磁性致动器及包括该磁性致动器的齿轮系统的制作方法

本公开涉及一种磁性致动器，该磁性致动器能够例如是，但非必要地是，能够产生相互不同的传动比的齿轮系统的齿轮切换器的一部分。此外，本公开涉及一种齿轮系统，该齿轮系统包括至少一个磁性致动器，用于控制该齿轮系统产生可选择的传动比中的期望传动比。

背景技术：

在许多应用中，存在对这样的联接设备的需要，在该联接设备的辅助下，能够使旋转物体联接或脱开。并不限制一般性，只是示例的目的，我们考虑一种齿轮系统，该齿轮系统包括设有第一带齿轮的第一轴以及设有第二带齿轮的第二轴。第二带齿轮中的每一个带齿轮均能够从并且向第二轴传递扭矩，并与第一带齿轮中的相应的带齿轮啮合。在此示例性情形中，上述第一和第二轴之间的传动比能够通过以下方式选择，即，以扭矩传递方式将第一带齿轮中的期望的一个带齿轮锁定到第一轴，并允许第一带齿轮中的另外的一个或多个带齿轮相对于第一轴自由旋转。因此，存在对这样的联接设备的需要，在该连接设备的辅助下，在第一带齿轮中的期望的一个带齿轮能够以扭矩传递方式锁定到第一轴，而第一带齿轮中的其它一个或多个带齿轮自由旋转。

传统的联接设备通常包括套环元件，所述套环元件中的每一个套环元件能够向以及从第一轴传递扭矩，并且能够关于第一轴在轴向方向上滑动。每个套环元件包括锯齿状部，例如爪式离合器齿，所述锯齿状部能够以扭矩传递方式锁定到第一带齿轮中的一个带齿轮的对应的锯齿状部。此外，联接设备可包括同步装置，诸如锥形离合器，用于使适当的带齿轮和适当的套环元件的旋转速度在在所考虑的带齿轮和套环元件之间形成扭矩传递联接之前同步。通常，联接设备还包括换档拨叉，换档拨叉用于在轴向方向上移动套环元件。每个套环元件的外表面通常具有用于对应的换档拨叉的周向狭槽。换档拨叉能够用机械、液压、气动和/或电气装置来操作，以便在每一种情形中具有期望的传动比。

然而，上述类型的联接设备并不是没有问题。其中一个问题涉及到需要布置换档拨叉，使得由换档拨叉指向套环元件的力是轴向指向的并且关于轴对称，从而换档拨叉不倾向于将套环元件扭曲。此外，在一些情形中，套环元件和换档拨叉之间的摩擦可能会产生问题，这是因为可能在套环元件和换档拨叉之间的接触表面之间产生极大的速度差异，由此，即使适度摩擦力也可对应于极大的瞬时发热功率。

公开文件US5827148描述了一种用于操作齿轮系统的磁性致动器。该磁性致动器包括套环元件，套环元件能够向被套环元件围绕的轴传递扭矩并且从该轴传递扭矩。套环元件能够在轴向方向上关于轴滑动。该套环元件包括用于以扭矩传递方式锁定到齿轮系统的带齿轮的锯齿状部。

公开文件US2002008601描述了一种磁性致动器，其包括：环形线圈；磁轭，磁轭围绕该线圈的外周，并且具有布置成在线圈的中心孔的相对端侧上彼此面对的齿；以及圆柱形永磁体，该永磁体布置在线圈的中心孔中。圆柱形永磁体具有径向指向的磁化，并且能够在轴向方向上移动。

公开文件WO2007034195描述了一种磁性致动器，其包括布置在电枢铁芯上的环形永磁体，用以在布置为与电枢铁芯同心相关的线圈通电时在管状的定子中轴向移动。永磁体具有径向指向的磁化。

技术实现要素：

下面给出了简要概述，以提供本实用新型的各种实施例的一些方面的基本理解。该概述不是本实用新型的广泛综述。其既不旨在标识本实用新型的关键或重要元件，也不描绘本实用新型的范围。以下概述仅更加详细地描述在本实用新型的示例性实施例的之前，以简化形式呈现本实用新型的一些概念。

