ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА Российский патент 2012 года по МПК F16D27/00 

Изобретение относится к устройствам для передачи вращения от ведущего вала к ведомому при обеспечении большой величины передаваемой мощности с возможностью плавного регулирования момента ведомого вала при высоком КПД. Изобретение может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств для передачи вращения от двигателя на колеса без использования коробки передач, а также в приводах механизмов, требующих регулирования момента и частоты вращения ведомого вала.

Различные устройства для передачи вращения от ведущего вала к ведомому с плавным регулированием передаточного отношения могут быть осуществлены, например, с помощью механического вариатора, гидравлической системы или системы "генератор-двигатель". Механические и гидравлические устройства представляют собой сложные и ненадежные конструкции и не могут быть эффективно использованы для передачи большой мощности. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности устройств для передачи вращения от ведущего вала к ведомому с плавным регулированием скорости и момента на ведомом валу, где основным звеном таких устройств является предлагаемая импульсная электромагнитная муфта.

Импульсная электромагнитная муфта, с помощью которой может быть реализована цель изобретения, представляет собой два ротора, установленных каоксиально в корпусе муфты, один из которых явнополюсный, содержащий в качестве полюсов постоянные магниты (или электромагниты), другой (внешний по отношению к явнополюсному ротору) представляет собой кольцеобразный магнитопровод из магнитомягкого материала, содержащего обмотки в пазах магнитопровода, и соединенных с контактными кольцами этого ротора, которые связаны с выходными контактами муфты через щеточный механизм, установленный в корпусе муфты. Другой вариант реализации импульсной электромагнитной муфты представляет собой два ротора, имеющих форму диска, где на торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, на явнополюсном роторе находятся постоянные магниты, на другом кольцеобразный магнитопровод из магнитомягкого материала с обмотками, соединенными с контактными кольцами этого ротора, которые связаны с выходными контактами муфты через щеточный механизм, установленный в корпусе муфты.

Передача механической энергии от ведущего вала к ведомому осуществляется короткими импульсами электромагнитной связи между роторами муфты, образующимися при замыкании коммутирующим устройством выходных контактов муфты накоротко, то есть выводов обмоток ротора, при условии скольжения ведомого ротора относительно ведущего.

На фиг.1 представлены детали предлагаемой импульсной электромагнитной муфты, частично в разрезе; на фиг.2 предлагаемая муфта представлена в сборе. На фиг.3 представлена импульсная электромагнитная муфта в торцевом варианте исполнения в сборе; на фиг.4 представлены детали муфты в торцевом варианте исполнения. На фиг.5 представлена функциональная схема использования импульсной электромагнитной муфты. В соответствии с фиг.1 и 2 импульсная электромагнитная муфта содержит: корпус, состоящий из левой крышки корпуса 1 и правой крышки корпуса муфты 14, подшипники внешнего ротора 2, 10, левую часть внешнего ротора 3, подшипники 4, 6 явнополюсного ротора, явнополюсный ротор 5, содержащий в качестве полюсов постоянные магниты, кольцеобразный магнитопровод внешнего ротора 7, выполненный из магнитомягкого материала с большим электрическим сопротивлением, в пазах которого находятся сосредоточенные обмотки 8, правую часть внешнего ротора 9, на которой закреплены изолирующий фланец 11, контактные кольца 12, соединенные с обмотками внешнего ротора 8, угольные щетки 13 и проходные изоляторы 15, встроенные в правую крышку корпуса 14, образующие щеточный механизм для связи с коммутирующим устройством 30.

В соответствии с фиг.3 и фиг.4 импульсная электромагнитная муфта в торцевом варианте исполнения содержит: корпус, который состоит из левой крышки корпуса 16 и правой крышки корпуса 28, подшипник 17, явнополюсный ротор 18, на торцевой поверхности которого находятся постоянные магниты, подшипник 19, упорный подшипник 20, распорную втулку 21, ротор 23, на торцевой поверхности которого находится кольцевой магнитопровод, выполненный из магнитомягкого материала с большим электрическим сопротивлением, в пазах которого уложена обмотка 22, подшипник 24, изолирующий фланец 25 и контактные кольца 26, которые закреплены на роторе 23, угольные щетки 27 и проходные изоляторы 29, образующие щеточный механизм для связи с коммутирующим устройством 30.

Коммутирующее устройство 30 представляет собой быстродействующий электронный ключ (электрический клапан), управляемый контроллером привода 31, который может быть реализован как программируемое микропроцессорное устройство.

