專利名稱：多功能磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及磁流變(MR)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，尤其涉及可兼具馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)器和/或離合器功能的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用于移動(dòng)或控制機(jī)械裝置或系統(tǒng)的功能裝置。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能被劃分為主動(dòng)式或半主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如電動(dòng)馬達(dá)的主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)消耗大量功率，并且在出現(xiàn)輸出過(guò)載時(shí)難以立即停止其扭力輸出。最廣泛用于馬達(dá)制動(dòng)的方法是注入反向直流或者使用外部制動(dòng)器或斬波器。這些方法導(dǎo)致大的功耗并且在長(zhǎng)期使用時(shí)可能會(huì)損壞裝置?；诖帕髯兞黧w的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在半主動(dòng)方式時(shí)工作良好，且消耗較少功率。磁流變流體是由低導(dǎo)磁基液和鐵顆?；蚍勰?gòu)成的懸浮液。在磁場(chǎng)的影響下，流體的流變行為改變。流動(dòng)阻力隨磁通量密度的增加而顯著加大。這些流體的流變特性，如粘性和剪切應(yīng)力， 在幾微秒內(nèi)快速改變，并且這些流變特性在施加磁場(chǎng)時(shí)是可逆的。磁流變流體具有許多優(yōu)勢(shì)。其在磁場(chǎng)作用下時(shí)可產(chǎn)生高屈服應(yīng)力并消耗較少功率。其還具有較好的穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)時(shí)間。此外，其可以在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。磁流變流體已用于多種能量耗散和轉(zhuǎn)移裝置中，例如，減震器、離合器、制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等等。在以上應(yīng)用中，電磁元件被用作磁場(chǎng)源。通過(guò)改變施加到線圈上的電流，磁場(chǎng)能相應(yīng)地改變，并且由磁流變流體產(chǎn)生的屈服應(yīng)力也相應(yīng)改變。與此同時(shí)，隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，如機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備等許多精密工程應(yīng)用需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行所需的復(fù)雜任務(wù)。在許多情況下，這些應(yīng)用中使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被期望具有不只一個(gè)功能。然而，并沒(méi)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠在一個(gè)設(shè)備中兼具馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、離合器和制動(dòng)器的功能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件，包括由高導(dǎo)磁材料制成的定子，所述定子上纏繞有外線圈；由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上固定有多個(gè)永磁體；以及空腔，用于容納流體；以及離合器/制動(dòng)器元件，設(shè)置在所述空腔中，所述離合器/制動(dòng)器元件上纏繞有內(nèi)線圈，其中所述流體能夠在所述內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)的作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
根據(jù)本申請(qǐng)的另一實(shí)施方式的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件，包括由高導(dǎo)磁材料制成的定子；由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上固定有多個(gè)永磁體；以及側(cè)板，所述側(cè)板上纏繞有對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)永磁體設(shè)置的一組軸向線圈；以及離合器/制動(dòng)器元件，與所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件同軸，在所述離合器/制動(dòng)器元件上纏繞有內(nèi)線圈，所述離合器/制動(dòng)器元件包括用于容納流體的空腔，所述流體能夠在所述內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)的作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。


圖IA和IB圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的一種離合器/制動(dòng)器元件；圖2A和2B圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的另一種離合器/制動(dòng)器元件；圖3圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第一實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖4圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖5A和5B圖解說(shuō)明了圖4中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)線圈的分解圖和前視圖；圖6圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第三實