根据本实用新型，提供了一种新的磁性致动器，该磁性致动器能够例如是，但非必要地是，能够产生相互不同的传动比的齿轮系统的齿轮切换器的一部分。

根据本实用新型的磁性致动器包括套环元件，该套环元件能够向从被该套环元件围绕的轴传递扭矩并且从改轴传递扭矩，并且能够在轴向方向上关于所述轴滑动。套环元件包括锯齿状部，用于在套环元件处于关于轴的第一轴向位置时以扭矩传递方式锁定到配对体，例如带齿轮。磁性致动器还包括线圈，该线圈围绕套环元件，以便产生周向电流密度，其中套环元件能够在轴向方向上关于线圈移动，并且传导由线圈的电流产生的磁通的磁路的磁阻取决于套环元件的轴向位置。套环元件包括永磁材料，用于产生轴向力，以在线圈承载在第一方向上流动的电流时使套环元件向第一位置移动，而在线圈承载在与第一方向相反的第二方向上流动的电流时使套环元件向第二位置移动。磁性致动器还包括供应装置，所述供应装置布置为向线圈提供测量电流。磁性致动器还包括处理系统，所述处理系统布置为根据由线圈对测量电流构成的阻抗来检测套环元件的轴向位置。

由于套环元件在通过永磁材料和由线圈承载的电流所产生的轴向力的辅助下操作，所以不需要机械装置来在轴向方向上移动套环元件。线圈的阻抗取决于套环元件的轴向位置，这是因为上述的磁阻取决于轴向位置，并且从而线圈的电感取决于套环元件的轴向位置。因此，能够根据线圈的阻抗来检测套环元件的轴向位置。

根据本实用新型，还提供了一种新的齿轮系统，该齿轮系统包括：

-齿轮组件，所述齿轮组件能够产生的彼此不同的传动比，以及

-至少一个根据本实用新型的磁性致动器，磁性致动器用于控制齿轮组件产生所述传动比中的选择的一个传动比。

本实用新型的各种示例性且非限制性实施例既涉及结构又涉及操作方法，将在结合附图阅读时，从特定的示例性且非限制性实施例的以下描述中最好地理解其另外的目的以及优势。

动词“包括”和“包含”在本文献中用作开放性限制，既不排除亦不需要未列举的特征的存在。此外，要理解的是，“一”或“一个”，即，单数形式的使用在整个文献中并不排除多个。

附图说明

本实用新型的示例性且非限制性实施例及其优势将在下面的示例的意义上并参照附图更详细地说明，其中：

图1a、图1b和图1c示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器，

图2示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器的细节，

图3示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的齿轮系统，并且

图4示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器。

具体实施方式

以下描述中提供的具体示例不应被解释为对权利要求的范围和/或适用性的限制。该描述中提供的示例的清单和组合不是穷尽的，除非另有明确说明。

图1a、图1b和图1c示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器100。磁性致动器包括套环元件101，套环元件101能够向轴108传递扭矩并且从轴108传递扭矩，轴108被该套环元件围绕。此外，套环元件101能够在轴向方向关于轴108滑动。在图1a-1c中，轴向方向平行于坐标系199的z轴线。套环元件101的孔可包括例如花键齿，用于匹配设置在轴108的外周上的对应的花键齿。还能够使用在轴和套环元件之间提供传递扭矩关系并允许套环元件关于轴轴向移动的其它装置。例如，套环元件的孔和轴的外周能够设有轴向狭槽，并且在狭槽中能够具有楔形件，以便以扭矩传递方式连接轴和套环元件。在图1a-1c中，以部分剖视图示出套环元件101，其中剖视平面平行于坐标系199的y-z平面。套环元件101包括锯齿状部，用于在套环元件处于关于配对体的适当轴向位置时，以扭矩传递方式锁定到配对体121。在图1a-1c中，套环元件101的锯齿状部中的两个锯齿状部用附图标记102来表示。在图1a-1c所示的示例性情形中，配对体121为带齿轮，并且配对体121的锯齿状部中的两个锯齿状部用附图标记111表示。磁性致动器进一步包括围绕套环元件的线圈103。在图1a-1c中，以剖面视图示出线圈103和支撑线圈的框架结构109，其中剖视平面平行于坐标系199的y-z平面。

