KR100232799B1 - 클러치/브레이크 유닛 - Google Patents

Abstract

전기 코일에의 전압 공급은 입력축을 출력 풀리에 결합시키기 위해 클러치의 전기자를 회전자와 결합하도록 유도하는 자속을 발생한다. 코일에 전압 공급이 끊어지면, 두개의 각지게 이격된 영구자석들이 전기자를 회전자로 부터 끌어당겨 제동 토오크를 출력 풀리에 가할 수 있는 고정 극편들과 결합시키게 된다. 자석들은 매우 인접하게 위치되고 코일의 자속이 자석들의 자속을 극복, 코일에 전압이 공급되면 클러치를 쉽고 효과적으로 제어, 결합할 수 있도록 코일의 짧은 호만을 따라 위치된다.

Description

클러치/브레이크 유닛

제1도는 본 발명의 독특한 특징을 갖는 새로 개선된 클러치/브레이크 유닛을 축방향으로 취한 단면도.

제2도는 제1도의 선(2-2)을 따라 취한 단면도.

제3도는 제2도의 선(3-3)을 따라 본 측면도.

제4도는 제1도와 유사하나, 브레이크는 분리되기 시작하고 클러치는 결합하려는 순간의 유닛을 보여주는 분해도.

제5도는 제1도와 유사하나, 완전 분리된 브레이크와 완전 결합된 클러치를 보여주는 다른 분해도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 클러치/브레이크 유닛 13 : 풀리

15 : 허브 25 : 클러치

26 : 전자계쉘 27, 28,36 : 극링

35 : 회전자 38, 44, 70 : 슬롯

40 : 전기자 41 : 스프링

42, 43 : 리벳 45 : 코일

50, 51 : 공기 갭 55, 56 : 영구자석

60, 61 : 극편

본 발명은 클러치가 전자적으로 (electromagnetically)작동되는 클러치/브레이크 유닛에 관한 것으로, 특히 승차식 잔듸깍기, 정원용 트랙터나 전지와 그 전지를 충전할 동기발전기를 갖는 그와 유사한 차량에 사용되도록된 클러치/브레이크 유닛에 관한 것이다. 클러치/브레이크 유닛의 목적은 기기 구동장치(예, 잔듸깍기 칼날 구동장치)를 선택적으로 결합. 분리되게 하고, 구동장치가 분리되면 그 구동장치에 포지티브 제동 토오크를 가하는 것을 목적으로 한다.

이들 목적을 위해 사용된 종래 클러치/브레이크 유닛의 일 유형은 고정 전자계쉘, 그 고정 전자계쉘에 배치된 전기 코일, 입력 부재에 의해 구동되고 전자계쉘에 대해 회전가능한 회전자, 및 출력 부재에 접속되고 회전자에 대해 선택적으로 회전가능한 전기자를 갖는 전자 클러치를 포함한다. 코일에 전압이 공급되면, 자속이 전자계쉘과 회전자를 통해 나아가고 회전자와 전기자 사이이 공기갭을 축방향으로 가로질러 왔다갔다 하여, 전기자를 회전자와 결합되게 함으로써 출력 부재를 입력 부재와 조화를 이루며 회전하게 결합시킨다.

코일에 전압 공급이 끊어지면, 스프링이 전기자를 회전자로 부터 분리시키고

입력 부재를 출력 부재에 대해 회전하게 허용한다. 동시에, 스프링은 회전중인 출력 부재를 비교적 빨리 정지되게 하기 위해 전기자를 고정된 제동 부재에 반해 잡아당긴다.

그런 클러치/브레이크 유닛의 제동력이 스프링들에 의해 발생되기 때문에, 그 스프링들은 출력 부재를 효과적으로 제동할 수 있도록 비교적 강해야만 한다. 그 결과, 스프링의 힘을 극복하고 브레이크의 해제와 클러치의 결합에 영향을 끼치도록 큰 자기력이 발생되어야만 한다. 전기자가 회전자로 움직여 결합함에 따라, 스프링들에는 점진적으로 더욱 많은 부하가 걸리게 되어 전기자가 회전자와 결합하는 것에 저항하도록 아주 큰 힘이 가해지게 된다.

