Двухпозиционная электромагнитная муфта Российский патент 2024 года по МПК F16D27/02 F16D27/01 F16H3/44 

Двухпозиционная электромагнитная муфта относится к классу электромеханических изделий – электромагнитных муфт, применимых в составе с планетарными передачами, и может быть использована в робототехнике общепромышленного и специального назначения.

Известна электромагнитная муфта [патент US2010273598 (A1)]. Она содержит эпицикл, который включает в себя зубчатый венец, образованный на его внутренней стороне и выполненный с возможностью вращения; солнечную шестерню, расположенную на том же валу, что и вращающийся вал эпицикла, и содержащую зубчатую шестерню, образованную на ее внешней периферийной поверхности; сателлиты, которые входят в зацепление с солнечной шестерней и эпициклом; водило, соединенное с сателлитами, с возможностью вращения сателлитов вокруг своих осей, и расположенное с возможностью вращения на том же валу, что и вращающийся вал эпицикла; элемент ограничения вращения, который расположен на том же валу, что и вращающийся вал эпицикла, и выборочно расположен в первом положении, для ограничения вращения эпицикла или солнечной шестерни, или во втором положении, для обеспечения возможности вращения эпицикла и солнечной шестерни; а также приводной механизм, который расположен на том же валу, что и эпицикл, и переключает элемент ограничения поворота в первое положение или во второе положение.

Недостатками указанной электромагнитной муфты является то, что в конструкции присутствует большое количество зубчатых зацеплений, что обуславливает сложность и дороговизну изготовления; наличие упругого элемента для обеспечения фиксации, который имеет ограниченную нагрузочную способность и при превышении допустимой нагрузки может выйти из строя; использование единичного выступа в качестве фиксирующего элемента для подвижных частей изделия, так как из-за невозможности мгновенного выравнивания угловых скоростей на данный упор будут действовать значительные динамические ударные нагрузки, что делает его элементом ненадежности в системе; необходимость непрерывного подвода электропитания для удержания в одном из положений.

В качестве прототипа выбрана электромагнитная муфта с регулируемой скоростью, патент на изделие JP2011085180 (A) от 28.04.2011 г.

Электромагнитная муфта с регулируемой скоростью установлена на спиральном компрессоре.

Корпус спирального компрессора включает в себя передний корпус и задний корпус, причем передний корпус и задний корпус соединены множеством болтов. Неподвижная спираль закреплена в переднем корпусе, с зацеплением подвижной спирали с неподвижной спиралью. Неподвижная спираль включает в себя дискообразную подложку и спиральный корпус, который целиком выступает из подложки в сторону переднего корпуса. Подвижная спираль включает в себя дискообразную подложку и спиральный корпус, который целиком выступает из подложки в сторону заднего корпуса. Неподвижная спираль и подвижная спираль взаимодействуют друг с другом, образуя камеру сжатия, объем которой уменьшается от внешней периферийной стороны к центру.

Перегородка закреплена в переднем корпусе, а подшипник и устройство уплотнения вала предусмотрены на перегородке спереди. Приводной вал выполнен с возможностью вращения с помощью устройства уплотнения вала и подшипника. Передний конец приводного вала открывается, выступая из бобышки переднего корпуса. Камера обратного давления расположена между перегородкой и подвижной спиралью. Камера обратного давления сообщается с камерой нагнетания.

Приводной штифт эксцентричный относительно оси приводного вала и выступающий назад, выполнен за одно целое с задним концом приводного вала. На приводном штифте предусмотрена втулка с возможностью вращения. Втулка как единое целое имеет противовес. На подложке подвижной спирали сформирована выступающая вперед часть выступа, а между частью бобышки и втулкой предусмотрен подшипник. Кроме того, между разделительной стенкой и подложкой подвижной спирали предусмотрен механизм предотвращения вращения, который обеспечивает вращение подвижной спирали и предотвращает вращение.

Камера нагнетания образована передним корпусом и перегородкой. Камера нагнетания соединена с трубой испарителя, соединенной с всасывающим отверстием. Внешняя периферийная сторона камеры сжатия сообщается с камерой нагнетания через всасывающий канал, образованный в перегородке в соответствии с углом поворота подвижной спирали.

Выпускное отверстие, сообщающееся с центром камеры сжатия, образовано в центре подложки неподвижной спирали. Внутренняя часть заднего корпуса представляет собой выпускную камеру, которая сообщается с выпускным отверстием. Выпускной клапан, который входит в контакт с выпускным отверстием, и фиксатор, регулирующий высоту подъема выпускного клапана, прикреплены к подложке с помощью фиксирующих штифтов. Выпускная камера соединена с конденсатором трубой, соединенной с выпускным отверстием.

