Магнитная муфта, сцепное устройство и способ
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении износа соединительных частей за счет того, что силы, действующие в радиальном направлении на соединительные части, могут быть уменьшены. Магнитная муфта имеет первую и вторую соединительные части, имеющие возможность поворота вокруг оси вращения, и по меньшей мере одну катушку, которая выполнена так, чтобы создавать магнитное поле вдоль оси вращения через первую и вторую соединительные части для бесконтактной передачи крутящего момента между первой и второй соединительными частями. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к магнитной муфте. Кроме того, настоящее изобретение относится к сцепному устройству. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу управления магнитной муфтой.
С помощью магнитных муфт крутящий момент может быть передан бесконтактным образом с одного вала на другой вал. Существуют многочисленные решения для магнитных муфт. Они часто основаны на создаваемых постоянными магнитами магнитных полях. Простейшая форма выполнения магнитной муфты состоит из двух вложенных друг в друга вращающихся магнитов. Тем самым образуется бесконтактная, но неразъемная муфта. Если заменить одну сторону муфты вращающейся обмоткой возбуждения, то муфта может быть выполнена также переключаемой.
DE 10 2012 206 345 А1 раскрывает магнитную муфту для сцепления первого вала с вторым валом, которая использует проходящее радиально к оси вращения магнитное поле, чтобы передавать крутящий момент с первого вала на второй вал.
ВE 459569 A раскрывает магнитную муфт для передачи вращательного движения между двумя валами.
В документе Numerical Analysis and Evaluation of Electromagnetic Forces in Superconducting Magnetic Bearings and a Non-contact Permanent Magnetic Clutch, Quarterly Report of RTRI, Vol. 51 (2010) №. 3, стр. 156-161 авторы Seino и др. описывают числовой анализ и оценку сверхпроводящих магнитных подшипников и бесконтактную магнитную муфту на постоянных магнитах.
В статье “Computer-Aided Design and Analysis of a Three-Pole Radial Magnetic Bearing” автор Dániel Marcsa описывает магнитный подшипник с тремя радиальными полюсами.
Исходя из этого, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной магнитной муфты, усовершенствованного сцепного устройства и усовершенствованного способа.
Соответственно, предложена магнитная муфта с вращающейся вокруг оси вращения первой соединительной частью, вращающийся вокруг оси вращения второй соединительной частью и по меньшей мере одной катушкой. Катушка выполнена с возможностью создания магнитного поля вдоль оси вращения через первую и вторую соединительную часть для бесконтактной передачи крутящего момента между первой и второй соединительной частью.
Крутящий момент, следовательно, передается от первой соединительной части ко второй соединительной части и/или в обратном направлении. Первая соединительная часть и/или вторая соединительная часть могут быть, например, образованы как часть вала. Также, первая соединительная часть и/или вторая соединительная часть могут быть соединены с валом. Кроме того, первая и вторая соединительная часть могут быть намагничиваемыми. В частности, первая соединительная часть и/или вторая соединительная часть могут быть предпочтительно выполнены из материала, имеющего магнитную проницаемость >1, предпочтительно >80.
Под ʺосевымʺ в данном случае следует понимать направление вдоль оси вращения, под ʺрадиальнымʺ следует понимать направление, перпендикулярное к оси вращения.
Под бесконтактной передачей подразумевается, в частности, передача, не имеющая контактов. То есть, первая соединительная часть и вторая соединительная часть не имеют контакта друг с другом. В частности, первая соединительная часть и вторая соединительная часть могут быть отделены друг от друга посредством осевого воздушного зазора. Бесконтактная передача крутящего момента между первой соединительной частью и второй соединительной частью также может осуществляться через материал, в частности, через не намагничиваемый материал.
Бесконтактная передача крутящего момента между первой соединительной частью и второй соединительной частью имеет то преимущество, что механические потери на трение могут быть уменьшены. Таким образом, крутящий момент может передаваться более эффективно. Кроме того, можно избежать механического истирания на соединительных частях, передающих крутящий момент, или уменьшить его. Это приводит к меньшему износу соединительных частей, передающих крутящий момент. Тем самым может быть предоставлена муфта, соединительные части которой, передающие крутящий момент, требуют меньшего технического обслуживания.
По меньшей мере, одна катушка или соответствующая, вышеупомянутая катушка может иметь N обмоток электрического проводника, который приспособлен для проведения электрического тока. По меньшей мере одна катушка или соответствующая, вышеупомянутая катушка может быть, в частности, приспособлена для создания осевого и/или радиального магнитного поля.
Например, по меньшей мере одна катушка может создавать магнитное поле, силовые линии которого проходят вдоль оси вращения от первой соединительной части ко второй соединительной части, и наоборот. Такое магнитное поле может создаваться, например, с помощью цилиндрической катушки, продольная ось которой параллельна оси вращения. В качестве альтернативы, катушка может быть также образована парой катушек, такой как пара катушек в конфигурации Гельмгольца.
Напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой, пропорциональна электрическому току, протекающему через катушку. В частности, напряженностью магнитного поля, создаваемого катушкой, можно управлять с помощью электрического тока.
