专利名称：多功能磁流变驱动机构的制作方法
技术领域：
本申请涉及磁流变(MR)驱动机构，尤其涉及可兼具马达、发电机、制动器和/或离合器功能的磁流变驱动机构。
背景技术：
驱动机构是用于移动或控制机械装置或系统的功能装置。驱动机构能被划分为主动式或半主动式驱动机构。如电动马达的主动式驱动机构消耗大量功率，并且在出现输出过载时难以立即停止其扭力输出。最广泛用于马达制动的方法是注入反向直流或者使用外部制动器或斩波器。这些方法导致大的功耗并且在长期使用时可能会损坏装置。基于磁流变流体的驱动机构在半主动方式时工作良好，且消耗较少功率。磁流变流体是由低导磁基液和铁颗粒或粉末构成的悬浮液。在磁场的影响下，流体的流变行为改变。流动阻力随磁通量密度的增加而显著加大。这些流体的流变特性，如粘性和剪切应力， 在几微秒内快速改变，并且这些流变特性在施加磁场时是可逆的。磁流变流体具有许多优势。其在磁场作用下时可产生高屈服应力并消耗较少功率。其还具有较好的稳定性和快速的响应时间。此外，其可以在较宽的温度范围内工作。磁流变流体已用于多种能量耗散和转移装置中，例如，减震器、离合器、制动器、发动机支架等等。在以上应用中，电磁元件被用作磁场源。通过改变施加到线圈上的电流，磁场能相应地改变，并且由磁流变流体产生的屈服应力也相应改变。与此同时，随着科学和技术的发展，如机器人和医疗设备等许多精密工程应用需要驱动系统来进行所需的复杂任务。在许多情况下，这些应用中使用的驱动机构被期望具有不只一个功能。然而，并没有驱动机构能够在一个设备中兼具马达、发电机、离合器和制动器的功能。
发明内容
根据本申请的一个实施方式的一种驱动机构，包括马达/发电机元件，包括由高导磁材料制成的定子，所述定子上缠绕有外线圈；由高导磁材料制成的转子，所述转子上固定有多个永磁体；以及空腔，用于容纳流体；以及离合器/制动器元件，设置在所述空腔中，所述离合器/制动器元件上缠绕有内线圈，其中所述流体能够在所述内线圈感生的电磁场的作用下而产生剪切应力。
根据本申请的另一实施方式的一种驱动机构，包括马达/发电机元件，包括由高导磁材料制成的定子；由高导磁材料制成的转子，所述转子上固定有多个永磁体；以及侧板，所述侧板上缠绕有对应于所述多个永磁体设置的一组轴向线圈；以及离合器/制动器元件，与所述马达/发电机元件同轴，在所述离合器/制动器元件上缠绕有内线圈，所述离合器/制动器元件包括用于容纳流体的空腔，所述流体能够在所述内线圈感生的电磁场的作用下而产生剪切应力。
图IA和IB图解说明了根据本申请的驱动机构中使用的一种离合器/制动器元件；图2A和2B图解说明了根据本申请的驱动机构中使用的另一种离合器/制动器元件；图3图解说明了根据本申请的第一实施方式的驱动机构；图4图解说明了根据本申请的第二实施方式的驱动机构；图5A和5B图解说明了图4中的驱动机构的内线圈的分解图和前视图；图6图解说明了根据本申请的第三实施方式的驱动机构；图7图解说明了根据本申请的第四实施方式的驱动机构；图8图解说明了根据本申请的第五实施方式的驱动机构；图9图解说明了根据本申请的第六实施方式的驱动机构；图10图解说明了根据本申请的第七实施方式的驱动机构；以及图IlA和IlB图解说明了图10中的驱动机构的永磁体、转子以及线圈的前视图。
具体实施例方式在本申请中公开了一种可以具有马达、发电机、制动器以及离合器功能的磁流变驱动机构。一般来说，根据本申请的一个实施方式的磁流变驱动机构包括马达/发电机元件和离合器/制动器元件。本申请中的马达/发电机元件包括缠绕有外线圈的定子和具有永磁体的转子。定子可由高导磁材料制成。缠绕在定子上的外线圈提供电磁场以驱动固定于转子上的永磁体。转子的方向可以用检测永磁体的磁通量方向的传感器(例如霍尔传感器)来检测。可选地，转子的方向也可以利用在非导通相绕组中检测反向电动势来进行间接转子位置判断。外线圈上的电压可由控制器根据检测到的结果而改变，以便确保转子保持旋转。