В этой электромагнитной муфте с регулируемой скоростью скоба, изготовленная из немагнитного материала, прикреплена к передней поверхности переднего корпуса. Неподвижный корпус сердечника включает в себя переднюю концевую часть и заднюю концевую часть, обе из которых изготовлены из магнитного материала. Задняя концевая часть прикреплена к передней стороне кронштейна. Корпус с неподвижным сердечником и кронштейн образуют неподвижный сердечник.

Передняя концевая часть имеет U-образное поперечное сечение и имеет пару стенок на внутренней периферийной стороне и внешней периферийной стороне. Основной корпус с неподвижным сердечником образует в нем камеру для катушки посредством передней концевой части и задней концевой части. То есть неподвижный корпус сердечника закрывает камеру для катушки спереди, сзади, внутри и снаружи путем соединения стенок передней концевой части и задней концевой части. Катушка размещена в камере для катушки. Катушка подключена к батарее и полярность тока, подаваемого на катушку, может переключаться контроллером.

Неподвижный магнит, состоящий из множества постоянных магнитов, прикреплен к неподвижному корпусу сердечника так, чтобы быть обращенным к катушке со стороны переднего конца. Каждый неподвижный магнит имеет полюс N на осевой центральной стороне приводного вала и полюс S на внешней периферийной стороне. Каждый неподвижный магнит представляет собой магнит из редкоземельных металлов.

Первый подшипник закреплен стопорным кольцом на внешней периферийной стороне выступающей части переднего корпуса, а основной корпус водила сформирован на внешней периферийной стороне первого подшипника. В результате корпус водила может вращаться концентрически с осью приводного вала. Корпус водила имеет три выреза. Водило фиксируется шкивом и заклепкой через отверстия, образованные в водиле между тремя вырезами.

Ротор предусмотрен на внешней периферийной стороне выступающей части. Ротор совместно с цилиндрическим основным корпусом ротора установлен на переднем корпусе, а подвижный сердечник установлен на заднем корпусе. В роторе корпус ротора и подвижный сердечник выполнены как единое целое из магнитного материала. Подвижный сердечник расположен на стороне переднего корпуса неподвижного корпуса сердечника и прикреплен к корпусу ротора.

Фланцевый элемент прикреплен к задней торцевой стороне ротора. Второй подшипник расположен между выступающей частью и фланцевым элементом. Второй подшипник прикреплен к фланцевому элементу стопорным кольцом. Второй подшипник расположен за первым подшипником, таким образом, что первый подшипник и второй подшипник расположены на переднем корпусе вдоль осевого направления приводного вала.

Подвижный сердечник включает в себя переднюю концевую часть и пару стенок из магнитного материала. Внутри подвижного сердечника образовано пространство с открытой задней частью. Подвижный сердечник расположен на стороне переднего конца катушки и окружает неподвижный корпус сердечника, таким образом, что неподвижный корпус сердечника размещается в пространстве. Подвижный магнит, состоящий из множества постоянных магнитов, прикреплен к подвижному сердечнику таким образом, чтобы быть обращенным к катушке со стороны переднего конца. Каждый подвижный магнит имеет S-полюс на осевой центральной стороне приводного вала и N-полюс на внешней периферийной стороне. Каждый подвижный магнит представляет собой магнит из редкоземельных металлов.

Солнечная шестерня закреплена на конце приводного вала. Внутренняя шестерня закреплена на внутренней периферийной поверхности корпуса ротора. Три сателлита находятся в зацеплении с солнечной шестерней и эпициклом. Каждый сателлит расположен между пазами корпуса водила.

Штифт вставлен с возможностью вращения в ось каждого сателлита. Конец каждого штифта прикреплен к шкиву, а гайка, предусмотренная на заднем конце каждого штифта, прикреплена к корпусу водила с помощью другой гайки. Таким образом, каждый сателлит опирается на корпус водила с возможностью вращения относительно переднего корпуса концентрически с осью приводного вала.

Ремень наматывается на шкив, и мощность передается от двигателя транспортного средства на шкив через ремень. Кончик каждого штифта закреплен на шкиве, так, что шкив концентричен с осью приводного вала по отношению к переднему корпусу вместе с каждым сателлитом и ротором, с возможностью вращения.