Магнитные муфты, в частности, имеют отрицательную жесткость вдоль оси магнитного поля. Под термином ʺотрицательная жесткостьʺ, в частности, понимается то, что сила, которая связывает два тела, например, притягивая друг другу, тем сильнее, чем больше два тела сближаются друг с другом. Поэтому отрицательная жесткость не допускает никакого стабильного состояния. Это, в частности, объясняется тем, что, например, сила, которая приводит два тела ближе друг к другу, становится тем сильнее, чем ближе оба тела. Таким образом, является предпочтительным компенсировать отрицательную жесткость, например, через подшипник.
Магнитная муфта с магнитным полем вдоль ось вращения, то есть осевым магнитным полем, в частности, может иметь то преимущество, что отрицательная жесткость магнитной муфты возникает только вдоль оси вращения. То есть, сила, которая действует на соединительные части ввиду отрицательной жесткости магнитной муфты, возникает только вдоль одной оси, оси вращения. То есть, силы, действующие в радиальном направлении на соединительные части, могут быть уменьшены. В частности, могут быть уменьшены силы, которые воспринимаются радиальными подшипниками.
Еще одно преимущество магнитной муфты с магнитным полем, создаваемым катушкой, состоит в том, что путем простого отключения протекания тока через катушку может прерываться передача крутящего момента между первой соединительной частью и второй соединительной частью. Кроме того, передаваемый крутящий момент муфты может регулироваться через протекание тока, или передаваемый крутящий момент может быть реализован как функция величины тока. Таким образом, можно установить с помощью подходящего управления любые значения крутящего момента до максимального крутящего момента, на который рассчитана муфта.
Предпочтительно, магнитная муфта используется в механическом аккумуляторе энергии или образует его часть. Такой механический аккумулятор энергии, например, может использоваться в качестве агрегата аварийного питания. При этом аккумулятор энергии может в случае выхода из строя сети электроснабжения снабжать генератор механической энергией, которую тот преобразует в электрическую энергию, чтобы обеспечить аварийное питание. Аккумулятор энергии может быть сконфигурирован так, чтобы обеспечивать энергию только в течение короткого интервала времени, пока не заработает дизельный агрегат аварийного питания. Например, механический аккумулятор энергии может обеспечивать 100 кВт за время до 15 секунд.
Также возможно применение магнитной муфты в гибридных транспортных средствах, например, гибридных автобусах и гибридных автомобилях.
Таким образом, магнитная муфта дополнительно включает в себя первую вспомогательную катушку, которая выполнена с возможностью создания магнитного поля вдоль оси вращения, причем первая вспомогательная катушка размещена вдоль оси вращения на расстоянии от по меньшей мере одной катушки.
С помощью соответствующего управления первой вспомогательной катушкой и по меньшей мере одной катушкой может быть обеспечен, в частности, магнитный подшипник в осевом направлении. Это может, в частности, иметь преимущество, состоящее в том, что можно отказаться от дополнительного подшипника в осевом направлении, в частности, дополнительного магнитного подшипника.
Кроме того, магнитные поля рассеяния, например, в радиальном направлении, могут возникать в магнитной муфте, которые, например, обуславливают то, что плотность магнитного потока в осевом направлении ослабляется. Это может иметь следствием то, что обе соединительные части перемещаются друг к другу или друг от друга. Первая вспомогательная катушка может, в частности, выполнена так, чтобы магнитную плотность потока магнитного поля изменять таким образом, что нежелательные поля рассеяния противодействуют друг другу. Например, выработанное первой вспомогательной катушкой магнитное поле может препятствовать тому, что первая соединительная часть и вторая соединительная часть перемещаются друг к другу или друг от друга.
Кроме того, первая вспомогательная катушка может иметь меньшую индуктивность, чем по меньшей мере одна катушка. В общем случае, постоянная времени нарастания тока в катушке, пропорциональна ее индуктивности. Поскольку напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой, пропорциональна току, протекающему через катушку, магнитное поле катушки, имеющей меньшую индуктивность, может изменяться быстрее. Это имеет то преимущество, что, в частности, можно реагировать быстрее на изменение расстояния между обеими соединительными частями.
В соответствии с другой формой выполнения, магнитная муфта дополнительно содержит вторую вспомогательную катушку, которая выполнена с возможностью создания магнитного поля вдоль оси вращения, причем вторая вспомогательная катушка расположена на противоположной первой вспомогательной катушке стороне упомянутой катушки и вдоль оси вращения на расстоянии от упомянутой катушки.
В частности, вторая вспомогательная катушка может быть конструктивно идентична первой вспомогательной катушке. Кроме того, вторая вспомогательная катушка может также иметь меньшую индуктивность, чем упомянутая катушка. Предпочтительно, вторая вспомогательная катушка может иметь ту же индуктивность, что и первая вспомогательная катушка. Вторая вспомогательная катушка может также иметь то преимущество, что возникающие поля рассеяния могут быть скомпенсированы еще лучше. Например, неблагоприятные воздействия из-за полей рассеяния на первой соединительной части и второй соединительной части могут компенсироваться исключительно с помощью первой и второй дополнительной катушки. Тем самым возбуждение по меньшей мере одной катушки, то есть протекание электрического тока через катушку может поддерживаться постоянным. Это может быть особенно предпочтительным, если магнитное поле, генерируемое катушкой, может изменяться лишь относительно медленно.
Согласно еще одной форме выполнения, магнитная муфта, кроме того, имеет по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки, которые приспособлены для создания магнитного поля радиально к оси вращения, причем по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки размещены распределенным образом по периферии относительно оси вращения вокруг первой соединительной части и/или второй соединительной части.
