WO2015058765A1 - Schaltbare magnetkupplung - Google Patents

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switchable
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Daniel Helmer
Marc Finkenzeller
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D27/00—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor
    • F16D27/004—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with permanent magnets combined with electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D27/00—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor
    • F16D27/10—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings
    • F16D27/108—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings with axially movable clutching members
    • F16D27/112—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings with axially movable clutching members with flat friction surfaces, e.g. discs

Definitions

  • the invention relates to a switchable magnetic coupling with a stator, which comprises at least one winding, and with a drive element which is frictionally connectable with an output element for transmitting torque in a closed position of the magnetic coupling.
  • the object of the invention is to enable in a simple manner a transmission of larger torques by means of a switchable magnetic coupling.
  • a switchable magnetic coupling with a stator which comprises at least one winding, and with a drive element which is frictionally connected to a torque output in a closed position of the magnetic coupling with an output element, achieved in that the magnetic coupling by a biased spring means in its closed position biased and can be switched by energizing the winding in an open position in which no torque is transmitted.
  • the winding comprises, for example, an electromagnetic coil and serves to represent an electromagnet.
  • a contact force required for closing the clutch is provided by the prestressed spring device. That is, the contact pressure is not realized by magnetic field strength.
  • a magnetic field can be induced in the stator by the electromagnet. This magnetic field is advantageously directed in the opposite direction to a permanent magnet field assigned to the output element.
  • a preferred embodiment of the switchable magnetic coupling is characterized
  • the magnetic coupling comprises a permanent magnet having a polarity which is opposite to a magnetic field induced by energizing the winding in the stator.
  • the winding induces a magnetic flux in the stator as soon as current flows through the winding.
  • the magnetic flux is advantageously conducted through the drive element.
  • the magnetic flux preferably closes by the output element.
  • the permanent magnet is advantageously arranged on a side facing away from the drive element of the output element.
  • the drive element comprises a rotary transformer, which is preferably arranged in an axial direction between the stator and the driven element.
  • the term axial refers to a rotational axis of the drive element and the output element. Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation.
  • a further preferred embodiment of the switchable magnetic coupling is characterized in that the rotary transformer by means of a bearing device is rotatably mounted relative to the stator.
  • the bearing device comprises, for example, at least one roller bearing, preferably at least two or three roller bearings.
  • the switchable magnetic coupling is characterized in that the rotary transformer comprises a Poltrennung.
  • the pole separation allows a separation of the poles in the drive element.
  • a further preferred embodiment of the switchable magnetic coupling is characterized in that the output element comprises a rotor, which is preferably arranged in the axial direction between the permanent magnet and the drive element.
  • the permanent magnet may be attached to the output element, in particular the rotor.
  • a further preferred embodiment of the switchable magnetic coupling is characterized in that the rotor is equipped on a side facing the drive element with a friction lining.
  • the friction lining allows in a simple manner, the generation of a frictional engagement between the drive element and the output element when the magnetic coupling is closed.
  • the switchable magnetic coupling is characterized in that the spring device comprises at least one disc spring. With the help of the plate spring, a large contact force for closing the magnetic coupling can be provided in a simple manner.
  • the above object is alternatively or additionally achieved in that the magnetic coupling is biased by the biased spring means in its closed position and is switched by energizing the winding in the open position.
  • the prestressed spring device can be provided in a simple manner a significantly larger contact force than conventional magnetic couplings, which are biased in their open position.
  • the invention further relates to a pulley with a previously described switchable magnetic coupling.
  • the pulley is, for example, a crankshaft pulley in the drive train of a motor vehicle.
  • the attached figure shows a simplified magnetic coupling 1 in section.
  • the magnetic coupling 1 comprises a stator 5 with a stator housing 6.
  • a winding 8 is arranged in the stator housing 6.
  • the winding 8 serves to generate an electric field in the stator 5.
  • the magnetic field is generated in the stator 5 when the winding 8 is energized.
  • the magnetic coupling 1 further comprises a drive element 10.