通常， 马达/发电机元件可以有内转子型、外转子型或者轴向转子型等结构形式。由马达/发电机元件形成的空腔用于将离合器/制动器元件和磁流变流体放置于其内。离合器/制动器元件可以由具有槽和极靴(shoe)的内电枢实现。在这种情况下， 内线圈缠绕在内电枢的每个极靴上。在图IA和IB中示出了一个实施例中的离合器/制动器元件1。如图所示，离合器/制动器元件1包括内线圈2、内电枢3以及轴4。多匝线圈缠绕在内电枢3上，内电枢3由高导磁材料以叠片形式制成并具有如图IB所图示的极靴5和槽6。轴4安装在内电枢3内以传输扭矩。可利用由高导磁材料制成的附加的引导层将由内线圈产生的磁通弓I导通过磁流变流体。可选地，离合器/制动器元件可以通过被非磁性间隔环隔开的多个输入盘和输出盘实现，非磁性间隔环在多个输入盘和输出盘之间形成间隙以容纳磁流变流体。输出盘和间隔环可以由具有法兰的轴夹持。在图2A和2B中示出了一个实施例中的离合器/制动器元件7。如图所示，离合器/制动器元件7包括一组输入盘9和一组输出盘10，每个输入盘 9之间和每个输出盘10之间都被输入间隔环8和输出间隔环12分隔开。使用两个轴11和 13来固定这些板并传输扭矩。在这种情况下，离合器/制动器元件中的内线圈可以由内置型线圈、外置型线圈、或轴向型线圈形成。对于内置型内线圈来说，该线圈缠绕在由杆形成的空腔中的磁芯上以提供电磁场。对于外置型内线圈来说，该线圈缠绕在输入/输出盘外部的非磁性筒上，而不是缠绕在内芯上。对于轴向型内线圈来说，该线圈包括安装在两个法兰上的两组轴向环形线圈组成。 两组线圈提供相反的磁场方向。根据这些结构，当电流施加到马达/发电机元件的外线圈时，将会感生出电磁场， 该电磁场将驱动转子转动然后提供主动扭矩输出。因此，该驱动机构作为马达使用。如果对内线圈也施加电流，那么磁流变流体会在由内线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力。因此，离合器/制动器元件将来自转子的扭矩传输至外部，充当离合器。在另一运行情况下，当仅给内线圈施加电流时，驱动机构具有制动器的功能。在这种情况下，没有电流施加到定子线圈，如果转子由外部负载驱动，驱动机构则作为发电机工作以收集由线圈剪切永磁体的磁场而产生的能量。相应地，具有以上结构的驱动机构能根据需要作为马达、发电机、制动器、以及离合器使用。在一个变体中，如果离合器/制动器元件的轴固定于具有以上各种结构的驱动机构的外壳，那么磁流变驱动机构仍能具有马达、发电机和制动器的功能。类似地，当电流施加到马达/发电机元件的外线圈时，感生的电磁场将驱动转子转动并作为马达工作。如果电流仅施加到内线圈，那么驱动机构具有制动器的功能，这里制动器元件将提供可控制的扭矩。在转子由外部负载驱动的情况下，驱动机构变成发电机以收集由线圈剪切永磁体磁场而产生的能量。在下文中，将参考附图详细地描述根据本申请的驱动机构的示例性的实施方式。参见图3，该图示出了根据本申请的第一实施方式的磁流变驱动机构15。磁流变驱动机构15包括马达/发电机元件30和离合器/制动器元件40，马达/发电机元件30和离合器/制动器元件40均处于由外壳20限定的空腔21内。外壳20可以包括圆筒24，圆筒M由两个侧板22和23支持以提供用于容纳马达/发电机元件30和离合器/制动器元件40的空间。马达/发电机元件30可包括固定的叠片式定子31，定子31包括外线圈34。定子31通常由高导磁材料以叠片形式制成以提供所需的磁场并改善定子31产生的涡流的影响。外线圈34包括缠绕在定子31上的多匝线圈，并且在被施加有电流时外线圈34可建立电磁场。马达/发电机元件30还可包括转子33，转子33可具有圆筒形形状并且也可由高导磁材料制成。定子31和以圆形方式绕转子33分布的多个永磁体32限定处于定子31和永磁体32之间的圆筒形气隙36。每个永磁体32的磁场方向交替地与转子33上的N极和S极对准。