套环元件101包括永磁材料104，永磁材料104用于在线圈103承载电流时产生作用在套环元件上的轴向力。永磁材料104能够是，例如钕-铁-硼“NIB”、钐钴“SmCo”或一些其它合适的永磁材料。在图1a-1c中，由永磁材料104所产生的磁通的示例性磁通线由设有箭头的封闭曲线表示。力密度f，N/m³，为j×B，其中j是电流密度，A/m²，而B是磁通量密度，Vs/m²。如能够图1a-1c所看到，由永磁材料导引到线圈103的磁通量密度是大致径向的，而线圈中的电流密度是周向的。因此，力密度是大致轴向的，并且由此作用在框架结构109和作用在套环元件101上的彼此相反的力F和-F是大致轴向的。图1a示出了这样的示例性情形，其中套环元件101处于第一轴向位置，使得套环元件以扭矩传递方式与配对体121联接，并且电流在第一方向上流动且因此作用在套环元件上的轴向力沿着坐标系199的负z方向。图1b示出了这样的示例性情形，其中电流在与第一方向相反的第二方向上流动且因此作用在套环元件101上的轴向力沿着坐标系199的正z方向，并且套环元件已经在正z方向上从图1a所示的第一轴向位置移动。图1c示出了这样的示例性情形，其中电流在第二方向上流动且因此作用在套环元件101上的轴向力沿着正z方向，并且套环元件不再与配对体121处于扭矩传递关系。

在图1a-1c中所示的示例性磁性致动器中，永磁材料104具有径向指向的磁化，并且该永磁材料被布置成为同轴地围绕套环元件101和轴108的旋转轴线。因此，磁通量密度分布关于旋转轴线大体旋转对称。径向对称的磁通量密度分布在如下方面是有利的，即，当轴和套环元件旋转时，其不会在框架结构109中导致磁通量密度的变化。磁通量密度的变化是不希望的，这是因为它们会导致框架结构109中的磁滞和/或涡流损耗。

图2示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器的套环元件201的永磁体设备。图2示出了套环元件的剖视图，使得剖视平面垂直于套环元件的旋转轴线和坐标系299的z轴。在该示例性情形中，永磁材料构成单独的块，所述单独的块中的两块在图2中用附图标记205和206表示。永磁材料的每一块具有径向的磁化方向。在图2中，块的磁化方向用箭头表示。在此示例性情形中，套环元件201还包括支撑环207，支撑环207有利地由铁磁材料制成，以在周向方向上平滑磁通量密度分布。

值得注意的是，上述介绍的径向磁化的永磁材料并非用于产生径向导引到线圈的磁通的唯一可能的设备。作为另一个示例，还能够使用轴向磁化的永磁材料，并且向套环元件设置合适的铁磁磁通引导部，使得磁通引导部将磁通径向地导引到线圈。

在图1a-1c中示出的示例性磁性致动器中，包括永磁材料104的磁路的磁阻取决于套环元件101的轴向位置。这能够实现为例如使得框架结构109的材料的导磁率μ大于线圈103的磁导率。在图1b所示的情形中，磁阻处于其最大值，这是因为永磁材料104和线圈103彼此对准。在图1a和1c所示的轴向位置中，存在磁阻的最小值，并且因此当在线圈103中没有电流时，套环元件101通过永磁材料保持在图1a和1c所示的轴向位置中的每一个位置处。因此，无需电流将套环元件101保持在图1a和1c所示的轴向位置中的每一个位置处。

图4示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的磁性致动器400。磁性致动器400包括套环元件401、线圈403和永磁材料404。套环元件包括锯齿状部402，用于在套环元件处于关于轴的第一轴向位置中时以扭矩传递方式锁定到配对体。配对体未在图4中示出。磁性致动器400以上述方式运行，使得无需电流将套环元件401保持在两个预定的轴向位置中的每一个位置中，所述两个预定的轴向位置中的一个为上述的第一轴向位置。

