線は、各電磁石からリング８内へと延びている。リング８において、磁力線は周方向に変向される。磁力線は、リング８から、第１のロータの最も近い小区分１３にまで延びている。各小区分１３を通って磁力線は半径方向内側に向かって変向される。

図４に示した実施の形態では、内側のロータ５の第２の区分１５は、第１のロータ４のそれぞれの第１の区分１１もしくは第１の小区分１３に正確に対峙している。したがって、磁力線１８は、半径方向に第２のロータを通じて、全ての第２の区分１５が互いに移行して延びる中心部分１９内へ延びている。中心区分１９では、磁力線は、図平面の方向に進入しており、このことは記号２０で示唆されている。

磁力線は、軸線６に沿って、さらに第２のロータ５の他方の端部にまで延びている。第２のロータ５の他方の端部では、磁力線は、半径方向外方に向かって第２の小区分１５内へと変向する。磁力線は、次いで第１のロータ４の第１の区分１１の第１の小区分１２内に半径方向外方に向かって進入する。次いで、磁力線は、半径方向でさらに外側に位置するリング９内に進入し、該リングから各電磁石内へと戻される。

磁気リラクタンスカップリングは、つまり、対応する巻き方向を備える１つまたは複数のコイル１０により磁気回路内で形成される直流磁界に基づいている。回路は、ステータ３と、２つのロータ４，５により形成され、２つのロータ４，５はそれぞれ軸１，２の一方の側に結合されている。

電流がコイル１０を通じて流れなくなり、これにより磁気回路が第１近似において磁界を有しないと、軸１，２の間でトルクが伝達されない。適当なＤＣ電流がコイル１０を通じて流れると、両ロータ４，５にわたって閉じられる直流磁界が形成される。

ロータ４，５のティース（つまり区分１１および１５）の互いに対する位置に応じて、図８および図９から判るように、空隙もしくはアセンブリの磁気的なリラクタンスが変化する。磁気リラクタンスカップリングにおいて、このようは配列では、たとえば磁気リラクタンスモータまたは磁石軸受けで技術的に使用されているように空隙もしくは磁気抵抗できるだけ小さく維持することが努められる。このことは、第２のロータ５に対する第１のロータ４の、たとえば図８に図示された位置において、磁界が印加された場合にトルクを軸１，２に作用させる力を作用させ、これにより両ロータ４，５の対応するロータティースもしくは区分は、同一の角度位置に回転する。

既に言及したように、ロータ４，５のティースの個数は、４つ以外の数であってもよい。有利には、外側のロータ４および内側のロータ５は、同一の個数のティースを有している。しかし、このことは必ずしも必要ではない。

ステータ３は、リング８と別のリング９との間の、磁石を介した少なくとも１つの磁気的な結合部を有している。しかし、それぞれ有利には電磁石により形成された複数の結合部が実現されていてもよい。ロータのティースの個数と、ステータ３における結合部もしくは磁石の個数との間には関係はない。

全てのコイルは、有利には直流電流により通流されており、同一の巻き方向で構成されているので、磁界は加算される。原理的には、コイルは互いに異なって制御されてもよく、これによりたとえば付加的な力を補償することができる。

上記のアセンブリは、簡単に、直流電流により制御可能な磁気カップリングを形成する。このカップリングは、回転する永久磁石なしで作動する。このことは、コスト上の大きな利点を成す。

さらに、ステータおよびロータは、それぞれ要求された回転数に応じて、中実部分から構成されていてよい。場合によっては、ステータリングのような幾つかの構成要素は、比較的高い回転数のために積層されて構成されている必要がある。

回転する永久磁石と、切換え可能な回転磁界を備えたアセンブリに対して、本発明による解決手段の利点は、回転する交番磁界を形成するための周波数変換器も、スリップコンタクトも不要であることである。簡単に形成され得る直流電流で十分である。