В частности, по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки могут быть размещены распределенным образом, равноудаленно друг от друга по отношению к оси вращения. С помощью по меньшей мере трех радиальных вспомогательных катушек могут быть скомпенсированы, в частности, силы, действующие в радиальном направлении к оси вращения на первую соединительную часть и/или вторую соединительную часть.
Магнитная муфта, которая содержит как по меньшей мере одну вспомогательную катушку, которая создает магнитное поле вдоль оси вращения, так и радиальные вспомогательные катушки, может реализовать гибрид из магнитной муфты для бесконтактной передачи крутящего момента и активного магнитного подшипника. За счет соответствующего управления катушками, которые создают магнитное поле вдоль оси вращения, могут быть реализованы как опора одной из обеих соединительных частей в осевом направлении, так и передача крутящего момента между обеими соединительными частями. За счет соответствующего управления радиальными вспомогательными катушками может быть реализована опора одной из обеих соединительных частей в радиальных направлениях. Такая магнитная муфта может особенно предпочтительно передавать бесконтактным образом крутящий момент, а также реализовывать радиальную и осевую опору по меньшей мере одной из обеих соединительных частей. За счет этого, в частности, можно отказаться от дополнительного подшипника или дополнительных подшипников.
В соответствии с другой формой выполнения, магнитная муфта имеет ярмо (магнитопровод), которое приспособлено для того, чтобы проводить магнитное поле, созданное по меньшей мере одной катушкой.
В частности, ярмо может быть выполнено из материала, имеющего магнитную проницаемость >1, в частности, >80. За счет этого поля рассеяния могут быть дополнительно уменьшены.
Ярмо может, в частности, иметь преимущество, состоящее в том, что оно концентрирует силовые линии магнитного поля внутри себя и за счет этого усиливает магнитный поток Ф. Так как магнитная сила Fm пропорциональна Ф2/S, где S является эффективной площадью поперечного сечения магнитного поля, результирующая сила также может быть изменена за счет изменения магнитного потока Ф.
В соответствии с другой формой выполнения, ярмо по меньшей мере на участках выполнено U-образным.
В частности, плечи ярма, выполненного по меньшей мере на участках U-образным, могут проходить перпендикулярно к оси вращения. Так как магнитная сила, которая действует между по меньшей мере одной из обеих соединительных частей и ярмом, тем больше, чем меньше расстояние между ярмом и соединительной частью, может быть предпочтительным, обеспечить большее расстояние между ярмом и первой соединительной частью и/или второй соединительной частью в радиальном направлении, чем в осевом направлении. За счет этого может быть дополнительно уменьшено, в частности, влияние радиальных полей рассеяния.
В соответствии с другой формой выполнения, ярмо дополнительно имеет по меньшей мере один выступ, который предназначен для того, чтобы проводить магнитное поле, создаваемое по меньшей мере одной из трех радиальных вспомогательных катушек, в радиальном направлении относительно оси вращения.
Выступ может быть предпочтительно выполнен из материала, имеющего магнитную проницаемость больше единицы. В частности, выступ может быть выполнен из того же материала, что и ярмо. Далее, выступ и ярмо могут быть выполнены как одно целое. Кроме того, по меньшей мере один выступ может быть выполнен таким образом, что по меньшей мере одна из по меньшей мере трех вспомогательных катушек образована вокруг выступа. Например, выступ может быть выполнен в виде сердечника катушки.
Предпочтительно, ярмо для каждой из по меньшей мере трех радиальных вспомогательных катушек имеет выступ, причем каждый из выступов выполнен так, что проводить магнитное поле, создаваемое соответствующей одной из по меньшей мере трех радиальных вспомогательных катушек, в радиальном направлении относительно оси вращения.
Согласно еще одной форме выполнения, магнитная муфта дополнительно имеет устройство управления, которое выполнено, чтобы управлять протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку.
В общем случае, магнитное поле, создаваемое катушкой, пропорционально электрическому току, протекающему через катушку. В частности, тогда магнитный поток Ф, создаваемый катушкой, пропорционален электрическому току, протекающему через катушку. Кроме того, магнитная сила Fm пропорциональна Ф2/S, где S - эффективная площадь поперечного сечения магнитного поля. За счет управления протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку можно, в частности, управлять магнитным потоком, а также создаваемым магнитным полем. Кроме того, путем управления протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку можно управлять силой, являющейся результатом созданного магнитного поля. В частности, таким образом, посредством управления протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку можно управлять бесконтактной передачей крутящего момента между первой соединительной частью и второй соединительной частью.
В соответствии с другой формой выполнения, устройство управления выполнено так, чтобы изменять направление протекания электрического тока через по меньшей мере одну катушку.
Таким образом, положением первой и/или второй соединительных частей можно управлять в противоположных направлениях.
Кроме того, может быть предпочтительным, когда магнитная муфта находится в состоянии насыщения, то есть увеличение приложенного внешнего магнитного поля не приводит к дальнейшему увеличению намагниченности находящегося в магнитном поле материала, изменять направление протекания тока через по меньшей мере одну катушку на обратное, чтобы противодействовать насыщению.
В соответствии с другой формой выполнения, устройство управления выполнено так, чтобы управлять протеканием тока через по меньшей мере одну катушку таким образом, что расстояние между первой соединительной частью и второй соединительной частью вдоль оси вращения может регулироваться.