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖7圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第四實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖8圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第五實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖9圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第六實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖10圖解說(shuō)明了根據(jù)本申請(qǐng)的第七實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；以及圖IlA和IlB圖解說(shuō)明了圖10中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的永磁體、轉(zhuǎn)子以及線圈的前視圖。
具體實(shí)施例方式在本申請(qǐng)中公開了一種可以具有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)器以及離合器功能的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件和離合器/制動(dòng)器元件。本申請(qǐng)中的馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件包括纏繞有外線圈的定子和具有永磁體的轉(zhuǎn)子。定子可由高導(dǎo)磁材料制成。纏繞在定子上的外線圈提供電磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)固定于轉(zhuǎn)子上的永磁體。轉(zhuǎn)子的方向可以用檢測(cè)永磁體的磁通量方向的傳感器(例如霍爾傳感器)來(lái)檢測(cè)?？蛇x地，轉(zhuǎn)子的方向也可以利用在非導(dǎo)通相繞組中檢測(cè)反向電動(dòng)勢(shì)來(lái)進(jìn)行間接轉(zhuǎn)子位置判斷。外線圈上的電壓可由控制器根據(jù)檢測(cè)到的結(jié)果而改變，以便確保轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)。通常， 馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件可以有內(nèi)轉(zhuǎn)子型、外轉(zhuǎn)子型或者軸向轉(zhuǎn)子型等結(jié)構(gòu)形式。由馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件形成的空腔用于將離合器/制動(dòng)器元件和磁流變流體放置于其內(nèi)。離合器/制動(dòng)器元件可以由具有槽和極靴(shoe)的內(nèi)電樞實(shí)現(xiàn)。在這種情況下， 內(nèi)線圈纏繞在內(nèi)電樞的每個(gè)極靴上。在圖IA和IB中示出了一個(gè)實(shí)施例中的離合器/制動(dòng)器元件1。如圖所示，離合器/制動(dòng)器元件1包括內(nèi)線圈2、內(nèi)電樞3以及軸4。多匝線圈纏繞在內(nèi)電樞3上，內(nèi)電樞3由高導(dǎo)磁材料以疊片形式制成并具有如圖IB所圖示的極靴5和槽6。軸4安裝在內(nèi)電樞3內(nèi)以傳輸扭矩?？衫糜筛邔?dǎo)磁材料制成的附加的引導(dǎo)層將由內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁通弓I導(dǎo)通過(guò)磁流變流體?？蛇x地，離合器/制動(dòng)器元件可以通過(guò)被非磁性間隔環(huán)隔開的多個(gè)輸入盤和輸出盤實(shí)現(xiàn)，非磁性間隔環(huán)在多個(gè)輸入盤和輸出盤之間形成間隙以容納磁流變流體。輸出盤和間隔環(huán)可以由具有法蘭的軸夾持。在圖2A和2B中示出了一個(gè)實(shí)施例中的離合器/制動(dòng)器元件7。如圖所示，離合器/制動(dòng)器元件7包括一組輸入盤9和一組輸出盤10，每個(gè)輸入盤 9之間和每個(gè)輸出盤10之間都被輸入間隔環(huán)8和輸出間隔環(huán)12分隔開。使用兩個(gè)軸11和 13來(lái)固定這些板并傳輸扭矩。在這種情況下，離合器/制動(dòng)器元件中的內(nèi)線圈可以由內(nèi)置型線圈、外置型線圈、或軸向型線圈形成。對(duì)于內(nèi)置型內(nèi)線圈來(lái)說(shuō)，該線圈纏繞在由桿形成的空腔中的磁芯上以提供電磁場(chǎng)。對(duì)于外置型內(nèi)線圈來(lái)說(shuō)，該線圈纏繞在輸入/輸出盤外部的非磁性筒上，而不是纏繞在內(nèi)芯上。對(duì)于軸向型內(nèi)線圈來(lái)說(shuō)，該線圈包括安裝在兩個(gè)法蘭上的兩組軸向環(huán)形線圈組成。 兩組線圈提供相反的磁場(chǎng)方向。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流施加到馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件的外線圈時(shí)，將會(huì)感生出電磁場(chǎng)， 該電磁場(chǎng)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)然后提供主動(dòng)扭矩輸出。因此，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為馬達(dá)使用。如果對(duì)內(nèi)線圈也施加電流，那么磁流變流體會(huì)在由內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。因此，離合器/制動(dòng)器元件將來(lái)自轉(zhuǎn)子的扭矩傳輸至外部，充當(dāng)離合器。在另一運(yùn)行情況下，當(dāng)僅給內(nèi)線圈施加電流時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有制動(dòng)器的功能。在這種情況下，沒(méi)有電流施加到定子線圈，如果轉(zhuǎn)子由外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則作為發(fā)電機(jī)工作以收集由線圈剪切永磁體的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的能量。