비교적 강한 스프링의 힘을 극복하기 위해선 큰 자기력이 발생되어야만 하므로, 클러치/브레이크 유닛은 그런 힘을 발생하기 위해 비교적 큰 전기 코일을 사용하게 된다. 그런 큰 코일을 사용하는데는 차량에 그 코일과 다른 전기 장식품을 수용할 큰 용량의 전기 시스템이 갖춰져 있어야 함이 필요하다.

첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

설명을 위해, 발명은 클러치/브레이크 유닛(10)에 구체화되어 도시되어 있다. 이 유닛은 여러곳에 많이 응용될 수 있으나 , 특히 승차식 잔듸깍기나 정원용 트랙터에 관련해 사용되기에 알맞다. 엔진은 하향 돌출하는 구동축(12)을 포함한다. 그 축에 의해 풀리(13) 형태의 출력 부재는 회전하게 되고 벨트에 의해 잔듸깍기의 칼날이나 다른 피동장치에 연결되게 된다.

일반적으로 클러치/브레이크 유닛(10)은 엔진의 구동축(12)에 체결된 입력 부재 또는 허브(15)를 포함한다. 허브의 하단부에는 풀리(13)를 허브에 관련해 회전되도록 지지하는 베어링(16)이 위치된다. 제2베어링(17)은 허브이 상단부와 구동축 상의 견부(18) 사이에 위치된다. 여러 부품이 구동축의 하단부 부분에 나사식으로 끼워지고 부시(20)를 통해 연장하는 나사(19)에 의해 조립되어 지지되며, 상기 부시(20)는 베어링(16)을 통해 연장해 허브(15) 내주에 끼워진다. 나사머리(21)는 플랜지(22)를 부시위에다 베어링(16)의 하측에 대해 고정시킨다.

클러치/브레이크 유닛(10)은 회전하게 고정된 전자계쉘(26)을 갖는 전자 클러치(25)를 포함한다. 그 쉘은 뒤집힌 U자형 단면을 갖으며, 상부 단부(29)에 의해 연결되는 내,외측 극링(pole ring)(27, 28)을 포함한다. 베어링(17)은 쉘(26)을 지지하면서 축(12)과 허브(15)를 그 쉘의 내측 극링(27)내에서 회전할 수 있게 한다. 전자계쉘의 회전은 외측 극링(28) 하단부의 일측에 일체로 형성되 반경방향으로 외측을 향해 연장하는 반(反)회전 플랜지(30)에 의해 방지된다. 파스너들(도시 않됨)은 플랜지(30)의 단부 부분들에 있는 노치들(31)(제2도)을 통해 연장하고, 전자계쉘을 엔진 블럭이나 다른 고정 구조물에 고정시킨다.

입력 허브(15)에는 전자계쉘(26) 내부 그것의 외측 극링(28)에 인접하게 회전가능하도록 여유를 가지고 배치된 극링(36)을 갖는 회전자(35)가 고정된다. 회전자는 극링(36)의 하단부에 일체로 형성되어 입력 허브(15)와 함께 회전하도록 연결된 하부 마찰 디스크(37)를 포함한다. 디스크(37)를 통해서는 각지게 이격된 슬롯(38)로 이루어진 다수의 반경방향으로 이격된 열이 형성된다. 이 특정예에는 디스크에 세개의 동심 슬롯열이 형성되어 있다.

회전자(35)와는, 출력 풀리(13)와 함께 회전하도록 연결되고 그것에 대해 축방향으로 움직이는 전기자(40)가 상호 작동한다. 이를 위해 풀리와 전기자 사이에는 세개의 각지게 이격된 판스프링(41)이 위치되는데, 그 각 스프링의 일단부 부분은 리벳(42)에 의해 풀리에 고정되고 타단부는 리벳(43)에 의해 전기자에 연결된다. 스프링들은 전기자로 부터의 토오크를 풀리에 전달하고, 전기자가 풀리에 대해 축방향으로 변위, 회전자(35)의 디스크(37)에 가까와지거나 멀어지게 한다.

전기자(40)를 통해서도 각지게 이격된 슬롯들(44)로 이루어진 반경방향으로 이격된 열이 형성된다. 여기에는 두 열의 슬롯들(44)이 있는데, 그 중 한 열은 회전자 디스크(37)의 내측열과 중앙열의 슬롯(38) 사이에 위치되고, 다른 열은 회전자 디스크의 중앙열과 외측열의 슬롯(38) 사이에 위치된다.

