PL217809B1 - Sposób regulacji momentu sprzęgającego w magnetoreologicznym sprzęgle wiskotycznym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji momentu sprzęgającego w magnetoreologicznym sprzęgle wiskotycznym, mający zastosowanie w urządzeniach, w których zawsze musi wystąpić moment hamujący - hamulce bezpieczeństwa, sprzęgła bezpieczeństwa ograniczające przed przekroczeniem maksymalnej siły lub momentu.

Znane są z opisów literaturowych min. Bansbach, E. E., Torque Transfer Apparatus Using Magnetorheological Fluids, United States Patent Number (5779013), 1998., Johnston, G.L., Kruckemeyer W.Ch., Longhouse R.E., Passive magnetorheological clutch, United States Patent Number (5848678), 19981, Jośko D., Zvonko H., Milan Kostelac, Modeling of Electromagnetic Circuit of a Magnetorheological Fluid Clutch, 18th IEEE International Conference on Control Applications Part of 2009 IEEE Multi-conference on Systems and Control Saint Petersburg, Russia, July 8-10, 2009, Kavlicoglu B. M., Gordaninejad F., Evrensel C.A., Cobanoglu N., Liu Y., Fuchs A., Korol G., A high-torque magneto-rheological fluid clutch, Proceedings of SPIE Conference on Smart Materials and Structures, San Diego, 2002, ss. 8, Kęsy Z., Sprzęgła z cieczami elektro- i magnetoreologicznymi, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, 2008, ss. 180, Kikuchi T., Ikeda K., Otsuki K., Kakehashi T., Furusho J., Compact MR fluid clutch device for human-friendly actuator, 11th Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Journal of Physics: Conference Series 149 (2009), ss. 4, Lampe D., Grundmann R., „Transitional and solid state behavior of a Magnetorheological clutch”, in the 7th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 2000, ss. 4 i patentowych Gopalswamy S., Linzell S.M., Jones G.L., Kruckemeyer W.Ch., Johnston G.L., Magnetorheological fluid fan clutch, United States Patent Number (5896965), 1999, Gopalswamy S., Linzell S.M., Jones G.L., Magnetorheological Fluid Clutch with Minimized Reluctance, United States Patent Number (5845752), 1998, Hampton, K., Magnetorheological Fluid Coupling, United States Patent Number (5967273), 1999, Jędryczka C., FE analysis of electromagnetic field coupled with fluid dynamics in a MR clutch, COMPEL, 2007, 26, n.4, s. 1028-1036, Rabinow J., Magnetic Fluid Clutch, National Bureau of Standards, Technical News Bulletin, 32(4), 1948, s. 54-60, sprzęgła wiskotyczne wykorzystujące ciecze magnetoreologiczne. Istota działania sprzęgieł wiskotycznych z cieczą magnetoreologiczną polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany lepkości cieczy pod wpływem pola magnetycznego. Ciecz magnetoreologiczna jest zawiesiną cząstek ferromagnetycznych w cieczy nośnej. Cieczą nośną jest najczęściej magnetycznie obojętny olej mineralny, olej syntetyczny lub woda. Lepkość cieczy zwiększa się ze wzrostem pola magnetycznego i maleje przy jego zmniejszaniu. Zmiany lepkości są w pełni odwracalne. Ciecz reaguje na zmiany pola magnetycznego po kilku milisekundach. W znanych sprzęgłach wiskotycznych z cieczą magnetoreologiczną pole magnetyczne wzniecane jest przez jedno albo za pomocą wielu uzwojeń wzbudzających. Elementy konstrukcyjne sprzęgła wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych w taki sposób, by tworzyły one obwód magnetyczny umożliwiający przepływ strumienia magnetycznego przez ciecz magnetoreologiczną znajdującą się pomiędzy elementami wirującymi sprzęgła. Zmiany prądu w uzwojeniu (uzwojeniach) wzbudzającym powodują zmiany gęstości strumienia magnetycznego w obszarze wypełnionym cieczą magnetoreologiczną. Od gęstości strumienia magnetycznego zależy lepkość cieczy magnetoreologicznej, a w konsekwencji przenoszony moment obrotowy sprzęgający elementy ruchome sprzęgła. W ten sposób funkcjonują sprzęgła magnetoreologiczne wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki do elektrycznie kontrolowanego przenoszenia momentów obrotowych pomiędzy współpracującymi ze sobą urządzeniami, czy ich podzespołami.