相應(yīng)地，具有以上結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能根據(jù)需要作為馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)器、以及離合器使用。在一個(gè)變體中，如果離合器/制動(dòng)器元件的軸固定于具有以上各種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼，那么磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)仍能具有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和制動(dòng)器的功能。類似地，當(dāng)電流施加到馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件的外線圈時(shí)，感生的電磁場(chǎng)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并作為馬達(dá)工作。如果電流僅施加到內(nèi)線圈，那么驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有制動(dòng)器的功能，這里制動(dòng)器元件將提供可控制的扭矩。在轉(zhuǎn)子由外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)的情況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變成發(fā)電機(jī)以收集由線圈剪切永磁體磁場(chǎng)而產(chǎn)生的能量。在下文中，將參考附圖詳細(xì)地描述根據(jù)本申請(qǐng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示例性的實(shí)施方式。參見圖3，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第一實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15。磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30和離合器/制動(dòng)器元件40，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30和離合器/制動(dòng)器元件40均處于由外殼20限定的空腔21內(nèi)。外殼20可以包括圓筒24，圓筒M由兩個(gè)側(cè)板22和23支持以提供用于容納馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30和離合器/制動(dòng)器元件40的空間。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30可包括固定的疊片式定子31，定子31包括外線圈34。定子31通常由高導(dǎo)磁材料以疊片形式制成以提供所需的磁場(chǎng)并改善定子31產(chǎn)生的渦流的影響。外線圈34包括纏繞在定子31上的多匝線圈，并且在被施加有電流時(shí)外線圈34可建立電磁場(chǎng)。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30還可包括轉(zhuǎn)子33，轉(zhuǎn)子33可具有圓筒形形狀并且也可由高導(dǎo)磁材料制成。定子31和以圓形方式繞轉(zhuǎn)子33分布的多個(gè)永磁體32限定處于定子31和永磁體32之間的圓筒形氣隙36。每個(gè)永磁體32的磁場(chǎng)方向交替地與轉(zhuǎn)子33上的N極和S極對(duì)準(zhǔn)。具有控制電路35的傳感器(例如霍爾傳感器)被用來(lái)感測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間永磁體32的磁場(chǎng)方向的變化，然后調(diào)整外線圈34上的電壓以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)永磁體32所需的磁場(chǎng)。因此，轉(zhuǎn)子33能連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在該實(shí)施方式中示出的離合器/制動(dòng)器元件40處于如在圖IA中示出的離合器/ 制動(dòng)器元件1的形式。離合器/制動(dòng)器元件40設(shè)置在馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件30內(nèi)部限定的空腔41中。具體來(lái)說(shuō)，在這個(gè)實(shí)施方式中的空腔41由轉(zhuǎn)子33、隔離層42、外殼蓋43和引導(dǎo)層 44限定。隔離層42由非磁性材料制成并且被固定在轉(zhuǎn)子33內(nèi)部以隔離永磁體32的磁場(chǎng)， 而引導(dǎo)層44由高導(dǎo)磁材料制成以引導(dǎo)來(lái)自內(nèi)電樞46的磁通。外殼蓋43由高導(dǎo)磁材料制成以形成用于離合器/制動(dòng)器元件40的磁屏蔽。在這個(gè)實(shí)施方式中，離合器/制動(dòng)器元件 40包括內(nèi)電樞46和內(nèi)線圈45，內(nèi)電樞46由高導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)線圈45包括纏繞在內(nèi)電樞 46上的多匝線圈。磁流變流體填充在空腔41內(nèi)并在內(nèi)線圈45產(chǎn)生的磁通作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，內(nèi)線圈45處于由引導(dǎo)層44限定的間隙47與內(nèi)電樞46之間，并可由殼(shell) 53 覆蓋。具有孔52的軸50由軸承件48、49和M支承?？?2用于將線延伸至外部?？梢允褂妹芊饧?1來(lái)提供動(dòng)態(tài)密封，以防止磁流變流體從空腔41泄露，并且不阻礙磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。參見圖4，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第二實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60。與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15類似，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件61和離合器/制動(dòng)器元件62。