具有控制电路35的传感器(例如霍尔传感器)被用来感测转子旋转期间永磁体32的磁场方向的变化，然后调整外线圈34上的电压以产生用于驱动永磁体32所需的磁场。因此，转子33能连续旋转。在该实施方式中示出的离合器/制动器元件40处于如在图IA中示出的离合器/ 制动器元件1的形式。离合器/制动器元件40设置在马达/发电机元件30内部限定的空腔41中。具体来说，在这个实施方式中的空腔41由转子33、隔离层42、外壳盖43和引导层 44限定。隔离层42由非磁性材料制成并且被固定在转子33内部以隔离永磁体32的磁场， 而引导层44由高导磁材料制成以引导来自内电枢46的磁通。外壳盖43由高导磁材料制成以形成用于离合器/制动器元件40的磁屏蔽。在这个实施方式中，离合器/制动器元件 40包括内电枢46和内线圈45，内电枢46由高导磁材料制成，内线圈45包括缠绕在内电枢 46上的多匝线圈。磁流变流体填充在空腔41内并在内线圈45产生的磁通作用下而产生剪切应力，内线圈45处于由引导层44限定的间隙47与内电枢46之间，并可由壳(shell) 53 覆盖。具有孔52的轴50由轴承件48、49和M支承。孔52用于将线延伸至外部。可以使用密封件51来提供动态密封，以防止磁流变流体从空腔41泄露，并且不阻碍磁流变驱动机构的旋转运动。参见图4，该图示出了根据本申请的第二实施方式的磁流变驱动机构60。与驱动机构15类似，驱动机构60包括马达/发电机元件61和离合器/制动器元件62。驱动机构 15与驱动机构60之间的差异在于离合器/制动器元件62处于如图2A所示出的离合器/ 制动器元件7的形式。在这个实施方式中，内线圈65是轴向型内线圈，其包括安装在法兰上的以环形方式放置的两组轴向型线圈。两组线圈分别提供相反的磁场方向。分别在图5A 和5B中图解说明了内线圈65的分解图和前视图。在由内线圈65产生的电磁场下，磁流变流体内的输入盘63和输出盘64将产生扭矩以根据是否有电流施加到外线圈来作为离合器或者制动器工作。内线圈65包括固定在具有法兰的轴66和67上的一组轴向型线圈。法兰由高导磁材料制成并且两组线圈的磁方向彼此相反。因此，由内线圈65产生的磁通能穿透输入盘63和输出盘64以提供所需扭矩。参见图6，该图示出了根据本申请的第三实施方式的磁流变驱动机构69。磁流变驱动机构69的结构与磁流变驱动机构60类似。磁流变驱动机构69包括马达/发电机元件70和离合器/制动器元件80，马达/发电机元件70和离合器/制动器元件80都处于由该驱动机构的外壳限定的空腔内。马达/发电机元件70包括固定的叠片式定子72，定子72包括外线圈74。定子72 通常由高导磁材料以叠片形式制成，以提供所需的磁场并改善定子72中产生的涡流的影响。外线圈74包括缠绕在定子72上的多匝线圈，并在施加有电流时产生电磁场。若干轴向孔71A和71B以环形方式在侧板上均布，使得循环空气能穿过轴向孔7IA和71B从而将外线圈74产生的热量排出。每个永磁体76的磁场方向交替地与由高导磁材料制成的转子 81上的N极和S极对准。具有控制电路75的霍尔传感器被用来感测旋转期间永磁体76的磁场方向的变化，然后通过调整外线圈74上的电压以产生驱动永磁体76所需的磁场。因此，转子81能连续旋转。离合器/制动器元件80包括由外壳盖73和外壳筒77限定的空腔90，空腔90中充有磁流变流体。内线圈83包括缠绕在由高导磁材料制成的磁芯82上的多匝线圈，并且内线圈83被非磁性绝缘层88和一组输出盘86覆盖。输出盘86由若干非磁性的间隔环85 隔开并且用若干非磁性的紧固件94夹在两个具有法兰的轴92和93之间。一组输入盘87 位于外壳筒77的下方并且在相邻的输出盘86之间轴向地伸出，相邻的输出盘86由非磁性的间隔环84间隔开。输入盘87、输出盘86以及两个轴92和93都由高导磁材料制成，以形成用于传导由内线圈83产生的磁通的磁路。内线圈83的线通过孔91伸出到磁流变驱动机构69的外部。