В пространстве подвижного сердечника первый якорь упруго прикреплен к переднему торцу корпуса неподвижного сердечника через фиксирующий элемент и пластинчатую пружину. Более конкретно, пластинчатая пружина предварительно нагружена так, что первый якорь и неподвижный сердечник отделены друг от друга, так, что первый якорь и неподвижный сердечник не вступают в контакт друг с другом из-за вызванной вибрации при управлении транспортным средством. Пластинчатая пружина фиксируется на подвижном сердечнике в заданном состоянии. Первый якорь может быть прикреплен к неподвижному корпусу сердечника посредством неподвижного магнита, при этом сопротивляясь упругой деформации листовой пружины.

Второй якорь упруго прикреплен к задней торцевой поверхности шкива через листовую пружину. Более конкретно, пластинчатая пружина предварительно нагружена так, что второй якорь и подвижный сердечник отделены друг от друга, так, что второй якорь и подвижный сердечник не соприкасаются друг с другом из-за вибрации, вызванной движением автомобиля. В этом состоянии шкив зафиксирован. Второй якорь может быть прикреплен к подвижному сердечнику посредством подвижного магнита, при этом сопротивляясь упругой деформации листовой пружины.

Катушка размещена в камере для катушек корпуса с неподвижным сердечником, и катушка перемещается вперед и назад с помощью переднего корпуса, по стеночной части, и заднего корпуса. Кроме того, подвижный сердечник окружает неподвижный сердечник, за исключением задней торцевой части на участке переднего корпуса и стеночной части.

По этой причине, когда на катушку подается питание в отрицательном направлении, катушка пытается образовать магнитную цепь в направлении с неподвижным телом сердечника и подвижным сердечником. Поскольку магнитный поток фиксированного магнита расположен вдоль направления магнитного потока формируемой магнитной цепи, магнитному потоку трудно пройти через корпус с неподвижным сердечником и неподвижным магнитом, а также через первый якорь. Кроме того, поскольку магнитный поток подвижного магнита противоположен магнитному потоку неподвижного магнита, магнитный поток проходит через часть, отличную от подвижного магнита подвижного сердечника, соответственно магнитный поток проходит через второй якорь. По этой причине первый якорь не перемещается в сторону неподвижного корпуса сердечника, а второй якорь перемещается в сторону подвижного сердечника силой притяжения создаваемой катушкой и прикреплен к подвижному сердечнику через подвижный магнит. Следовательно, в этом состоянии шкив прикреплен к ротору, а шкив, ротор, эпицикл и каждый сателлит объединены. По этой причине, вращение шкива передается на приводной вал с постоянной скоростью. В этом случае спиральный компрессор приводится в движение с низкой скоростью вращения, так что охлаждение автомобиля кондиционером не осуществляется.

Кроме того, если на катушку подается питание в положительном направлении, магнитный поток, сформированный между неподвижным телом сердечника и неподвижным сердечником, и магнитный поток неподвижного магнита противоположны друг другу. Соответственно магнитный поток проходит через первый якорь. Кроме того, поскольку магнитный поток подвижного магнита идет вдоль магнитного потока магнитной цепи, магнитный поток почти не проходит через второй якорь, через подвижный сердечник и подвижный магнит. По этой причине первый якорь под действием силы притяжения катушкой перемещается в сторону неподвижного сердечника и прикрепляется к неподвижному сердечнику через неподвижный магнит. С другой стороны, второй якорь не перемещается в сторону подвижного сердечника. По этой причине в этом состоянии каждый сателлит вращается вокруг приводного вала с той же угловой скоростью, что и шкив, при вращении в зацеплении с эпициклом, который неподвижен. По этой причине приводной вал вращается с одинаковым числом оборотов в зацеплении с каждым вращающимся сателлитом. По этой причине вращение шкива передается на приводной вал с повышенной скоростью. В этом случае, поскольку спиральный компрессор приводится в действие с высокой скоростью вращения, осуществляется охлаждение автомобиля кондиционером.

Если катушка не находится под напряжением, первый и второй якоря не связаны магнитным способом с неподвижным корпусом сердечника и подвижным сердечником, и мощность шкива не передается на приводной вал. В этом случае охлаждение спиральным компрессором не производится.

Недостатками электромагнитной муфты с регулируемой скоростью являются наличие упругих элементов, удерживающих подвижные якоря, так как это усложняет конструкцию и снижает её надежность; наличие нескольких постоянных магнитов, что также увеличивает сложность конструкции муфты; фиксация подвижных элементов только за счет сил трения, создаваемых магнитным полем, без участия дополнительных элементов фиксации, что снижает величину передаваемого момента и может приводить к непроизвольному проскальзыванию; магнитные контура имеют охватывающий характер, что существенно увеличивает их размеры, в следствии чего возрастают габариты и масса изделия; необходимость непрерывного подвода электропитания для удержания в одном из положений при определенных режимах работы.