В частности, устройство управления может быть выполнено так, чтобы управлять расстоянием между первой соединительной частью и второй соединительной части вдоль оси вращения. Например, может быть предусмотрен датчик, который определяет значение расстояния между первой соединительной частью и второй соединительной частью вдоль оси вращения и предоставляет результат устройству управления. Устройство управления может, в частности, быть выполнено так, чтобы управлять расстоянием между первой соединительной частью и второй соединительной частью вдоль оси вращения на основании определенного значения.
В соответствии с другой формой выполнения, устройство управления выполнено так, чтобы управлять протеканием тока через по меньшей мере одну катушку таким образом, так что вторая соединительная часть поднимается в воздух (левитирует) в магнитном поле, созданном по меньшей мере одной катушкой.
Например, могут быть обеспечены датчики, которые определяют положение второй соединительной части в трех измерениях, например, обеспечивают осевое положение и два радиальных положения по отношению к оси вращения, и предоставляют результаты в устройство управления. Устройство управления может быть, в частности, выполнено так, чтобы на основе определенных значений управлять протеканием тока через по меньшей мере одну катушку. Например, устройство управления, для обеспечения левитации второй соединительной части, может управлять протеканием тока через две катушки, которые, соответственно, создают магнитное поле, направленное вдоль оси вращения, и управлять протеканием тока через три катушки, которые, соответственно, создают радиальное магнитное поле. Тем самым может быть реализован, например, гибрид из магнитной муфты и активного магнитного подшипника. Это может также иметь то преимущество, что можно отказаться от дополнительных подшипников, которые поддерживают вторую соединительную часть. Кроме того, управление такой гибридной магнитной муфтой предпочтительно может управлять как передачей крутящего момента, так и положением соединительной части. За счет этого можно, например, уменьшить количество компонентов. Кроме того, также можно, например, реализовать демпфирование и/или избегать собственных частот.
В соответствии с другой формой выполнения, первая соединительная часть имеет по меньшей мере один первый осевой выступ, а вторая соединительная часть - по меньшей мере один второй осевой выступ. По меньшей мере один первый осевой выступ и по меньшей мере один второй осевой выступ, соответственно, образованы из намагничиваемого материала и выполнены таким образом, что магнитное сопротивление между по меньшей мере одним первым осевым выступом и по меньшей мере одним вторым осевым выступом минимально, когда по меньшей мере один первый осевой выступ и по меньшей мере один второй осевой выступ ориентированы в осевом направлении друг к другу.
Первый осевой выступ и/или второй осевой выступ могут, в частности, быть выполнены как круговой сектор или как круговой сегмент. Здесь под термином ʺкруговой секторʺ понимается частичная поверхность области круга, ограниченная дугой круга и двумя радиусами круга. Под термином ʺкруговой сегментʺ понимается частичная поверхность области круга, которая ограничена дугой круга и хордой круга.
Кроме того, первая соединительная деталь и вторая соединительная часть могут иметь, соответственно, несколько осевых выступов, которые вместе образуют профиль с периодической структурой. Например, профиль может иметь форму кольца из разнесенных кольцевых секторов. Профиль может, в качестве альтернативы или в дополнение к упомянутому кольцу, также содержать дополнительное кольцо, имеющее отстоящие друг от друга круговые сегменты. По меньшей мере один первый выступ предпочтительно размещен как зеркально отраженный к по меньшей мере одному второму выступу.
Если теперь осевое магнитное поле, создаваемое по меньшей мере одной катушкой, пронизывает обе соединительные части магнитной муфты, то может формироваться намагниченность в по меньшей мере одном первом выступе и в по меньшей мере одном втором выступе. Намагниченности соответствующих выступов могут тогда вступать во взаимодействие друг с другом таким образом, что магнитное сопротивление между соответствующими выступами сводится к минимуму. Это объясняется главным образом тем, что состояние минимального магнитного сопротивления соответствует состоянию с минимальной накопленной магнитной энергией. Это состояние минимальной накопленной магнитной энергии может быть достигнуто в описываемой магнитной муфте, когда по меньшей мере один первый выступ и по меньшей мере один второй выступ точно обращены друг к другу в осевом направлении. В этом положении, магнитный поток может непосредственно протекать от по меньшей мере одного первого выступа к по меньшей мере одному второму выступу, причем перекрываемый зазор минимален. Если по меньшей мере один первый выступ и по меньшей мере один второй выступ находятся не точно напротив друг друга, то необходимо преодолевать больший зазор. В этом случае создается крутящий момент, который направлен таким образом, что по меньшей мере один первый выступ и по меньшей мере один второй выступ перемещаются по направлению друг к другу.
В соответствии с другой формой выполнения, первая и/или вторая соединительные части имеют по меньшей мере два выступа, причем один из по меньшей мере двух выступов расположен на первой стороне первой соединительной части, причем ось вращения перпендикулярна к первой стороне, а другой из по меньшей мере двух выступов расположен на второй стороне второй соединительной части, которая противолежит первой стороне в осевом направлении.
Это может иметь, в частности, то преимущество, что крутящий момент может передаваться на обе стороны соединительной части. Благодаря этому, в частности, несколько соединительных частей могут располагаться в осевом направлении друг за другом. За счет этого крутящий момент может передаваться особенно эффективно.
Согласно еще одной форме выполнения, первая и/или вторая соединительные части установлены с возможностью вращения.