由非磁性材料制成的外壳盖73和外壳筒77由轴承支承。参见图7，该图示出了根据本申请的第四实施方式的磁流变驱动机构100。磁流变驱动机构100的结构与磁流变驱动机构69类似。与磁流变驱动机构69不同的是，内线圈 110处于输入/输出盘的外围并且位于转子107的下方。内线圈110缠绕在由非磁性材料制成的线轴101上，线轴101具有孔105用于排出来自内线圈110的热量。被非磁性的紧固件111固定的转子107和转子盖106均由高导磁材料制成，从而形成导通的磁路。由非磁性材料制成的密封环103被夹在转子107和转子盖106之间。内线圈110的线通过孔102 伸出到离合器/制动器元件的外部。非磁性的紧固件104被用来固定均由非磁性材料制成的并具有法兰的轴108和109。在以上实施方式中，马达/发电机元件具有内置型转子结构，在这种结构中，转子设置在定子的内部，而放置离合器/制动器元件的空腔位于转子的内部。如上文所述，马达 /发电机元件还可以有其它结构，例如外置型转子和轴向型转子结构。在这些结构中，离合器/制动器元件也可设置在位于于马达/发电机元件内部的空腔中。在图8和10中分别示出了外置型转子结构和轴向型转子结构，下文将对其进行描述。以上所讨论的是根据本申请的具有马达、发电机、离合器以及制动器四种功能的磁流变驱动机构。当电流施加到马达/发电机元件的外线圈时，将感生出电磁场，该电磁场可驱动转子转动并提供主动扭矩。因此该驱动机构可以充当马达。如果内线圈也被施加有电流时，磁流变流体将在内线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力。因此，离合器/制动器元件能将来自转子的扭矩传输到外部，作为离合器工作。在另一操作中，当仅对内线圈施加电流时，驱动机构作为制动器工作。在这种情况下，当没有电流施加到定子线圈时，如果转子由外部负载驱动，那么驱动机构变成发电机，获取由线圈剪切永磁体磁场而产生的能量。作为一个变体，本申请还公开了具有马达、发电机和制动器三种功能的磁流变驱动机构，以下将参考附图8-11对其进行描述。在具有马达、发电机和制动器三种功能的磁流变驱动机构中，离合器/制动器元件的轴与该驱动机构的外壳固定。参见图8，该图示出了根据本申请的第五实施方式的磁流变驱动机构119。通常来说，磁流变驱动机构119包括马达/发电机元件120和制动器元件130。与具有以内置型转子的磁流变驱动机构15、60、69以及100不同的是，磁流变驱动机构119具有环绕在定子 121外部的外部转子126。外壳盖122和124限定用于容纳马达/发电机元件120和制动器元件130的环状腔。马达/发电机元件120包括固定的叠片式定子121，该定子121通常由高导磁材料制成以提供磁场。外线圈123包括缠绕在定子121上的多匝线圈，并在施加有电流时建立电磁场。定子121固定在由高导磁材料制成的圆筒形基座125上，并且与驱动机构的外壳盖122接合以固定定子121并限定用于容纳制动器元件130的空间。制动器元件130包括外壳盖132、133以限定用于填充磁流变流体的空腔。由非磁性材料制成的圆筒形隔离环131充当缠绕内线圈134的线轴。图8中示出的制动器元件 130处于图2A中的离合器/制动器元件7的形式。轴135固定在转子1 上，因此旋转板 136将随转子1 转动。制动板137和旋转板136均由与外壳盖132和133相同的高导磁材料制成，从而形成磁路以传送由内线圈1 ；34产生的磁通。参见图9，该图示出了根据本申请的第六实施方式的磁流变驱动机构140。与磁流变驱动机构69类似，磁流变驱动机构140包括马达/发电机元件141和制动器元件143。 磁流变驱动机构140与69的主要不同的元件在于外壳盖142和具有法兰的轴144，其中轴 144固定于外壳盖142中。参见图10，该图示出了根据本申请的第七实施方式的磁流变驱动机构170。