클러치(25)는 전자계쉘(26) 내부 그것의 내, 외측 극링(27, 28) 사이에 배치되어 그후 승차식 잔듸깍기나 트랙터의 전지같은 전압원에 접속되게 되어 있는 단자 블럭(46)에 전기적으로 접속되는 다수 권수의 권선으로 형성된 코일(45)로 완성된다. 코일에 전압이 가해지면, 자속이 발생되 제4도의 참조번호(48)과 같은 회로를 나아간다. 특히, 자속은 전계쉘(26)의 외측 극링(28)에서 부터 시작해 반경방향 공기갭(50)을 가로질러 회전자(35)의 극링(36)으로 간 다음, 회전자의 마찰 디스크(37)와 전기자(40) 사이의 축방향 공기갭(51)을 가로질러 여러번 왔다갔다한 후, 마찰 디스크로 부터 전계쉘의 내측 극링(27)으로 나아간다. 그 자속은 전기자(40)를 유도해 제5도에 도시되듯이 회전자 디스크(37)와 결합하게 하고, 전기자와 출력 풀리(13)를 회전자(35)와 입력 허브(15)와 조화를 이루며 회전하게끔 한다.

스프링들(41)은 전기자가 축방향으로 움직여 회전자와 결합하게 허용하고 전기자로 부터의 토오크를 풀리에 전달하는 기능을 한다. 코일(45)에 공급되는 전압이 끊어짐에 따라, 스프링들은 전기자를 끌어당겨 회전자 디스크와 분리시키는 경향이 있는 힘을 가한다. 전기자가 제1도에 도시된 클러치 분리위치에 있으며, 입력 허브(15)와 회전자(35)는 전기자(40)와 풀리(13)를 회전시키지 않은채 회전한다.

회전자 디스크(37)의 세 열의 슬롯들(38)과 전기자(40)이 두 열의 슬롯들(44)이 경로(48)의 자속을 총 여섯번 축방향 공기갭(51)을 가로지르게 하므로, 클러치(25)는 비교적 큰 토오크를 발현하는 6극 클러치가 된다. 회전자나 전기자의 슬롯열 중 어느 한 열을 빼므로써, 클러치는 좀 작은 코일을 사용할 수 있는 작은 토오크의 4극 클러치로 만들어질 수 있다. 클러치가 4극 클러치로 구조된다면, 공구설치 관점에서 볼 때 회전자 디스크(37)의 중심열의 슬롯들(38)을 빼는게 바람직하다.

클러치(25)가 분리되면 출력 풀리(13)를 비교적 짧은 시간(예, 3초)내에 완전히 중지시키는게 필요하다. 본 유닛(10)과 같은 일반적인 유형의 많은 종래 클러치/브레이크 유닛에 있어서는, 스프링들(41)이 코일(45)에 전압이 공급되지 않을때 전기자(40)를 고정된 브레이크 부재에 단단하게 유지할 수 있도록 충분히 강하므로, 전기자와 풀리에 공급될 제동 토오크를 초래한다. 그러나 강한 스프링을 사용하는데에는 클러치에 의해 발현되는 자기력이 스프링의 힘을 극복할 만큼 충분히 커, 전기자(40)를 회전자(35)와 결합하도록 끌어당기는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면, 영구자석들(55, 56)이 전기자(40)와 관련해 독특하게 위치되고 그것들과 접촉하여, 클러치(25)가 분리되면 출력 풀리(13)를 재빨리 멈춘다. 이후 분명해 지듯이, 제어력 발생을 위해 영구자석을 사용하게 되면 훨씬 가벼운 스프링(41)을 사용할 수 있게 되는데, 이로써 클러치의 필요 동력량이 감소되고 클러치/브레이크 유닛(10)은 비교적 효율이 적은 전기발생시스템을 갖는 차량과 관련해 사용될 수 있게 된다.