Предпочтительно, первый соединительный элемент установлен неподвижно в осевом направлении (осевой фиксированный подшипник).
Кроме того, предложено сцепное устройство с приводом, маховиком и магнитной муфтой, как описано выше. Маховик соединен посредством магнитной муфты с приводом. Первая соединительная часть может быть соединена с приводом или выполнена как привод. Вторая соединительная часть может быть соединена с маховиком или выполнена как маховик.
Привод может быть, например, электрическим двигателем, который, в частности, также может работать в качестве генератора.
В соответствии с другой формой выполнения, маховик размещен в закрытом контейнере и/или в вакууме.
В частности, контейнер может быть выполнен из не-намагничиваемого материала. Кроме того, контейнер может быть выполнен в виде вакуумного контейнера. Тем самым могут быть дополнительно уменьшены, например, потери на трение и/или потери, вызванные сопротивлением потоку.
Кроме того, предложен способ управления магнитной муфтой, как описано выше, причем протеканием электрического тока управляют таким образом, что крутящий момент между первой и второй соединительной частью бесконтактным образом передается посредством магнитного поля, созданного по меньшей мере одной катушкой вдоль оси вращения.
Кроме того, предложен компьютерный программный продукт, который вызывает выполнение вышеописанного способа на устройстве с программным управлением.
Компьютерный программный продукт, такой как средство компьютерной программы, например, в качестве носителя хранения данных, например, карты памяти, USB-карты памяти, CD-ROM, DVD, или в форме загружаемого файла предоставляться либо доставляться в сети с сервера. Это может, например, осуществляться в сети беспроводной связи путем передачи соответствующего файла с компьютерным программным продуктом или средством компьютерной программы.
Формы выполнения и признаки, описанные для предлагаемого устройства, соответственно справедливы для предлагаемого способа.
Другие возможные варианты реализации изобретения включают в себя не упомянутые в явном виде комбинации признаков или форм выполнения, описанных выше или далее по отношению к примерам выполнения. При этом специалист будет также добавлять отдельные аспекты в качестве улучшений или дополнений к соответствующей основной форме осуществления изобретения.
Другие предпочтительные варианты осуществления и аспекты настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, а также описанных ниже примеров выполнения изобретения. Далее, изобретение будет пояснено более подробно на основе предпочтительных форм выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 показывает схематичный частичный вид в сечении вдоль оси вращения магнитной муфты в соответствии с примером выполнения;
Фиг. 2 показывает вид в перспективе с торцевой стороны первой соединительной части магнитной муфты согласно фиг. 1;
Фиг. 3 показывает схематичный вид в сечении вдоль оси вращения магнитной муфты в соответствии с другим примером выполнения;
Фиг. 4 показывает схематичный частичный вид в сечении вдоль оси вращения магнитной муфты в соответствии с еще одним примером выполнения;
Фиг. 5 показывает схематичный частичный вид в сечении вдоль оси вращения сцепного устройства в соответствии с еще одним примером выполнения;
Фиг. 6 и 7 показывают виды в перспективе расположений радиальных вспомогательных катушек; и
Фиг. 8 показывает блок-схему последовательности операций способа управления магнитной муфтой.
На чертежах одинаковые или функционально одинаковые элементы обозначены теми же самыми ссылочными позициями, если не указано иное.
Фиг. 1 показывает схематичный частичный вид в сечении магнитной муфты 100. Муфта 100 может быть частью сцепного устройства 1, показанного на фиг. 3.
Магнитная муфта 100 содержит имеющую возможность поворота вокруг оси 2 вращения первую соединительную часть 3, которая соединена с помощью вала 4 с электродвигателем (не показан). Первая соединительная часть 3 может быть установлена с возможностью вращения в подшипнике (не показан), который также обеспечивает осевую фиксацию первой соединительной части 3.
Магнитная муфта 100 дополнительно содержит имеющую возможность поворота вокруг оси 2 вторую соединительную часть 5. Вторая соединительная часть 5 может быть выполнена в виде маховика или сама может приводить в действие другой компонент, в частности, маховик. В первом случае, магнитная муфта 100 образует аккумулятор энергии.
Первая и вторая соединительные части 3, 5 могут быть выполнены, соответственно, в форме кругового цилиндра и содержат намагничиваемый материал, например железо. Первая соединительная часть 3 предпочтительно имеет больший диаметр, чем вал 2, и может монолитно соединяться с ним.
Первая и вторая соединительные части 3, 5 могут на своих торцевых сторонах 3a, 5a иметь осевые выступы 3b, 5b, функции которых будут описаны ниже более подробно. Между торцевыми сторонами 3a, 5a или выступами 3b, 5b предусмотрен зазор 14. Вид торцевой стороны 3а показан на фиг. 2.
Первая соединительная часть 3 и вторая соединительная часть 5 окружены, по меньшей мере на участках, ярмом 6 из намагничиваемого материала, такого как чистое железо. Ярмо 6, как показано на половинном продольном сечении, имеет U-образную форму и включает в себя осевой участок 6а и примыкающие к его концам первый и второй радиальные участки 6b, 6с. Участки 6а, 6b, 6с предпочтительно вращательно симметричны относительно оси 2 вращения. Участки 6b, 6с могут проходить в радиальном направлении вверх до положения над первой и, соответственно, второй соединительной частью 3, 5.