Задачей настоящего изобретения, двухпозиционной электромагнитной муфты, является уменьшение массы и габаритов изделия при том же передаваемом моменте, сокращение потребляемой мощности за счет уменьшения временных диапазонов потребления тока и повышение надежности в части уменьшения количества подвижных деталей и исключения возможности взаимного проскальзывания деталей при передаче вращения. Поставленная задача решается изменением конструкции таким образом, чтобы неподвижный сердечник не охватывал катушку магнитопроводящим материалом со стороны выходного звена; исключением из конструкции неподвижного постоянного магнита; конструктивным исполнением ротора таким образом, чтобы он был совмещен с подвижным сердечником и не охватывал неподвижный сердечник, а магнитный поток передавался через торцевые поверхности неподвижного сердечника и подвижного сердечника; исключением из конструкции шкива с передачей выходного момента через водило; исключением из конструкции первого якоря; конструктивной реализацией второго якоря таким образом, чтобы он был жестко закреплен на водиле, которое будет являться выходным звеном одновременно; введением между элементами фиксируемыми магнитными потоками элементов качения, имеющих общий сепаратор и находящихся в углублениях, выполненных на сердечниках и якоре и препятствуют, таким образом, провороту деталей.

Техническим результатом является расширение областей применения двухпозиционной электромагнитной муфты, в том числе в составе робототехнических изделий, за счет уменьшение массы и габаритов при том же передаваемом моменте, сокращение потребляемой мощности, повышения надежности и обеспечения передачи вращения без взаимного проворота деталей.

На фиг. 1 изображена двухпозиционная электромагнитная муфта, устанавливаемая на неподвижный корпус 1. Муфта включает в себя приводной вал 2, на свободном конце которого установлена солнечная шестерня 3. Соосно с приводным валом расположены неподвижный сердечник 4, подвижный сердечник 5 и водило 6 с установленным на нем якоре 7. Подвижный сердечник может совершать вращательное движение и осевое перемещение, водило может совершать только вращательное движение и фиксацию в осевом направлении В составе неподвижного сердечника имеется встроенная катушка 4а и магнитопровод 4б. Магнитопровод неподвижного сердечника имеет разомкнутую форму в направлении подвижного сердечника. Подвижный сердечник выполнен в виде магнитопровода 8 со встроенным в него постоянным магнитом 5а. Якорь выполнен в виде участка магнитопровода и жестко связан с водилом. В зазорах между неподвижным сердечником, подвижным сердечником и якорем установлены теля качения, объединенные сепараторами 9, которые при прижиме подвижного сердечника к неподвижному сердечнику или якорю фиксируются в углублениях и препятствуют провороту. На внутреннем диаметре подвижного сердечника закреплен эпицикл 10. Солнечная шестерня и эпицикл находятся в зубчатом зацеплении с сателлитами 11. Сателлиты связаны с водилом посредством штифтов 6а, но сохраняют возможность вращения. На фиг. 2 более подробно представлена работа тел качения при передаче крутящего момента.

Предложенная двухпозиционная электромагнитная муфта работает следующим образом. Изменение положения подвижного сердечника 5 осуществляется непродолжительной подачей тока на катушку 4а неподвижного сердечника 4, при этом в катушке 4а возникает ток и индуцируется магнитное поле, силовые линии которого направлены в зависимости от направления течения тока в катушке 4а. Таким образом, магнитное поле, создаваемое катушкой 4а, взаимодействует с магнитным полем от подвижного постоянного магнита 5а и, в зависимости от взаимного направления силовых линий, создаваемых подвижным постоянным магнитом 5а и катушкой 4а, подвижный сердечник 5 или притягивается к неподвижному сердечнику 4 или отталкивается. Так как якорь 7 не может индуцировать магнитное поле, то при сонаправленном направлении силовых линий магнитного поля, неподвижный сердечник 4 может оторвать подвижный сердечник 5 от якоря 7 и замкнуть магнитное поле внутри собственного контура; когда нужно оторвать подвижный сердечник 5 от неподвижного сердечника 4, то меняется направление питающего тока и за счет силы отталкивания подвижный сердечник 5 перемещается к якорю 7 и примагничивается к нему. После изменения положения подвижного сердечника относительно неподвижного сердечника и якоря, напряжение питания отключается и удержание подвижного сердечникам происходит посредством постоянного магнитного поля, создаваемого магнитом в составе сердечника. Направление магнитных полей, возникающих при фиксации подвижного сердечника 5 на неподвижном сердечнике 4 и якоре 7 показано на фиг. 3 и 5 соответственно. Направление магнитных полей, возникающих при изменении положения подвижного сердечника 5 в сторону неподвижного сердечника 4 или якоря 7 показано на фиг. 4 и 6 соответственно.