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 15與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60之間的差異在于離合器/制動(dòng)器元件62處于如圖2A所示出的離合器/ 制動(dòng)器元件7的形式。在這個(gè)實(shí)施方式中，內(nèi)線圈65是軸向型內(nèi)線圈，其包括安裝在法蘭上的以環(huán)形方式放置的兩組軸向型線圈。兩組線圈分別提供相反的磁場(chǎng)方向。分別在圖5A 和5B中圖解說(shuō)明了內(nèi)線圈65的分解圖和前視圖。在由內(nèi)線圈65產(chǎn)生的電磁場(chǎng)下，磁流變流體內(nèi)的輸入盤63和輸出盤64將產(chǎn)生扭矩以根據(jù)是否有電流施加到外線圈來(lái)作為離合器或者制動(dòng)器工作。內(nèi)線圈65包括固定在具有法蘭的軸66和67上的一組軸向型線圈。法蘭由高導(dǎo)磁材料制成并且兩組線圈的磁方向彼此相反。因此，由內(nèi)線圈65產(chǎn)生的磁通能穿透輸入盤63和輸出盤64以提供所需扭矩。參見圖6，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第三實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69。磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69的結(jié)構(gòu)與磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)60類似。磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件70和離合器/制動(dòng)器元件80，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件70和離合器/制動(dòng)器元件80都處于由該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼限定的空腔內(nèi)。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件70包括固定的疊片式定子72，定子72包括外線圈74。定子72 通常由高導(dǎo)磁材料以疊片形式制成，以提供所需的磁場(chǎng)并改善定子72中產(chǎn)生的渦流的影響。外線圈74包括纏繞在定子72上的多匝線圈，并在施加有電流時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。若干軸向孔71A和71B以環(huán)形方式在側(cè)板上均布，使得循環(huán)空氣能穿過(guò)軸向孔7IA和71B從而將外線圈74產(chǎn)生的熱量排出。每個(gè)永磁體76的磁場(chǎng)方向交替地與由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子 81上的N極和S極對(duì)準(zhǔn)。具有控制電路75的霍爾傳感器被用來(lái)感測(cè)旋轉(zhuǎn)期間永磁體76的磁場(chǎng)方向的變化，然后通過(guò)調(diào)整外線圈74上的電壓以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)永磁體76所需的磁場(chǎng)。因此，轉(zhuǎn)子81能連續(xù)旋轉(zhuǎn)。離合器/制動(dòng)器元件80包括由外殼蓋73和外殼筒77限定的空腔90，空腔90中充有磁流變流體。內(nèi)線圈83包括纏繞在由高導(dǎo)磁材料制成的磁芯82上的多匝線圈，并且內(nèi)線圈83被非磁性絕緣層88和一組輸出盤86覆蓋。輸出盤86由若干非磁性的間隔環(huán)85 隔開并且用若干非磁性的緊固件94夾在兩個(gè)具有法蘭的軸92和93之間。一組輸入盤87 位于外殼筒77的下方并且在相鄰的輸出盤86之間軸向地伸出，相鄰的輸出盤86由非磁性的間隔環(huán)84間隔開。輸入盤87、輸出盤86以及兩個(gè)軸92和93都由高導(dǎo)磁材料制成，以形成用于傳導(dǎo)由內(nèi)線圈83產(chǎn)生的磁通的磁路。內(nèi)線圈83的線通過(guò)孔91伸出到磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69的外部。由非磁性材料制成的外殼蓋73和外殼筒77由軸承支承。參見圖7，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第四實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)100。磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)100的結(jié)構(gòu)與磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69類似。與磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69不同的是，內(nèi)線圈 110處于輸入/輸出盤的外圍并且位于轉(zhuǎn)子107的下方。內(nèi)線圈110纏繞在由非磁性材料制成的線軸101上，線軸101具有孔105用于排出來(lái)自內(nèi)線圈110的熱量。被非磁性的緊固件111固定的轉(zhuǎn)子107和轉(zhuǎn)子蓋106均由高導(dǎo)磁材料制成，從而形成導(dǎo)通的磁路。由非磁性材料制成的密封環(huán)103被夾在轉(zhuǎn)子107和轉(zhuǎn)子蓋106之間。內(nèi)線圈110的線通過(guò)孔102 伸出到離合器/制動(dòng)器元件的外部。非磁性的緊固件104被用來(lái)固定均由非磁性材料制成的并具有法蘭的軸108和109。在以上實(shí)施方式中，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件具有內(nèi)置型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子設(shè)置在定子的內(nèi)部，而放置離合器/制動(dòng)器元件的空腔位于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部。如上文所述，馬達(dá) /發(fā)電機(jī)元件還可以有其它結(jié)構(gòu)，例如外置型轉(zhuǎn)子和軸向型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，離合器/制動(dòng)器元件也可設(shè)置在位于于馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件內(nèi)部的空腔中。