Муфта 100 дополнительно включает в себя катушку 7 (в данном случае, также обозначается как ʺпо меньшей мере одна катушкаʺ). Катушка 7 может располагаться кольцеобразно вокруг оси 2 вращения. Кроме того, катушка 7 может располагаться по центру между осевыми участками 6b, 6с вдоль оси 2 вращения.
Катушка 7 выполнена так, чтобы создавать магнитное поле, которое проходит вдоль оси 2 вращения через первую и вторую соединительную часть 3, 5. Ярмо 6 выполнено так, чтобы проводить созданное катушкой 7 магнитное поле. Основной профиль магнитного потока магнитного поля, создаваемого катушкой 7, показан посредством линии 8. Посредством проходящего вдоль оси 2 вращения магнитного поля, крутящий момент может передаваться бесконтактным образом между первой и второй соединительными частями 3, 5: если, на основе крутящего момента, приложенного, например, к валу 4 или первой соединительной части 3, выступ 3b отклоняется относительно выступа 5b, то из-за приложенного осевого магнитного поля возникает крутящий момент на второй соединительной части 5, который стремится расположить выступ 5b вновь аксиально прямо напротив выступа 3b.
Фиг. 2 показывает вид в перспективе торцевой стороны 3a первой соединительной части 3. На торцевой стороне 3а, множество выступов 3b, 3bʹ расположено по кругу. Каждый из выступов 3b, 3bʹ выполнен в виде кругового кольцевого сегмента, причем соответствующие выступы 3b расположены на расстоянии друг от друга. То есть, между двумя отдельными выступами 3b, 3bʹ имеется воздушный зазор 3с, 3сʹ. Выступы 3b могут быть расположены на внешнем круговом кольце K1, а выступы 3bʹ на внутреннем круговом кольце К2. Количество выступов 3b на внешнем круговом кольце K1 может быть больше, чем количество выступов 3bʹ на внутреннем круговом кольце К2. Выступы 3b предпочтительно разнесены относительно выступов 3bʹ на радиальный зазор R. Следует отметить, что вторая соединительная часть 5 на ее торцевой стороне 5а имеет расположенные соответствующим образом лишь частично показанные выступы.
Если отклонение одной из двух соединительных частей 3, 5 больше, то крутящий момент увеличивается. Максимально возможный крутящий момент достигается тогда, когда отклонение между соединительными частями 3 и 5 таково, что, например, выступ 5b соединительной части 5 находится точно над воздушным зазором 3с между двумя соседними выступами 3b соединительной части 3. Дальнейшее отклонение в том же направлении означало бы, что знак крутящего момента изменился на противоположный.
Фиг. 3 показывает схематичный вид в сечении магнитной муфты 100. Магнитная муфта 100, показанная на фиг. 3, содержит первую соединительную часть 3, которая соединена с валом 4, и вторую соединительную часть 5, которая соединена с дополнительным валом 4а. Обе соединительные части окружены ярмом 6, которое выполнено так, чтобы проводить магнитное поле, созданное катушкой 7. Первая соединительная часть 3 включает в себя четыре участка 3е, которые расположены на расстоянии друг от друга. Аналогично, вторая соединительная часть 5 включает в себя четыре участка 5е, которые расположены между участками 3e первой соединительной части или входят в зацепление между ними. Участки 3е, 5е имеют, соответственно, на противолежащих сторонах соответствующие выступы 3b, 3d, 5b, 5d.
Фиг. 4 показывает магнитную муфту 100, которая, в отличие от фиг. 1, содержит первую вспомогательную катушку 9 и вторую вспомогательную катушку 10. Вспомогательные катушки 9, 10 могут, соответственно, располагаться в форме кольца вокруг оси 2 вращения.
Первая вспомогательная катушка 9 расположена, например, рядом с первым радиальным участком 6а. Таким образом, первая вспомогательная катушка 9 может, например, изменять магнитный поток в этой области или в области свободного конца 6d первого, радиального участка 6а. Например, увеличение магнитного потока 8 в области между ярмом 6 и первой соединительной частью 3 может приводить к тому, что являющаяся результатом магнитного потока 8 магнитная сила, которая перемещает обе соединительные части 3, 5 друг к другу, представленная на фиг. 4 стрелкой 11, усиливается.
Вторая вспомогательная катушка 10, противолежащая первой вспомогательной катушке 9, расположена, например, рядом с участком 6с. Таким образом, вторая вспомогательная катушка 9 может, например, изменять магнитный поток в этой области или в области свободного конца 6е второго, радиального участка 6c. Например, увеличение магнитного потока 8 в области между ярмом 6 и вторым соединительным элементом 5 может приводить к тому, что являющаяся результатом магнитного потока 8 магнитная сила, которая перемещает обе соединительные части 3, 5 друг от друга, представленная на фиг. 4 стрелкой 12, усиливается.
Для эффективной передачи крутящего момента между первой и второй соединительными частями 3, 5, предпочтительно, если можно регулировать расстояние А или ширину зазора 14 между обеими соединительными частями 3, 5. Для этого катушка 7, первая вспомогательная катушка 9 и вторая вспомогательная катушка 10 соединены с устройством 13 управления через линии 15 управления. Устройство 13 управления, в частности, выполнено так, чтобы управлять протеканием электрического тока через катушку 7, первую вспомогательную катушку 9 и вторую вспомогательную катушку 10.