Podstawowymi wadami klasycznych sprzęgieł z cieczą magnetyczną są:

- konieczność dostarczania energii z zewnętrznego układu do wytworzenia momentu sprzęgającego,

- konieczność stosowania zestyku ślizgowego lub innego układu dostarczania energii elektrycznej do uzwojenia znajdującego się na elemencie wirującym.

Istotą wynalazku jest sposób regulacji momentu sprzęgającego w magnetoreologicznym sprzęgle wiskotycznym, który polega na tym, że wytwarza się pole magnetyczne w obszarze cieczy magnetoreologicznej znajdującej się pomiędzy elementami wirującymi sprzęgła poprzez magnes lub magnesy trwałe, ponadto tworzy się alternatywną drogę dla strumienia magnetycznego Φ₉ przenikającego przez ciecz magnetoreologiczną poprzez umieszczenie w pobliżu magnesu trwałego zwory tak, aby płynący alternatywną drogą strumień magnetyczny Φ₃ nie przenikał przez ciecz magnetoreologiczną, następnie zmienia się opór magnetyczny alternatywnej drogi strumienia magnetycznego magnesu

PL 217 809 B1 trwałego poprzez zmianę położenia zwory, co powoduje zmianę gęstości strumienia magnetycznego

Φ_g w obszarze cieczy magnetoreologicznej i skutkuje zmianą lepkości cieczy magnetoreologicznej, a tym samym zmianą momentu sprzęgającego.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:

• brak konieczności dostarczania energii elektrycznej do wytworzenia momentu sprzęgającego, • brak zestyku ślizgowego lub układów dostarczających energię elektryczną do elementów wirujących, • możliwość płynnej regulacji przenoszonego momentu obrotowego od wartości minimalnej do wartości maksymalnej, • uniwersalność - sposób regulacji momentu sprzęgającego można wykorzystać praktycznie do każdego ze znanych sprzęgieł wiskotycznych z cieczą magnetoreologiczną.

Sposób regulacji momentu sprzęgającego według wynalazku przedstawiono na przykładzie sprzęgła wieloszczelinowego uwidocznionego na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia przekrój sprzęgła wieloszczelinowego, fig. 2a przedstawia widok sprzęgła dla minimalnej wartości momentu sprzęgającego, a fig. 2b dla maksymalnej wartości momentu sprzęgającego.

Wartość momentu sprzęgającego reguluje się przez zmianę osiowego położenia zwory 1, tj. elementu ferromagnetycznego bocznikującego obwód magnetyczny główny. Obwód główny składa się (szczegół A) z magnesu trwałego 6, ferromagnetycznych elementów korpusu górnego 4 i dolnego 5, zestawu pierścieni 8 oraz umieszczonej między zestawem pierścieni 8 i korpusem górnym 4 i dolnym 5 cieczy magnetoreologicznej 7. Obwód magnetyczny alternatywny tworzą zwora 1, szczelina powietrzna 3 między zworą 1 a korpusem górnym 4 i dolnym 5 i magnes trwały 6 oraz pierścieniem 2. Strumienie magnetyczne Φ_g w obwodzie głównym i Φ₃ w obwodzie alternatywnym (szczegół A) zależą od stosunku oporów magnetycznych tych obwodów. Moment obrotowy sprzęgający tuleję napędową 9 oraz tuleję wyjściową 10 jest równy sumie momentów: generowanego w cieczy magnetoreologicznej 7, powstającego w uszczelnieniach 11 oraz w łożyskach 12. Przez zmianę położenia osiowego zwory 1 wpływa się na składową momentu obrotowego sprzęgającego generowanego w cieczy magnetoreologicznej 7. Jest to spowodowane zależnością indukcji magnetycznej, a więc i lepkości cieczy magnetycznej w wyodrębnionym w obwodzie głównym obszarze roboczym, od położenia zwory 1. Obszar roboczy składa się z wypełnionych cieczą magnetoreologiczną 7 szczelin między pierścieniem 2 i zestawem pierścieni 8 oraz szczelin między zestawem pierścieni 8 a korpusami górnym 4 i dolnym 5. Moment obrotowy sprzęgający minimalny uzyskuje się w położeniu zwory 1 jak na rys. 2a. Dla takiego położenia zwory 1 moment sprzęgający zależy od tarcia w łożyskach 12, tarcia w uszczelnieniach 11 oraz od oporów ruchu elementów wirujących sprzęgła w cieczy magnetoreologicznej 7 znajdującej się w pomijalnie małym polu magnetycznym. Natomiast moment sprzęgający maksymalny uzyskuje się dla położenia zwory 1 jak na rys. 2b. Przy takim położeniu zwory 1 indukcja magnetyczna w obszarze z cieczą magnetoreologiczną 7, a więc i indukowane przez pole magnetyczne naprężenia w cieczy mają największą wartość. Zmiana położenia zwory 1 odbywa się podczas pracy układu za pomocą dodatkowego układu napędowego, nie będącego przedmiotem niniejszego wynalazku.