磁流变驱动机构170包括马达/发电机元件171和制动器元件180。马达/发电机元件171包括由高导磁材料制成的、固定的引导板172，该引导板 172固定在外壳盖173上以引导来自永磁体174的磁通量。永磁体174包括以环形方式嵌在由高导磁材料制成的转子175中的若干永磁体。一组轴向线圈176以环形方式固定在侧板181上，并以N极和S极方式交替放置。图IlA和图IlB图解说明了永磁体174、转子175 以及线圈176的前视图。具有控制电路的霍尔传感器被用来感测转子旋转期间174每个永磁体的磁场方向的变化，然后调整线圈176上的电压以产生用于驱动永磁体174所需的磁场。制动器元件180包括充有磁流变流体的空腔185，空腔185由侧板181、外壳盖182 和圆筒形的非磁性线轴184限定。线圈183包括缠绕在线轴184上的多匝线圈。使用若干非磁性的间隔环186将制动板187间隔开以在相邻的制动板187与旋转板188之间形成间隙。旋转板188由若干非磁性的间隔环189隔开，并且被具有法兰的非磁性轴177和190 和若干紧固件192夹持。轴177固定在转子175上，因此旋转板188能随着转子175转动。 侧板181、外壳盖182以及两组板187和188都由高导磁材料形成，从而形成传送由线圈183 产生的磁通的磁路。根据上文所述的可作为马达、发电机和制动器工作的驱动机构，当电流施加到马达/发电机元件的外线圈时，感生的电磁场可驱动转子旋转并且作为马达工作。如果电流仅施加到内线圈，驱动机构则可作为制动器工作，其中制动器元件将提供可控制的扭矩输出。在另一情况下，转子由外部负载驱动，此时驱动机构变成获取由线圈切割永磁体磁场而产生的能量的发电机。虽然在实施方式中使用了磁流变流体，对本领域技术人员显然的是，也能够使用电流变(Ε 流体和/或电磁流变(EMR)流体来替代磁流变(MR)流体。本领域技术人员可以理解本文描述的实施方式是示例性的，而不是限制性的。在各种实施方式中公开的技术特征能够以任何适当的方式组合。可以在本申请的范围和精神内对所描述的实施方式作各种修改和变形。
权利要求
1.一种驱动机构，包括 马达/发电机元件，包括由高导磁材料制成的定子，所述定子上缠绕有外线圈； 由高导磁材料制成的转子，所述转子上固定有多个永磁体；以及空腔，用于容纳流体；以及离合器/制动器元件，设置在所述空腔中，所述离合器/制动器元件上缠绕有内线圈， 其中所述流体能够在所述内线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力。
2.根据权利要求1所述的驱动机构，其中所述流体包括磁流变流体、电流变流体或者电磁流变流体。
3.根据权利要求1所述的驱动机构，还包括由非磁性材料制成的隔离层，所述隔离层位于所述马达/发电机元件与所述离合器/ 制动器元件之间以隔离所述永磁体的磁场。
4.根据权利要求1所述的驱动机构，还包括由高导磁材料制成的引导层，所述引导层位于所述马达/发电机元件与所述离合器/ 制动器元件之间以引导由所述内线圈产生的磁通。
5.根据权利要求1所述的驱动机构，其中所述转子设置在所述定子的内部并且在所述转子的内部形成所述空腔，或者所述转子环绕在所述定子的空腔外部并且在所述定子的内部形成所述空腔。
6.根据权利要求5所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括由高导磁材料制成的内电枢，所述内线圈缠绕于所述内电枢上。
7.根据权利要求5所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括被多个非磁性的间隔环隔开的一组输入盘和一组输出盘。
8.根据权利要求7所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件还包括由高磁性材料制成的磁芯，所述内线圈缠绕在所述磁芯上。