더욱 특별히, 본 발명의 경우에는 두개의 영구자석들(55, 56)이 사용되고 있지만, 어떤 환경에서는 두개 이상의 자석이 사용될 수 있다. 자석들은 각 자석이 축방향으로 각기 반대 극성을 갖도록 자화되는 평평한 세라믹 웨이퍼의 형태인 것이 바람직하다. 예시만을 목적으로 하여, 자석들은, 자석(55)은 윗쪽을 향한 남극과 아랫쪽을 향한 북극을 갖고, 자석(56)은 윗쪽을 향한 북극과 아랫쪽을 향한 남극을 갖는 상태로 도시된다. 그러나, 자석들의 특정 극성은 인접한 자석들의 같은 극들이 축방향으로 반대방향을 향하고 있는한 변할 수 있다.

자석들(55, 56)은 전자계쉘(26)의 플랜지(30) 아래에 그와 결합하게 매우 가깝게 이격된 단부간 관계로 위치되고, 각각 낮은 자기저항을 갖는 철강이나 다른 물질로 만들어진 극편들(60, 61) 위에 결합하게 위치된다. 각 자석은 극편을 플랜지에 고정 부착시키는 기능도 하는 한 쌍의 리벳(64)에 의해 플랜지(30)와 개별 극핀 사이에 계류된다. 극편들은 그들의 내측 연부 부분들이 전기자(40)의 외측 주변부분 아래에 있도록 배치된다.

코일(45)에 전압 공급이 끊어지고 클러치(25)가 분리되면, 영구자석들(55, 56)의 자속이 참조번호(65)로 지시되는 회로를 나아간다(제2, 3도).

특히, 자속은 자석(55)의 북극에서 시작해 극편(60)으로 간 다음 전기자(40)로 나아간다. 그 다음 자속은 극편(61)으로 나아가 자석(56)의 남극으로 부터 북극으로 해서 전자계쉘(26)의 플랜지(30)에 이르름으로써 자석(55)의 남극으로 되돌아온다. 그런 자속은 전기자(40)를 아래로 유도하여 극편들(60, 61)과 결합하게 하는 힘을 발생하며, 그 결과 고정 극편들이 전기자에 제어 토오크를 가하게 된다.

중요한 사항은, 자석들(55, 56)이 환형 전자계쉘(26)과 전기자(40)에 대해 대칭을 이루고, 자석들과 극편들(60, 61)이 놓여 있는 각거리가 전계쉘 원주의 1/2도 안되게 연장하게 크기가 이루어지고 위치되어야 한다는 것이다. 이 특정 경우에 있어서, 두 자석의 인접하지 않은 단부들 사이의 각은 약 60°밖에 안되므로 자석들은 전계쉘 원주의 약 1/6 정도 밖에 연장하지 못한다. 이 장치 덕분에, 영구자석이 자속은 전계쉘과 전기자의 비교적 짧은 호만을 통해 나아가 영구자석의 자속이 코일(45)에 의해 발생된 자속을 방해하는 것을 최소화시킨다. 코일(45)에 전압이 공급되면 자석들(55, 56) 맞은편의 전기자(40)가 제4도에 도시되듯이 회전자 디스크(37)와 재빨리 결합하게 된다. 하지만 자석에 인접한 전기자측은 제4도에 도시되듯이 극편들(60, 61)과의 결합상태를 단지 순간적으로 유지한다. 일단 전기자가 후퇴하기 시작하면, 많은 자속선이 회전자와 전기자 사이의 공기갭(51)을 뛰어넘어 클러치극 위를 넘쳐, 전기자/회전자 유도력을 전기자/극편 유도력보다 몇배 더 크게 증가시킴으로써 전기자를 극편들에서 부터 제5도에 보이는 완벽한 클러치 결합위치로 쉽게 끌어당긴다.

유리한 것은, 다른 셋의 각지게 이격된 슬롯들(70)이 전기자(40)를 관통해 형성되어 회전자 디스크(37)의 가장 바깥측 열의 슬롯들(38)이 반경방향으로 바깥쪽을 향해 배치된다는 것이다. 슬롯들(70)은 영구자석의 자속을 코일(45)에 의해 발생된 자속과 절연시키는 경향이 있으며, 코일이 클러치(25)와 결합하도록 전압 공급이 될 경우 자석들(55, 56)이 전기자(40)를 극편들(60, 61)에 유지하려는 경향을 감소시킨다.