  • the drive element 10 in turn comprises a rotary transformer 12, which is rotatably connected, for example, with a drive shaft, for example a crankshaft in the drive train of a motor vehicle.
  • the rotary transformer 12 includes a Poltrennung 14.
  • a bearing device 15 is the Rotary transformer 12 is mounted rotatably about an axis of rotation to the stator 5. The axis of rotation extends in the figure in a vertical direction.
  • the magnetic coupling 1 furthermore comprises an output element 20.
  • the output element 20 in turn comprises a rotor 22.
  • a friction lining 24 is fastened to the rotor 22 on the side facing the drive element 10.
  • the friction lining 24 serves to generate a frictional connection between the drive element 10 and the output element 20 when the magnetic coupling 1 is closed.
  • the magnetic coupling 1 is shown in its closed position.
  • the magnetic coupling 1 further includes a permanent magnet 30 with two poles 31 and 32.
  • the permanent magnet 30 is fixed on the side facing away from the friction lining 24 on the rotor 22.
  • On the permanent magnet 30 is a spring device 40 under pretension.
  • the spring device 40 comprises a plate spring 42, which is clamped between a support structure 44 and the permanent magnet 30. By the biasing force of the spring means 40, the magnetic coupling 1 is held in its illustrated closed position.
  • the winding 8 When the winding 8 is energized, the winding 8 induces a magnetic flux in the stator 5. The magnetic flux is conducted through the rotary transformer 12 with the pole separator 14. The magnetic flux closes through the rotor 24.
  • the magnetic coupling 1 according to the invention requires no energy in its illustrated closed position. Therefore, it is suitable for applications in which the magnetic coupling 1 is mainly in the closed state.
  • the moment of the magnetic coupling 1 according to the invention is relatively easy to regulate.
  • the electromagnet represented by means of the winding 8 needs its maximum force in order to keep the magnetic coupling 1 open. By reducing the current through the winding 8, the force of the electromagnet decreases and the spring device 40 with the plate spring 42 presses the driven element 20 against the drive element 10.
  • the open position with the air gap between the drive element 10 and output element 20 is also referred to as the released state.
  • the released state of the magnetic coupling 1 can be advantageously used with a smaller air gap than in conventional magnetic clutches. As a result, the power and space of the electromagnet can be reduced.
  • the contact pressure can be further increased.
  • the pressing force of the plate spring 42 is increased by a magnetic attraction of the rotor 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Magnetkupplung mit einem Stator, der mindestens eine Wicklung umfasst, und mit einem Antriebselement, das zur Drehmomentübertragung in einer Schließstellung der Magnetkupplung reibschlüssig mit einem Abtriebselement verbindbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetkupplung durch eine vorgespannte Federeinrichtung in ihre Schließstellung vorgespannt und durch Bestromen der Wicklung in eine Öffnungsstellung umschaltbar ist, in welcher kein Drehmoment übertragen wird.

Description

Schaltbare Magnetkupplung
Die Erfindung betrifft eine schaltbare Magnetkupplung mit einem Stator, der mindestens eine Wicklung umfasst, und mit einem Antriebselement, das zur Drehmomentübertragung in einer Schließstellung der Magnetkupplung reibschlüssig mit einem Abtriebselement verbindbar ist.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 012 610 A1 ist eine schaltbare
Magnetkupplung mit einem Stator, einem Antriebsteil zum Einleiten eines Eingangsdrehmoments, einem mit dem Antriebsteil wahlweise koppelbaren, den Abtrieb bildenden Rotor, wenigstens einer am Stator oder Rotor vorgesehenen, schaltbaren Magnetspule sowie wenigstens einem über die Magnetspule beweglichen Ankerteil, das über einen Reibschluss den Drehmomentweg vom Antriebsteil zum Rotor schließt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 201 1 013 520 A1 ist eine Druckwellenladeranordnung an einem Verbrennungsmotor bekannt, aufweisend einen Druckwellenlader mit Anschlussleitungen, einem Gehäuse und einem Zellrotor sowie einen Motor zum Antrieb des Zellrotors, wobei der Zellrotor und der Motor mit einer magnetischen Kupplung gekoppelt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Art und Weise eine Übertragung von größeren Drehmomenten mit Hilfe einer schaltbaren Magnetkupplung zu ermöglichen.