При фиксации подвижного сердечника на неподвижном сердечнике солнечная шестерня посредством зубчатого зацепления приводит в движение сателлиты, сателлиты обкатываются по неподвижному эпициклу (жестко связанному с подвижным сердечником) и приводят во вращение водило, которое является выходным звеном. При этом скорости приводного вала и водила отличаются на величину передаточного числа планетарной передачи, образованной солнечной шестерней, сателлитами и эпициклом. При фиксации подвижного сердечника на якоре, жестко связанным с водилом, сателлиты не могут обкатываться по водилу так как водило и эпицикл оказываются жестко связанными, и передача скорости и момента от приводного вала на водило происходит без изменений.

Тела качения, находясь под внешней нагрузкой F, обеспечивают передачу момента М фиксируясь в конусных углублениях, а при превышении момента сохраняют возможность взаимного проворота деталей. Величина передаваемого момента М в таком механизме определяется прижимающей силой F, и углами в конусах, в которых фиксируются тела качения, а также радиусом, на котором они расположены. При этом сила F не должна превышать несущей способности тел качения.

Таким образом, уменьшение массы и габаритов изделия достигается сокращением количества деталей и упрощением их формы; сокращение потребляемой мощности достигается за счет исключения необходимости постоянной подачи электрической мощности для поддержания любого из возможных режимов работы; повышение надежности достигается исключением из конструкции упругих элементов передающих механическую мощность и введением тел качения исключающих возможность проскальзывания деталей при передаче вращения, что обеспечивает более стабильную работу и исключает возможный фрикционный износ, а также кратковременностью подачи электрической мощности, что продлевает ресурс катушки.

Изобретение относится к электромагнитным муфтам. Двухпозиционная электромагнитная муфта включает приводной вал, неподвижный сердечник со встроенной катушкой, подвижный сердечник, подвижный постоянный магнит, солнечную шестерню, эпицикл, сателлиты, водило, якорь, элементы качения. Приводной вал передает вращательное движение и имеет свободный конец. Подвижный сердечник выполнен в виде магнитопровода. Подвижный постоянный магнит закреплен на подвижном сердечнике и имеет магнитный поток. Солнечная шестерня расположена на свободном конце вала соосно с осью. Сателлиты находятся в зацеплении с солнечной шестерней и эпициклом. Водило имеет штифты, удерживающие сателлиты и не препятствующие их вращению, и выполнено соосно с осью приводного вала с возможностью вращения относительно него. Якорь жестко закреплен на водиле, которое является выходным звеном одновременно. Эпицикл закреплен на внутреннем диаметре подвижного сердечника. Дополнительно элементы качения имеют общий сепаратор и находятся в углублениях, выполненных на сердечниках и якоре. Достигается расширение областей применения муфты, в том числе в составе робототехнических изделий, за счет уменьшения массы и габаритов при том же передаваемом моменте, сокращение потребляемой мощности, повышение надежности и обеспечение передачи вращения без взаимного проворота деталей. 6 ил.

Двухпозиционная электромагнитная муфта, включающая в себя приводной вал, передающий вращательное движение и имеющий свободный конец, неподвижный сердечник со встроенной катушкой, подвижный сердечник, выполненный в виде магнитопровода, подвижный постоянный магнит, закрепленный на подвижном сердечнике и имеющий магнитный поток, солнечную шестерню, расположенную на свободном конце вала соосно с осью, эпицикл, сателлиты, находящиеся в зацеплении с солнечной шестерней и эпициклом, водило, имеющее штифты, удерживающие сателлиты и не препятствующие их вращению, и выполненное соосно с осью приводного вала с возможностью вращения относительно него, отличающаяся тем, что содержит якорь, жестко закрепленный на водиле, которое является выходным звеном одновременно, эпицикл закреплен на внутреннем диаметре подвижного сердечника, а с целью исключения проворота деталей дополнительно введены элементы качения, имеющие общий сепаратор и находящиеся в углублениях, выполненных на сердечниках и якоре.