在图1a-1c所示的示例性磁性致动器中，传导由线圈103的电流产生的磁通的磁路的磁阻取决于套环元件101的轴向位置。这能够实现为例如使得套环元件101的主体110的材料的磁导率和框架结构109的材料的磁导率比空气的磁导率大，并且主体110和框架结构119之间的气隙在轴向方向上不恒定。磁性致动器包括：供应装置112，用于向线圈103供应测量电流i_M；以及处理系统113，处理系统113根据由线圈103对测量电流构成的阻抗来检测套环元件101的轴向位置。在图1a-1c中，用于使套环元件101在轴向方向上移动的电流表示为i_D。

线圈103的阻抗取决于套环元件101的轴向位置，这是因为上述的磁阻取决于轴向位置，并且由此线圈103的电感取决于套环元件的轴向位置。测量电流i_M能够是正弦或非正弦的。在其中测量电流i_M不是正弦的示例性情形中，供应装置112被构造成产生包括一个或多个方形电压脉冲的测量电压u_M。在此示例性情形中，处理系统113能够被构造成根据在测量电压u_M的每个上升沿或下降沿之后的测量电流i_M的变化率来检测套环元件101的轴向位置。

处理系统113能够用一个或多个处理器电路实现，所述一个或多个处理器电路每一个均能够是设有适当的软件的可编程处理器电路、专用的硬件处理器，例如，专用集成电路“ASIC”，或可构造硬件处理器，例如，现场可编程门阵列“FPGA”。

图3示出了根据本实用新型的示例性且非限制性实施例的齿轮系统。该齿轮系统包括能够产生相互不同的可选择传动比的带齿轮组件。该齿轮系统包括磁性致动器300，用于控制带齿轮组件产生所述可选择传动比中的期望的一个传动比。在此示例性情形中，带齿轮组件包括设有第一带齿轮321和323的第一轴308和设有第二带齿轮322和324的第二轴325。第二带齿轮322和324中的每一个均能够向第二轴325传递扭矩并且从第二轴325传递扭矩，并且与第一带齿轮321和323中的对应的一个啮合。磁性致动器300适于确定第一带齿轮中的哪一个带齿轮能够向第一轴308传送扭矩并且从第一轴308传送扭矩。磁性致动器包括套环元件301，套环元件301能够向第一轴308传递扭矩并且从第一轴308传递扭矩，并且能够在轴向方向上关于第一轴滑动。所述轴向方向平行于坐标系399的z轴。套环元件301包括锯齿状部，用于在套环元件处于第一轴向位置时以扭矩传递方式锁定到带齿轮321的对应的锯齿状部，并且在套环元件处于第二轴向位置时以扭矩传递方式锁定到带齿轮323的对应的锯齿状部。磁性致动器300包括线圈303，并且套环元件包括永磁材料304，用于产生轴向力，以便在线圈承载在第一方向上流动的电流时使套环元件向第一轴向位置移动，而在线圈承载在与第一方向相反的第二方向上流动的电流时使套环元件向第二轴向位置移动。图3示出了这样的示例性情形，其中套环元件301处于第二轴向位置，因此通过带齿轮323和324构成机械动力传递路径。在图3示出的示例性齿轮系统中，存在两个可选择的传动比。在根据本实用新型的另一个示例性且非限制性实施例的齿轮系统中，具有超过两个可选择传动比以及两个或更多个上述类型的磁性致动器。

磁性致动器300还可以包括同步装置，用于使套环元件301和带齿轮321或323的旋转速度在在所考虑的套环元件和带齿轮之间形成扭矩传递联接之前同步。该同步装置可包括例如具有锥形表面的元件，所述锥形表面用于在形成上述扭矩传递联接之前与附接到带齿轮321和323的对应的锥形表面接触。在图3中，附接到带齿轮321的锥形表面用附图标记326表示。