両方の軸が連結解除される場合、電磁石は電力なしに切り換えられる必要がある。しかし完全な連結解除を達成するためには、電磁回路の磁界が実際にないことを確実にしなければならない。このためには、いくらかの残留磁気が意図的に適当な電流インパルスによって解消される。電流インパルスでは、電流は、回路中の磁界が反転されるように向けられている。

Claims (10)

1. 第１の軸（１）を第２の軸（２）に連結させる磁気リラクタンスカップリングであって、
   −周囲に配置された１つまたは複数の磁石（１０，１６）を有する中空円筒状のステータ（３）と、
   −前記ステータ（３）の内部に回動可能に支承された第１のロータ（４）であって、前記第１の軸（１）に相対回動不能に結合されており、周囲に分配されて配置された互いに分離した強磁性の複数の第１の区分（１１）を有している、第１のロータ（４）と、
   前記第１のロータ（４）の内部に回動可能に支承された第２のロータ（５）であって、前記第２の軸（２）に相対回動不能に結合されており、周囲に分配されて配置された強磁性の複数の第２の区分（１５）を有している、第２のロータ（５）と
   が設けられていることを特徴とする、磁気リラクタンスカップリング。
2. 前記ステータ（３）は、強磁性の２つのリング（８，９）を有しており、該リング（８，９）は、互いに相前後して同軸的に配置されており、該リング（８，９）の間に前記１つまたは複数の磁石（１０，１６）が配置されている、請求項１記載の磁気リラクタンスカップリング。
3. 前記１つまたは複数の磁石（１０，１６）は、それぞれ電磁石である、請求項１または２記載の磁気リラクタンスカップリング。
4. 前記電磁石はそれぞれ、強磁性のコアを有しており、該コアが、前記強磁性の２つのリング（８，９）の間の結合部材（１６）を成しており、これにより前記強磁性の２つのリング（８，９）の間には隙間のない強磁性の結合部が存在している、請求項２または３記載の磁気リラクタンスカップリング。
5. 前記第１のロータ（４）の前記第１の区分（１１）はそれぞれ、ロッド状に形成されていて、３つの小区分を有しており、該３つの小区分のうちの第１の小区分（１２）および第２の小区分（１３）が強磁性の材料から成っていて、半径方向で前記強磁性の２つのリングの内側に配置されており、第３の小区分（１４）は、非磁性材料から成っており、軸方向で前記第１の小区分と第２の小区分との間に配置されている、請求項２から４までのいずれか１項記載の磁気リラクタンスカップリング。
6. 前記第１のロータ（４）は、ディスク状の保持エレメント（７）を有しており、該保持エレメント（７）の一方の側には、前記第１の軸（１）が取り付けられており、反対に位置する別の側には前記第１の区分（１１）が取り付けられている、請求項５記載の磁気リラクタンスカップリング。
7. 前記第２のロータ（５）は、前記第１のロータ（４）と同一の軸方向の長さを有しており、該軸方向の長さは、前記ステータ（３）の軸方向の長さに一致する、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁気リラクタンスカップリング。
8. 前記第２のロータ（５）の第２の区分（１５）は、前記第２のロータ（５）の前記回転軸線を中心として放射状に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の磁気リラクタンスカップリング。
9. 前記ステータ（３）の前記電磁石のコイル（１０）は、直列接続されている、請求項３から８までのいずれか１項記載の磁気リラクタンスカップリング。
10. 請求項３から９までのいずれか１項記載の磁気リラクタンスカップリングと、制御装置とを備えたカップリングアセンブリであって、前記制御装置により、前記磁気リラクタンスカップリングが制御可能であり、連結状態で第１および第２のロータ（４，５）の第１の磁界が、第１の方向に向けられており、連結状態の終了の直後に電流インパルスにより、前記第１の方向とは反対方向の第２の方向で第２の磁界が第１および第２のロータ内にその消磁のために形成可能であることを特徴とする、カップリングアセンブリ。

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