在圖8和10中分別示出了外置型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸向型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，下文將對(duì)其進(jìn)行描述。以上所討論的是根據(jù)本申請(qǐng)的具有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、離合器以及制動(dòng)器四種功能的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)電流施加到馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件的外線圈時(shí)，將感生出電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并提供主動(dòng)扭矩。因此該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以充當(dāng)馬達(dá)。如果內(nèi)線圈也被施加有電流時(shí)，磁流變流體將在內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。因此，離合器/制動(dòng)器元件能將來(lái)自轉(zhuǎn)子的扭矩傳輸?shù)酵獠?，作為離合器工作。在另一操作中，當(dāng)僅對(duì)內(nèi)線圈施加電流時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為制動(dòng)器工作。在這種情況下，當(dāng)沒(méi)有電流施加到定子線圈時(shí)，如果轉(zhuǎn)子由外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)，那么驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變成發(fā)電機(jī)，獲取由線圈剪切永磁體磁場(chǎng)而產(chǎn)生的能量。作為一個(gè)變體，本申請(qǐng)還公開了具有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和制動(dòng)器三種功能的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以下將參考附圖8-11對(duì)其進(jìn)行描述。在具有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和制動(dòng)器三種功能的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，離合器/制動(dòng)器元件的軸與該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼固定。參見圖8，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第五實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)119。通常來(lái)說(shuō)，磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)119包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件120和制動(dòng)器元件130。與具有以內(nèi)置型轉(zhuǎn)子的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)15、60、69以及100不同的是，磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)119具有環(huán)繞在定子 121外部的外部轉(zhuǎn)子126。外殼蓋122和124限定用于容納馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件120和制動(dòng)器元件130的環(huán)狀腔。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件120包括固定的疊片式定子121，該定子121通常由高導(dǎo)磁材料制成以提供磁場(chǎng)。外線圈123包括纏繞在定子121上的多匝線圈，并在施加有電流時(shí)建立電磁場(chǎng)。定子121固定在由高導(dǎo)磁材料制成的圓筒形基座125上，并且與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼蓋122接合以固定定子121并限定用于容納制動(dòng)器元件130的空間。制動(dòng)器元件130包括外殼蓋132、133以限定用于填充磁流變流體的空腔。由非磁性材料制成的圓筒形隔離環(huán)131充當(dāng)纏繞內(nèi)線圈134的線軸。圖8中示出的制動(dòng)器元件 130處于圖2A中的離合器/制動(dòng)器元件7的形式。軸135固定在轉(zhuǎn)子1 上，因此旋轉(zhuǎn)板 136將隨轉(zhuǎn)子1 轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)板137和旋轉(zhuǎn)板136均由與外殼蓋132和133相同的高導(dǎo)磁材料制成，從而形成磁路以傳送由內(nèi)線圈1 ；34產(chǎn)生的磁通。參見圖9，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第六實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)140。與磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)69類似，磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)140包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件141和制動(dòng)器元件143。 磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)140與69的主要不同的元件在于外殼蓋142和具有法蘭的軸144，其中軸 144固定于外殼蓋142中。參見圖10，該圖示出了根據(jù)本申請(qǐng)的第七實(shí)施方式的磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)170。