전술한 장치를 사용하면, 코일(45)에 전압이 공급되면 전기자(40)가 극편들(60, 61)에서 떨어져 클러치(25)와 결합, 극편들의 제어작용을 무효화 시키게 된다. 코일에 전압 공급이 끊기면, 영구자석들(55, 56)이 전기자를 회전자 디스크(37)에서 끌어당겨 극편들과 결합시키게 되므로 제어 토오크가 전기자를 통해 출력 풀리에 가해지게 된다. 제어력이 스프링들(41)에 의해서가 아니라 자석들에 의해 발생되기 때문에, 스프링들은 전기자와 풀리 사이의 토오크를 전달할 수 있을 만큼만 강할 필요가 있게 되고 그 결과 스프링은 클러치 결합에 대해 거의 저항하지 않게 된다. 더우기, 전기자가 회전자를 향해 움직임에 따라, 자석들에 의해 전기자에 가해지는 힘은 감소하고 스프링에 기반한 제어시스템의 스프링들에 의해 가해지는 힘은 증가하게 된다. 클러치(25)와 결합하는데 적은 힘이 필요하기 때문에, 클러치의 동력 요구량이 낮아지게 되고, 그 결과 클러치는 차량의 전기 시스템에 있는 전지에 적은 드레인을 부가하게 된다. 또한 효율이 적고 덜 비싼 클러치가 사용될 수 있다.

스프링들(41)이 축방향으로 강할 필요가 없으므로, 클러치(25)는 비교적 큰 공기갭(51)(예, 0.080″ = 0.203㎝)이 회전자 디스크(37)와 전기자(40) 사이에 존재하더라로도 전(全)토오크로 작동하게 된다. 그 결과, 큰 마모가 발생할 수 있으나, 클러치(25)는 조정될 필요없이 전토오크를 발현할 수 있다. 더우기, 영구자석(55, 56)의 사용으로 클러치(25)내 제어토오크상에 공차 적재효과가 무효화되므로 더욱 일정한 제어 토오크가 가능하다.

두개의 각지게 이격된 자석(55, 56)을 사용하는 것이 그 두 자석과 같은 표면영역을 갖는 단일 자석보다 실질적으로 큰 제어 토오크를 발생한다는 것이 발견되었다. 자석들 중 하나는 다른 하나로 부터 자속을 유도, 전기자(40)와 극편들(60, 61) 사이를 지나는 자속선의 총 수를 증가시킨다. 전기자가 보통 자석들과 결합하기 때문에, 전기자는 “보호막대(keeper bar)”와 같은 식으로 기능해 자석들이 일정 시간에 걸쳐 감자(監磁) 되지 않도록 방지하는 기능을 한다.

클러치/브레이크 유닛(10)이 적당히 기능하게 하기 위해 자석들(55, 56)은 같은 극들이 축방향으로 반대방향을 향하는 상태로 설치되는게 반드시 필요하다. 같은 극들이 축방향으로 같은 방향을 향하게 설치되지 못하게 하기 위해, 각 자석은 여섯개의 평행측을 갖도록 형태가 이루어진다. 두 자석은 형태가 동일하며, 각각 같은 방향으로 자화된다. 극편(60)의 리벳들과 극편(61)의 리벳들은 극편(60)의 리벳들 사이에는 소정의 방향을 갖는 자석만 배치되고, 극편(61)의 리벳들 사이에는 그 첫번째 자석에 대해 수평방향 축선을 중심으로 180°반전된 자석만 배치되도록 배치된다. 따라서, 부주의하게 같은 극들이 같은 방향을 향한채 자석이 설치되는 경우가 배제되게 된다.