Кроме того, магнитная муфта 100 может иметь датчик (не показан), который измеряет расстояние А между обеими соединительными частями 3, 5. Устройство 13 управления может также быть выполнено так, чтобы управлять протеканием электрического тока на основе измеренного расстояния А. Таким образом, в частности, может быть реализована функция магнитного подшипника, например, для второй соединительной части 5 в осевом направлении. В частности, устройство 13 управления может быть выполнено, чтобы управлять положением второй соединительной части 5 таким образом, что она левитирует. Кроме того, следует отметить, что сила тяжести на чертежах может указывать в направлении нижнего края листа, но также возможны другие ориентации муфты 100 относительно силы тяжести.
Устройство 13 управления может также изменять на обратное направление протекания электрического тока через катушку 7, первую вспомогательную катушку 9 и/или вторую вспомогательную катушку 10. За счет этого расстояние А может регулироваться гибким образом и при необходимости противодействовать насыщению магнитного потока 8.
Фиг. 5 показывает схематичный частичный вид в сечении сцепного устройства 1 в соответствии с одним примером выполнения.
Сцепное устройство 1 содержит привод 17, магнитную муфту 100 и маховик 18. В соответствии с примером выполнения, маховик 18 выполнен как отдельная деталь и приводится в движение с помощью второй соединительной части 5. В частности, маховик 18 и вторая соединительная часть 5 могут быть выполнены как одно целое.
В первом рабочем режиме привод 17, например, электродвигатель, накапливает энергию в маховике 18. Во втором рабочем режиме энергия от маховика 18 предоставляется в привод 17. Предпочтительно, соответствующий электродвигатель 17 также может функционировать в качестве генератора во втором рабочем режиме. Переключение между первым и вторым рабочим режимом предпочтительно осуществляется посредством устройства 13 управления.
Для того чтобы свести к минимуму потери на трение, вторая соединительная часть 5 вместе с маховиком 18 может быть помещена в вакуум. Для этой цели, вторая соединительная часть 5 может вместе с маховиком 18 помещаться в вакуумированный контейнер 21. Стенки контейнера могут быть изготовлены из пластика или другого материала, проницаемого для магнитного поля 8.
Приведенные выше соображения в равной мере применимы к примерам выполнения согласно фиг. 1 и 4.
Магнитная муфта 100 согласно фиг. 5 имеет несколько радиальных вспомогательных катушек 19, причем на фиг. 3 показана только одна радиальная вспомогательная катушка 19. Радиальные вспомогательные катушки 19 расположены распределенным образом по периферии вокруг маховика 18 по отношению к оси 2 вращения. Возможные расположения для радиальных вспомогательных катушек 19 показаны на фиг. 6 и 7.
Радиальные вспомогательные катушки 19 создают, когда они обтекаются электрическим током, магнитное поле радиально к оси 2 вращения. В частности, радиальные вспомогательные катушки 19 позволяют скомпенсировать силы, которые воздействуют в радиальном направлении к оси 2 вращения на первую соединительную часть 3 и/или вторую соединительную часть 5 или маховик 18. Радиальные вспомогательные катушки 19 расположены, соответственно, вокруг выступа 20 ярма 6, который предпочтительно выполнен из того же материала, что и ярмо 6.
В сцепном устройстве 100 согласно фиг. 1, катушка 7 (также упоминается здесь как ʺпо меньшей мере одна катушкаʺ), расположена рядом со вторым, радиальным участком 6с. Кроме того, в частности, предусмотрена только одна вспомогательная катушка 8, которая расположена рядом с первым, радиальным участком 6b.
Магнитная муфта 100 сцепного устройства 1 дополнительно содержит устройство 13 управления, которое управляет протеканием электрического тока через линии 14, 15, 16 управления в катушке 7, первой вспомогательной катушке 9 и в каждой из радиальных вспомогательных катушек 19. В частности, устройство 13 управления может быть выполнено, чтобы управлять положением маховика 18 таким образом, что маховик 18 левитирует.
Таким образом, маховик 18 может устанавливаться в опоре как в осевом направлении, так и в радиальных направлениях. Таким образом, может быть реализован гибрид из магнитной муфты для бесконтактной передачи крутящего момента и активного магнитного подшипника.
Фиг. 6 и 7 показывают схематичные виды расположений радиальных вспомогательных катушек 19 согласно сечению IV на фиг. 5.
На фиг. 6 показано расположение трех радиальных вспомогательных катушек 19, которые размещены равномерно распределенным образом по периферии вокруг первой соединительной части 3 относительно оси 2 вращения. Каждая из трех радиальных вспомогательных катушек 19 размещена вокруг радиального, направленного к оси 2 вращения выступа 20 ярма 6.
На фиг. 7 представлено расположение четырех радиальных вспомогательных катушек 19, которые размещены равномерно распределенным образом по периферии вокруг первой соединительной части 3 относительно оси 2 вращения. Каждая из четырех радиальных вспомогательных катушек 19 размещена вокруг выступа 20 ярма 6.
Фиг. 8 показывает блок-схему последовательности операций способа для управления магнитной муфтой. В способе, на первом этапе S1, управляют протеканием электрического тока таким образом, что крутящий момент между первой и второй соединительными частями 3, 5 магнитной муфты 100 передается бесконтактным образом с помощью магнитного поля, создаваемого катушкой 7 вдоль оси вращения 2. Опционально, способ может включать в себя второй этап S2, в котором дополнительно управляют протеканием электрического тока через по меньшей мере одну вспомогательную катушку 9, 10. Кроме того, способ может включать в себя опциональный третий этап S3, на котором дополнительно управляют протеканием электрического тока через по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки 19.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на примеры выполнения, оно может модифицироваться во многих отношениях.