磁流變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)170包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件171和制動(dòng)器元件180。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件171包括由高導(dǎo)磁材料制成的、固定的引導(dǎo)板172，該引導(dǎo)板 172固定在外殼蓋173上以引導(dǎo)來(lái)自永磁體174的磁通量。永磁體174包括以環(huán)形方式嵌在由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子175中的若干永磁體。一組軸向線圈176以環(huán)形方式固定在側(cè)板181上，并以N極和S極方式交替放置。圖IlA和圖IlB圖解說(shuō)明了永磁體174、轉(zhuǎn)子175 以及線圈176的前視圖。具有控制電路的霍爾傳感器被用來(lái)感測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間174每個(gè)永磁體的磁場(chǎng)方向的變化，然后調(diào)整線圈176上的電壓以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)永磁體174所需的磁場(chǎng)。制動(dòng)器元件180包括充有磁流變流體的空腔185，空腔185由側(cè)板181、外殼蓋182 和圓筒形的非磁性線軸184限定。線圈183包括纏繞在線軸184上的多匝線圈。使用若干非磁性的間隔環(huán)186將制動(dòng)板187間隔開以在相鄰的制動(dòng)板187與旋轉(zhuǎn)板188之間形成間隙。旋轉(zhuǎn)板188由若干非磁性的間隔環(huán)189隔開，并且被具有法蘭的非磁性軸177和190 和若干緊固件192夾持。軸177固定在轉(zhuǎn)子175上，因此旋轉(zhuǎn)板188能隨著轉(zhuǎn)子175轉(zhuǎn)動(dòng)。 側(cè)板181、外殼蓋182以及兩組板187和188都由高導(dǎo)磁材料形成，從而形成傳送由線圈183 產(chǎn)生的磁通的磁路。根據(jù)上文所述的可作為馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和制動(dòng)器工作的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)電流施加到馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件的外線圈時(shí)，感生的電磁場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并且作為馬達(dá)工作。如果電流僅施加到內(nèi)線圈，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則可作為制動(dòng)器工作，其中制動(dòng)器元件將提供可控制的扭矩輸出。在另一情況下，轉(zhuǎn)子由外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)變成獲取由線圈切割永磁體磁場(chǎng)而產(chǎn)生的能量的發(fā)電機(jī)。雖然在實(shí)施方式中使用了磁流變流體，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，也能夠使用電流變(Ε 流體和/或電磁流變(EMR)流體來(lái)替代磁流變(MR)流體。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本文描述的實(shí)施方式是示例性的，而不是限制性的。在各種實(shí)施方式中公開的技術(shù)特征能夠以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合?？梢栽诒旧暾?qǐng)的范圍和精神內(nèi)對(duì)所描述的實(shí)施方式作各種修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括 馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件，包括由高導(dǎo)磁材料制成的定子，所述定子上纏繞有外線圈； 由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上固定有多個(gè)永磁體；以及空腔，用于容納流體；以及離合器/制動(dòng)器元件，設(shè)置在所述空腔中，所述離合器/制動(dòng)器元件上纏繞有內(nèi)線圈， 其中所述流體能夠在所述內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述流體包括磁流變流體、電流變流體或者電磁流變流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括由非磁性材料制成的隔離層，所述隔離層位于所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件與所述離合器/ 制動(dòng)器元件之間以隔離所述永磁體的磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括由高導(dǎo)磁材料制成的引導(dǎo)層，所述引導(dǎo)層位于所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件與所述離合器/ 制動(dòng)器元件之間以引導(dǎo)由所述內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述定子的內(nèi)部并且在所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)部形成所述空腔，或者所述轉(zhuǎn)子環(huán)繞在所述定子的空腔外部并且在所述定子的內(nèi)部形成所述空腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括由高導(dǎo)磁材料制成的內(nèi)電樞，所述內(nèi)線圈纏繞于所述內(nèi)電樞上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括被多個(gè)非磁性的間隔環(huán)隔開的一組輸入盤和一組輸出盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件還包括由高磁性材料制成的磁芯，所述內(nèi)線圈纏繞在所述磁芯上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件還包括由非磁性材料制成的線軸，所述線軸位于所述輸入盤的外部并且所述內(nèi)線圈纏繞在所述線軸上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括兩個(gè)由高導(dǎo)磁材料制成、具有法蘭的軸，并且所述內(nèi)線圈包括固定在所述法蘭上的多個(gè)軸向線圈。