Claims (3)

1. 회전안되게 고정되고 일반적으로 원형이며 외측 주변부를 갖는 전자계쉘, 그 전자계쉘에 대해 회전하게 지지되는 입력 부재, 그 입력 부재에 대해 회전하게 지지되는 출력 부재, 상기 입력 부재와 회전가능한 회전자, 상기 출력 부재와 회전가능하고 정상적으로 상기 회전자로 부터 축방향으로 이격되 클러치 분리 위치에 있게 되는 전기자, 상기 전자계쉘, 상기 회전자, 및 상기 전기자를 통해 나아가 상기 전기자를 상기 회전자와 축방향으로 결합, 클러치 결합 위치에 이르게 하는 자속을 발생하는 선택적으로 전압공급 가능한 코일, 상기 전자계쉘의 외측 주변부에 고정되고 서로 매우 인접하게 위치되며, 사이에 벌어진 각거리가 전자계쉘의 외측 주변부의 원주 둘레를 1/2이하로 연장하도록 위치하고, 축방향에 면하는 극들을 갖는데, 일자석의 일극은 축방향으로 일방향에 면하고 인접 자석의 대응극은 축방향으로 타방향에 면하는 상태로 배향되는 면하는 상태로 배향되는 다수의 각지게 이격된 영구 자석, 상기 전자계쉘에 고정되고 상기 전기자가 상기 클러치 분리 위치에 있으면 그 클러치와 결합하며, 상기 전자계쉘과의 사이에 상기 영구자석들은 샌드위치식으로 갖는 극편을 가지므로, 상기 영구자석의 자속은 상기 전기자가 상기 클러치 분리 위치에 있게되면 상기 극편들과 상기 전기자 및 상기 전자계쉘을 통해 나아가 상기 전기자에 제동력이 제공되도록 상기 전기자를 상기 극편들로 유도하며, 상기 코일의 자속은 상기 코일에 전압이 공급되면 상기 영구자석의 자속을 극복하여 상기 전기자를 상기 극편들에서 떨어져 상기 클러치 결합 위치에 이르게 강제하는 클러치/브레이크 유닛.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전자와 전기자는 각각 상기 코일의 자속을 상기 전기자와 상기 회전자 사이를 앞, 뒤로 나아가게 하는 코일 자속 회로를 이루는 각지게 이격된 슬롯들로 이루어진 다수의 반경방향으로 이격된 열을 지니게 형성되고, 상기 영구자석의 자속이 상기 코일 자속 회로와 절연되도록 또 다른 셋이 각지게 이격된 슬롯들이 상기 전기자에 형성되 상기 슬롯열들 중 최외측 열의 반경방향으로 외측에 위치된 것을 특징으로 하는 클러치/브레이크 유닛.
3. 회전 못하게 고정된 전자계쉘, 그 전자계쉘에 대해 회전하게 지지된 입력 부재, 그 입력 부재에 대해 회전하게 지지된 출력 부재, 상기 입력 부재와 회전가능한 회전자, 상기 출력 부재와 회전가능하고 보통 상기 회전자로 부터 이격되 클러치 분리 위치에 있는 일반적으로 원형인 전기자, 상기 전자계쉘과, 상기 회전자, 및 상기 전기자를 통해 나아가 상기 전기자를 상기 회전자와 축방향으로 결합하게해 클러치 결합 위치에 이르게 하는 자속을 발생하는 선택적으로 전압공급 가능한 코일, 상기 전자계쉘에 고정되고 서로 매우 인접하게 위치되며, 축방향으로 면하는 극을 갖는데, 일자석의 일극은 축방향으로 일방향에 면하고 다른 자석의 대응극은 축방향으로 그 반대 방향에 면하는 이격된 제1, 2영구 자석, 상기 전자계쉘에 고정되고, 그 전자계쉘과의 사이에 상기 제1, 2 자석들을 샌드위치식으로 각각 갖으며, 상기 전기자가 상기 클러치 분리 위치에 있게되면 그것과 결합하는데 상기 전기자가 서로 매우 인접하게 위치되며 같이 거의 180°이하로 대(對)하는 두개의 각지게 이격된 호만을 따라 결합되도록 크기지고 위치되는 각지게 이격된 제1, 2 극편을 갖으므로, 상기 영구자석의 자속은 상기 전기자가 상기 클러치 분리 위치에 있게되면 상기 제1 극편, 상기 전기자, 상기 제2 극편 및 상기 전자계쉘을 통해 나아가 상기 전기자에 제동력이 가해지도록 상기 전기자를 상기 극편들로 유도하고, 상기 코일의 자속은 상기 코일에 전압이 공급되면 상기 영구자석의 자속을 극복, 상기 전기자를 상기 극편들에서 떨어져 상기 클러치 결합 위치에 이르게 강제하는 클러치/브레이크 유닛.