1. Магнитная муфта (100), содержащая
первую соединительную часть (3), имеющую возможность поворота вокруг оси (2) вращения,
вторую соединительную часть (5), имеющую возможность поворота вокруг оси (2) вращения, и
по меньшей мере одну катушку (7, 9, 10, 19), которая выполнена так, чтобы создавать магнитное поле вдоль оси (2) вращения через первую и вторую соединительные части (3, 5) для бесконтактной передачи крутящего момента между первой и второй соединительными частями (3, 5),
отличающаяся тем,
что магнитная муфта (100) дополнительно содержит первую вспомогательную катушку (9), которая выполнена так, чтобы создавать магнитное поле вдоль оси (2) вращения, причем первая вспомогательная катушка (9) расположена вдоль оси (2) вращения на расстоянии от по меньшей мере одной катушки (7), при этом по меньшей мере одна катушка (7, 9, 10, 19) и первая вспомогательная катушка (9) выполнены с возможностью обеспечения магнитного подшипника в осевом направлении.
2. Магнитная муфта по п. 1, отличающаяся тем,
что магнитная муфта (100) дополнительно содержит вторую вспомогательную катушку (10), которая выполнена так, чтобы создавать магнитное поле вдоль оси (2) вращения, причем вторая вспомогательная катушка (10) расположена на стороне, противоположной первой вспомогательной катушке (9), по меньшей мере одной катушки (7) и вдоль оси (2) вращения на расстоянии от по меньшей мере одной катушки (7).
3. Магнитная муфта по п. 1 или 2, отличающаяся тем,
что магнитная муфта (100) дополнительно содержит по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки (19), которые выполнены так, чтобы создавать магнитное поле радиально к оси (2) вращения, причем по меньшей мере три радиальные вспомогательные катушки (19) размещены распределенным образом по периферии относительно оси (2) вращения вокруг первой соединительной части (3) и/или второй соединительной части (5).
4. Магнитная муфта по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что имеет ярмо (6), которое выполнено так, чтобы проводить магнитное поле, созданное по меньшей мере одной катушкой (7).
5. Магнитная муфта по п. 4, отличающаяся тем,
что ярмо (6) выполнено по меньшей мере на участках в U-образной форме.
6. Магнитная муфта по любому из пп.3-5, отличающаяся тем,
что ярмо (6) дополнительно содержит по меньшей мере один выступ (20), который выполнен так, чтобы проводить созданное одной из по меньшей мере трех радиальных вспомогательных катушек (19) магнитное поле радиально относительно оси (2) вращения.
7. Магнитная муфта по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем,
что магнитная муфта (100) дополнительно содержит устройство (13) управления, которое выполнено так, чтобы управлять протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку (7).
8. Магнитная муфта по п.7, отличающаяся тем,
что устройство (13) управления выполнено так, чтобы изменять направление протекания электрического тока через по меньшей мере одну катушку (7) на обратное.
9. Магнитная муфта по п. 7 или 8, отличающаяся тем,
что устройство (13) управления выполнено так, чтобы управлять протеканием электрического тока через по меньшей мере одну катушку (7) таким образом, что расстояние между первой соединительной частью (3) и второй соединительной частью (5) вдоль оси (2) вращения может регулироваться, и/или
что устройство (13) управления выполнено так, чтобы управлять протеканием тока через по меньшей мере одну катушку (7) таким образом, что вторая соединительная часть (5) левитирует в магнитном поле, созданном с помощью по меньшей мере одной катушки (7).
10. Магнитная муфта по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем,
что первая соединительная часть (3) имеет по меньшей мере один первый осевой выступ (3b, 3d) и вторая соединительная часть (5) имеет по меньшей мере один второй осевой выступ (5b, 5d), причем по меньшей мере один первый осевой выступ (3b, 3d) и по меньшей мере один второй осевой выступ (5b, 5d) соответственно образованы из намагничиваемого материала и выполнены таким образом, что магнитное сопротивление между по меньшей мере одним первым осевым выступом (3b, 3d) и по меньшей мере одним вторым осевым выступом (5b, 5d) минимально, когда по меньшей мере один первый осевой выступ (3b) и по меньшей мере один второй осевой выступ (5b) ориентированы по оси друг к другу.
11. Магнитная муфта по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем,
что первая и/или вторая соединительные части (3, 5) установлены с возможностью вращения.
12. Сцепное устройство (1), содержащее
привод (17),
маховик (18) и
магнитную муфту (100) по любому из пп. 1-11.
13. Сцепное устройство по п. 12, отличающееся тем,
что маховик (18) расположен в закрытом контейнере и/или в вакууме.
14. Способ управления магнитной муфтой (100) по любому из пп. 1-11, причем протеканием электрического тока управляют таким образом, что крутящий момент между первой и второй соединительными частями (3, 5) передается бесконтактным образом посредством магнитного поля, созданного по меньшей мере одной катушкой (7, 9, 10, 19) вдоль оси (2) вращения, причем первая вспомогательная катушка (9) создает магнитное поле вдоль направления оси (2) вращения и по меньшей мере одна катушка (7, 9, 10, 19) и первая вспомогательная катушка (9) обеспечивают магнитный подшипник в осевом направлении.