Sposób regulacji momentu sprzęgającego według wynalazku polega na wytworzeniu pola magnetycznego w obszarze cieczy magnetoreologicznej 7 znajdującej się pomiędzy elementami wirującymi sprzęgła poprzez wykorzystanie magnesów trwałych 6. Elementy konstrukcyjne sprzęgła wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych i kształtuje się je w taki sposób, by formowały one obwód magnetyczny stwarzający dogodne warunki do przepływu strumienia magnetycznego wytworzonego przez magnes trwały (magnesy trwałe) 6 przez obszar, w którym znajduje się ciecz magnetoreol ogiczną 7. Obszar ten, nazwany dalej obszarem roboczym, znajduje się między elementami wirującymi sprzęgła. Następnie konieczne jest utworzenie alternatywnej drogi dla strumienia magnetyc znego magnesu (magnesów) przenikającego przez obszar roboczy. Drogę tę tworzy się przez takie umieszczenie w pobliżu magnesu trwałego (magnesów trwałych) 6 dodatkowych elementów ferromagnetycznych, by wytworzony przez magnes 6 i płynący nią strumień magnetyczny nie przenikał przez ciecz magnetoreologiczną 7. Zatem w układzie muszą istnieć dwie drogi dla strumienia wytworzonego przez magnes (magnesy) 6 - pierwsza przez obszar roboczy (strumień główny) i druga przez obwód alternatywny (strumień alternatywny). Następnie koni eczne jest zapewnienie zmiany oporu magnetycznego dla strumienia w obwodzie alternatywnym przez zmianę położenia np. jednego z tworzących ten obwód elementów ferromagnetycznych. W ten sposób, przez zmianę położenia elementu ruchomego - zwory 1 wpływa się na opór magnetyczny drogi alternatywnej, a więc i na

PL 217 809 B1 stosunek strumienia magnetycznego przenikającego przez obszar roboczy do strumienia przepływającego przez obwód alternatywny. Wraz ze wzrostem strumienia magnetycznego w alternatywnym obwodzie magnetycznym maleje strumień w obszarze roboczym. Skutkuje to zmniejszeniem się lepkości cieczy w obszarze roboczym i w konsekwencji zmniejszeniem momentu obrotowego sprzęgającego. Przy zmniejszaniu strumienia w obwodzie alternatywnym wzrasta strumień w obszarze roboczym, a więc rośnie lepkość cieczy i moment sprzęgający.

Claims (1)

1. Sposób regulacji momentu sprzęgającego w magnetoreologicznym sprzęgle wiskotycznym, znamienny tym, że wytwarza się pole magnetyczne w obszarze cieczy magnetoreologicznej (7) znajdującej się pomiędzy elementami wirującymi sprzęgła poprzez magnes lub magnesy trwałe (6), ponadto tworzy się alternatywną drogę dla strumienia magnetycznego (Φ„) przenikającego przez ciecz magnetoreologiczną (7) poprzez umieszczenie w pobliżu magnesu trwałego (6) zwory (1) tak, aby płynący alternatywną drogą strumień magnetyczny (Φ_Ξ) nie przenikał przez ciecz magnetoreologiczną (7), następnie zmienia się opór magnetyczny alternatywnej drogi strumienia magnetycznego magnesu trwałego (6) poprzez zmianę położenia zwory (1), co powoduje zmianę gęstości strumienia magnetycznego (Φ_ΰ) w obszarze cieczy magnetoreologicznej (7) i skutkuje zmianą lepkości cieczy magnetoreologicznej, a tym samym zmianą momentu sprzęgającego.