Die Aufgabe ist bei einer schaltbaren Magnetkupplung mit einem Stator, der mindestens eine Wicklung umfasst, und mit einem Antriebselement, das zur Drehmomentübertragung in einer Schließstellung der Magnetkupplung reibschlüssig mit einem Abtriebselement verbindbar ist, dadurch gelöst, dass die Magnetkupplung durch eine vorgespannte Federeinrichtung in ihre Schließstellung vorgespannt und durch Bestromen der Wicklung in eine Öffnungsstellung umschaltbar ist, in welcher kein Drehmoment übertragen wird. Die Wicklung umfasst zum Beispiel eine elektromagnetische Spule und dient zur Darstellung eines Elektromagneten. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird eine zum Schließen der Kupplung benötigte Anpresskraft durch die vorgespannte Federeinrichtung bereitgestellt. Das heißt, die Anpresskraft wird nicht durch magnetische Feldstärke realisiert. Zum Öffnen der Magnetkupplung kann in dem Stator durch den Elektromagneten ein Magnetfeld induziert werden. Dieses Magnetfeld ist vorteilhaft einem dem Abtriebselement zugeordneten Permanentmagnetfeld entgegengerichtet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Magnetkupplung einen Permanentmagneten mit einer Polung umfasst, die einem Magnetfeld entgegengerichtet ist, das durch Bestromen der Wicklung in dem Stator induziert wird. Die Wicklung induziert einen magnetischen Fluss in dem Stator, sobald die Wicklung von einem Strom durchsetzt wird. Der magnetische Fluss wird vorteilhaft durch das Antriebselement hindurch geleitet. Der magnetische Fluss schließt sich vorzugsweise durch das Abtriebselement. Der Permanentmagnet ist vorteilhaft auf einer dem Antriebselement abgewandten Seite des Abtriebselements angeordnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement einen Drehübertrager umfasst, der vorzugsweise in einer axialen Richtung zwischen dem Stator und dem Abtriebselement angeordnet ist. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des Antriebselements und des Abtriebselements. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager mit Hilfe einer Lagereinrichtung relativ zu dem Stator drehbar gelagert ist. Die Lagereinrichtung umfasst zum Beispiel mindestens ein Wälzlager, vorzugsweise mindestens zwei oder drei Wälzlager.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager eine Poltrennung umfasst. Durch die Poltrennung wird eine Trennung der Pole im Antriebselement ermöglicht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement einen Rotor umfasst, der vorzugsweise in axialer Richtung zwischen dem Permanentmagneten und dem Antriebselement angeordnet ist. Der Permanentmagnet kann an dem Abtriebselement, insbesondere dem Rotor, befestigt sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor auf einer dem Antriebselement zugewandten Seite mit einem Reibbelag ausgestattet ist. Der Reibbelag ermöglicht auf einfache Art und Weise die Erzeugung eines Reibschlusses zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement, wenn die Magnetkupplung geschlossen ist. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der schaltbaren Magnetkupplung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung mindestens eine Tellerfeder umfasst. Mit Hilfe der Tellerfeder kann auf einfache Art und Weise eine große Anpresskraft zum Schließen der Magnetkupplung bereitgestellt werden.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen schaltbaren Magnetkupplung ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Magnetkupplung durch die vorgespannte Federeinrichtung in ihre Schließstellung vorgespannt ist und durch Bestromen der Wicklung in die Öffnungsstellung umgeschaltet wird. Durch die vorgespannte Federeinrichtung kann auf einfache Art und Weise eine deutlich größere Anpresskraft bereitgestellt werden als bei herkömmlichen Magnetkupplungen, die in ihre Öffnungsstellung vorgespannt sind.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Riemenscheibe mit einer vorab beschriebenen schaltbaren Magnetkupplung. Bei der Riemenscheibe handelt es sich zum Beispiel um eine Kurbelwellenriemenscheibe im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.