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述外線圈由印刷電路實(shí)現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件具有固定至所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼的軸，所述外殼用于容納所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件和所述離合器/制動(dòng)器元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括 傳感器，感測(cè)所述永磁體的磁場(chǎng)方向的變化；和控制器，根據(jù)感測(cè)到的變化調(diào)整施加到所述外線圈上的電壓以使得所述轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。
14.一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括 馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件，包括 由高導(dǎo)磁材料制成的定子；由高導(dǎo)磁材料制成的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子上固定有多個(gè)永磁體；以及側(cè)板，所述側(cè)板上纏繞有對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)永磁體設(shè)置的一組軸向線圈；以及離合器/制動(dòng)器元件，與所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件同軸，在所述離合器/制動(dòng)器元件上纏繞有內(nèi)線圈，所述離合器/制動(dòng)器元件包括用于容納流體的空腔，所述流體能夠在所述內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述流體包括磁流變流體、電流變流體或者電磁流變流體。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括由非磁性材料制成的隔離層，所述隔離層位于所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件與所述離合器/ 制動(dòng)器元件之間以隔離所述永磁體的磁場(chǎng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括由高導(dǎo)磁材料制成的引導(dǎo)層，所述引導(dǎo)層位于所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件與所述離合器/ 制動(dòng)器元件之間以引導(dǎo)由所述內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁通。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括由高導(dǎo)磁材料制成的內(nèi)電樞，所述內(nèi)線圈纏繞于所述內(nèi)電樞上。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括被多個(gè)非磁性的間隔環(huán)隔開的一組輸入盤和一組輸出盤。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述離合器/制動(dòng)器元件還包括由高磁性材料制成的磁芯，所述內(nèi)線圈纏繞在所述磁芯上。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件還包括由非磁性材料制成的線軸，所述線軸位于所述輸入盤的外部并且所述內(nèi)線圈纏繞在所述線軸上。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括兩個(gè)由高導(dǎo)磁材料制成的、具有法蘭的軸，所述內(nèi)線圈包括固定在所述法蘭上的多個(gè)軸向線圈。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述外線圈由印刷電路實(shí)現(xiàn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中所述離合器/制動(dòng)器元件包括固定至所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外殼的軸，所述外殼用于容納所述馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件和所述離合器/制動(dòng)器元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括傳感器，感測(cè)所述永磁體的磁場(chǎng)方向的變化；和控制器，根據(jù)感測(cè)到的變化調(diào)整施加到所述外線圈上的電壓以使得所述轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
提供了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件和離合器/制動(dòng)器元件。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)元件包括由高導(dǎo)磁材料制成、纏繞有外線圈的定子；由高導(dǎo)磁材料制成、并且固定有多個(gè)永磁體的轉(zhuǎn)子；以及容納流體的空腔。離合器/制動(dòng)器元件設(shè)置在空腔內(nèi)。離合器/制動(dòng)器元件上纏繞有內(nèi)線圈。流體能夠響應(yīng)在內(nèi)線圈感生的電磁場(chǎng)的作用下而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
文檔編號(hào)H02K7/10GK102349218SQ201080011735
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者廖維新, 郭洪濤 申請(qǐng)人:香港中文大學(xué)