Мгновенная мощность Р, передаваемая ведущим валом на ведомый, при замыкании контактных колец муфты и скольжении S ведомого ротора относительно ведущего, при частоте вращения ведущего вала Ω, может быть определена по выражению

где В - индукция в зазоре между роторами;

l - длина провода катушки в пазу магнитопровода внешнего ротора (ширина кольцевого магнитопровода);

S - скольжение - скорость вращения внешнего ротора относительно явнополюсного ротора, выраженная в процентах от скорости вращения внешнего ротора;

Z - полное электрическое сопротивление (импеданс) замкнутого контура, состоящего из последовательно соединенных катушек ротора, контактных колец и коммутирующего устройства;

w - число витков катушки обмотки ротора;

R - радиус зазора между роторами относительно оси роторов;

Ω·R - линейная скорость внешнего ротора на поверхности магнитопровода, обращенной к зазору между роторами;

n - количество полюсов явнополюсного ротора.

Так как для импульсной электромагнитной муфты (заданного исполнения) величины B, l, w, Z, R, n являются постоянными, то выражение В²·l²·w²·R²·n/Z=С равно постоянной величине, зависящей только от конструкции муфты. С учетом этого выражения, мгновенная мощность Р, передаваемая ведущим валом на ведомый, при замыкании контактных колец муфты будет соответствовать выражению

P=S²·Ω²·C.

Работа импульсной электромагнитной муфты, передающей механическую энергию ведущего вала на ведомый, происходит под управлением контроллера привода (контроллера трансмиссии) по алгоритмам, обеспечивающим заданные характеристики привода на ведомом валу путем регулирования длительности импульса электромагнитной связи между роторами (времени замкнутого состояния обмоток ротора) и длительности паузы между импульсами (времени разомкнутого состояния обмоток ротора) в зависимости от скольжения. Например, для режима передачи постоянной механической мощности на ведомый вал в трансмиссиях транспортных средств необходимо, чтобы отношение мгновенной мощности, передаваемой на ведомый вал Р, к мощности, подведенной к ведущему валу Р_вед, было равно отношению суммы времени замкнутого и разомкнутого состояния обмоток ротора к времени замкнутого состояния обмотки ротора, то есть

где t_имп - длительность импульса электромагнитной связи (или время замкнутого состояния обмотки ротора);

t_пауз - длительность паузы (или время разомкнутого состояния обмотки ротора).

Длительность импульса электромагнитной связи t_имп может быть выбрана с учетом зависимости выходных характеристик муфты от моментов инерции на валах роторов, индуктивности обмоток ротора и скольжения ведомого ротора относительно ведущего, при этом наименьшая длительность импульса и паузы в сумме может быть равной длительности прохождения полюса явнополюсного ротора под обмоткой внешнего ротора.

Предлагаемая импульсная электромагнитная муфта обратима, то есть ведущий и ведомый валы можно поменять местами, сделав ведущий вал ведомым, а ведомый вал ведущим, при этом свойства и характеристики муфты не изменятся.

Изобретение относится к области механики и может использоваться в трансмиссиях транспортных средств. Предлагаемая импульсная электромагнитная муфта служит для передачи вращения от ведущего вала к ведомому с возможностью плавного регулирования скорости и момента на ведомом валу при высоком КПД и обеспечении передачи большой мощности. Импульсная электромагнитная муфта представляет собой два ротора, установленных коаксиально в корпусе муфты. При втором варианте муфта представляет собой два ротора в форме дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями), один из которых имеет кольцевой магнитопровод из магнитомягкого материала с большим удельным электрическим сопротивлением и содержит обмотки, соединенные с контактными кольцами ротора, которые связаны с выходными контактами муфты с помощью щеточного механизма, установленного в корпусе муфты, другой ротор является явнополюсным, содержащим в качестве полюсов постоянные магниты или электромагниты. Управление механической мощностью, передаваемой с ведущего вала на ведомый, осуществляется импульсами электромагнитной связи между роторами с помощью коммутирующего устройства, замыкающего обмотки ротора, а длительность импульсов связи и пауз между ними определяет величину механической мощности, передаваемой на ведомый вал. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности. 5 ил.

Импульсная электромагнитная муфта, отличающаяся тем, что она представляет собой два ротора, установленных каоксиально в корпусе муфты, (или два ротора в форме дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями), один из которых имеет кольцевой магнитопровод из магнитомягкого материала, содержащего обмотки, соединенные с контактными кольцами ротора, которые связаны с выходными контактами муфты через щеточный механизм, установленный в корпусе муфты, другой ротор является явнополюсным, содержащим в качестве полюсов постоянные магниты (электромагниты), а управление механической мощностью, передаваемой с ведущего вала на ведомый, осуществляется с помощью импульсов электромагнитной связи между роторами, длительность которых и пауз между ними осуществляет коммутирующее устройство, замыкающее обмотки ротора, определяя при этом величину механической мощности, передаваемой на ведомый вал.