In der einzigen beiliegenden Figur ist eine erfindungsgemäße Magnetkupplung stark vereinfacht im Schnitt in ihrer Schließstellung dargestellt.
Die beiliegende Figur zeigt stark vereinfacht eine Magnetkupplung 1 im Schnitt. Die Magnetkupplung 1 umfasst einen Stator 5 mit einem Statorgehäuse 6. In dem Statorgehäuse 6 ist eine Wicklung 8 angeordnet. Die Wicklung 8 dient zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Stator 5. Das magnetische Feld wird in dem Stator 5 erzeugt, wenn die Wicklung 8 be- stromt wird.
Die Magnetkupplung 1 umfasst des Weiteren ein Antriebselement 10. Das Antriebselement 10 wiederum umfasst einen Drehübertrager 12, der zum Beispiel mit einer Antriebswelle, zum Beispiel einer Kurbelwelle im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, drehfest verbunden ist. Der Drehübertrager 12 umfasst eine Poltrennung 14. Mit Hilfe einer Lagereinrichtung 15 ist der Drehübertrager 12 um eine Drehachse drehbar zu dem Stator 5 gelagert. Die Drehachse erstreckt sich in der Figur in einer vertikalen Richtung.
Die Magnetkupplung 1 umfasst des Weiteren ein Abtriebselement 20. Das Abtriebselement 20 wiederum umfasst einen Rotor 22. An dem Rotor 22 ist auf der dem Antriebselement 10 zugewandten Seite ein Reibbelag 24 befestigt. Der Reibbelag 24 dient zum Erzeugen eines Reibschlusses zwischen dem Antriebselement 10 und dem Abtriebselement 20, wenn die Magnetkupplung 1 geschlossen ist. In der beiliegenden Figur ist die Magnetkupplung 1 in ihrer Schließstellung dargestellt.
Die Magnetkupplung 1 umfasst des Weiteren einen Permanentmagneten 30 mit zwei Polen 31 und 32. Der Permanentmagnet 30 ist auf der dem Reibbelag 24 abgewandten Seite an dem Rotor 22 befestigt. An dem Permanentmagneten 30 liegt eine Federeinrichtung 40 unter Vorspannung an.
Die Federeinrichtung 40 umfasst eine Tellerfeder 42, die zwischen einer Tragstruktur 44 und dem Permanentmagneten 30 eingespannt ist. Durch die Vorspannkraft der Federeinrichtung 40 wird die Magnetkupplung 1 in ihrer dargestellten Schließstellung gehalten.
Wenn die Wicklung 8 bestromt wird, dann induziert die Wicklung 8 einen magnetischen Fluss in dem Stator 5. Der magnetische Fluss wird durch den Drehübertrager 12 mit der Poltrennung 14 geleitet. Der magnetische Fluss schließt sich durch den Rotor 24.
Die erfindungsgemäße Magnetkupplung 1 benötigt in ihrer dargestellten Schließstellung keine Energie. Daher ist sie für Anwendungsfälle geeignet, bei denen sich die Magnetkupplung 1 hauptsächlich im geschlossenen Zustand befindet.
Das Moment der erfindungsgemäßen Magnetkupplung 1 ist relativ einfach zu regeln. Der mit Hilfe der Wicklung 8 dargestellte Elektromagnet braucht seine maximale Kraft, um die Magnetkupplung 1 offen zu halten. Durch Reduzieren des Stroms durch die Wicklung 8 verringert sich die Kraft des Elektromagneten und die Federeinrichtung 40 mit der Tellerfeder 42 drückt das Abtriebselement 20 gegen das Antriebselement 10.
Da sich dabei ein Luftspalt, der in der (nicht dargestellten) Öffnungsstellung zwischen dem Antriebselement 10 und dem Abtriebselement 20 vorhanden ist, zunehmend kleiner wird, kann bei der erfindungsgemäßen Magnetkupplung 1 einem unerwünschten Zuschnappen der Magnetkupplung 1 besser entgegengewirkt werden.
Die Öffnungsstellung mit dem Luftspalt zwischen Antriebselement 10 und Abtriebselement 20 wird auch als gelüfteter Zustand bezeichnet. Im gelüfteten Zustand der Magnetkupplung 1 kann vorteilhaft mit einem geringeren Luftspalt gearbeitet werden als bei herkömmlichen Magnetkupplungen. Dadurch können die Leistung und der Bauraum des Elektromagneten reduziert werden.
Ein Grund für den geringen Luftspalt zwischen dem Antriebselement 10 und dem Abtriebselement 20 ist die Tatsache, dass der Rotor 22 von dem Magnetfeld im offenen Zustand der Magnetkupplung 1 abgestoßen wird. Diese abstoßende Wirkung ist immer an der Stelle am größten, wo der geringste Luftspalt ist. Dadurch kann ein unerwünschter Schiefabhub der Magnetkupplung 1 besonders wirksam unterbunden werden.
Durch Umpolen des Elektromagneten, das heißt, durch einen Stromfluss durch die Wicklung 8 in einer entgegengesetzten Richtung, kann die Anpresskraft noch weiter erhöht werden. In einem umgepolten Zustand wird die Anpresskraft der Tellerfeder 42 durch eine magnetische Anziehung des Rotors 22 vergrößert. Dadurch kann bei geringem Bauraum auf einfache Art und Weise die Übertragung eines relativ großen Drehmoments ermöglicht werden.
Bezuqszeichenliste
Magnetkupplung
Stator
Statorgehäuse
Wicklung
Antriebselement
Drehübertrager
Poltrennung
Lagereinrichtung
Abtriebselement
Rotor
Reibbelag
Permanentmagnet
Pol
Pol
Federeinrichtung
Tellerfeder
Tragstruktur

Claims

Patentansprüche
1 . Schaltbare Magnetkupplung (1 ) mit einem Stator (5), der mindestens eine Wicklung (8) umfasst, und mit einem Antriebselement (10), das zur Drehmomentübertragung in einer Schließstellung der Magnetkupplung (1 ) reibschlüssig mit einem Abtriebselement (20) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkupplung (1 ) durch eine vorgespannte Federeinrichtung (40) in ihre Schließstellung vorgespannt und durch Be- stromen der Wicklung (8) in eine Öffnungsstellung umschaltbar ist, in welcher kein Drehmoment übertragen wird.
2. Schaltbare Magnetkupplung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Magnetkupplung (1 ) einen Permanentmagneten (30) mit einer Polung (31 ,32) umfasst, die einem Magnetfeld entgegengerichtet ist, das durch Bestromen der Wicklung (8) in dem Stator (5) induziert wird.
3. Schaltbare Magnetkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (10) einen Drehübertrager (12) umfasst, der vorzugsweise in einer axialen Richtung zwischen dem Stator (5) und dem Abtriebselement (20) angeordnet ist.
4. Schaltbare Magnetkupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (12) mit Hilfe einer Lagereinrichtung (15) relativ zu dem Stator (5) drehbar gelagert ist.
5. Schaltbare Magnetkupplung Nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (12) eine Poltrennung (14) umfasst.
6. Schaltbare Magnetkupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (20) einen Rotor (22) umfasst, der vorzugsweise in axialer Richtung zwischen dem Permanentmagneten (30) und dem Antriebselement (10) angeordnet ist.
7. Schaltbare Magnetkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) auf einer dem Antriebselement (10) zugewandten Seite mit einem Reibbelag (24) ausgestattet ist.
8. Schaltbare Magnetkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (40) mindestens eine Tellerfeder (42) umfasst.
9. Verfahren zum Betreiben einer schaltbaren Magnetkupplung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkupplung (1 ) durch die vorgespannte Federeinrichtung (40) in ihre Schließstellung vorgespannt ist und durch Bestromen der Wicklung (8) in die Öffnungsstellung umgeschaltet wird.
10. Riemenscheibe mit einer schaltbaren Magnetkupplung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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