9.根据权利要求7所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件还包括由非磁性材料制成的线轴，所述线轴位于所述输入盘的外部并且所述内线圈缠绕在所述线轴上。
10.根据权利要求7所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括两个由高导磁材料制成、具有法兰的轴，并且所述内线圈包括固定在所述法兰上的多个轴向线圈。
11.根据权利要求1所述的驱动机构，其中所述外线圈由印刷电路实现。
12.根据权利要求1所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件具有固定至所述驱动机构的外壳的轴，所述外壳用于容纳所述马达/发电机元件和所述离合器/制动器元件。
13.根据权利要求1所述的驱动机构，还包括 传感器，感测所述永磁体的磁场方向的变化；和控制器，根据感测到的变化调整施加到所述外线圈上的电压以使得所述转子能够连续地旋转。
14.一种驱动机构，包括 马达/发电机元件，包括 由高导磁材料制成的定子；由高导磁材料制成的转子，所述转子上固定有多个永磁体；以及侧板，所述侧板上缠绕有对应于所述多个永磁体设置的一组轴向线圈；以及离合器/制动器元件，与所述马达/发电机元件同轴，在所述离合器/制动器元件上缠绕有内线圈，所述离合器/制动器元件包括用于容纳流体的空腔，所述流体能够在所述内线圈感生的电磁场作用下而产生剪切应力。
15.根据权利要求14所述的驱动机构，其中所述流体包括磁流变流体、电流变流体或者电磁流变流体。
16.根据权利要求14所述的驱动机构，还包括由非磁性材料制成的隔离层，所述隔离层位于所述马达/发电机元件与所述离合器/ 制动器元件之间以隔离所述永磁体的磁场。
17.根据权利要求14所述的驱动机构，还包括由高导磁材料制成的引导层，所述引导层位于所述马达/发电机元件与所述离合器/ 制动器元件之间以引导由所述内线圈产生的磁通。
18.根据权利要求14所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括由高导磁材料制成的内电枢，所述内线圈缠绕于所述内电枢上。
19.根据权利要求14所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括被多个非磁性的间隔环隔开的一组输入盘和一组输出盘。
20.根据权利要求19所述的驱动机构，所述离合器/制动器元件还包括由高磁性材料制成的磁芯，所述内线圈缠绕在所述磁芯上。
21.根据权利要求19所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件还包括由非磁性材料制成的线轴，所述线轴位于所述输入盘的外部并且所述内线圈缠绕在所述线轴上。
22.根据权利要求19所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括两个由高导磁材料制成的、具有法兰的轴，所述内线圈包括固定在所述法兰上的多个轴向线圈。
23.根据权利要求14所述的驱动机构，其中所述外线圈由印刷电路实现。
24.根据权利要求14所述的驱动机构，其中所述离合器/制动器元件包括固定至所述驱动机构的外壳的轴，所述外壳用于容纳所述马达/发电机元件和所述离合器/制动器元件。
25.根据权利要求14所述的驱动机构，还包括传感器，感测所述永磁体的磁场方向的变化；和控制器，根据感测到的变化调整施加到所述外线圈上的电压以使得所述转子能够连续地旋转。
全文摘要
提供了一种驱动机构，包括马达/发电机元件和离合器/制动器元件。马达/发电机元件包括由高导磁材料制成、缠绕有外线圈的定子；由高导磁材料制成、并且固定有多个永磁体的转子；以及容纳流体的空腔。离合器/制动器元件设置在空腔内。离合器/制动器元件上缠绕有内线圈。流体能够响应在内线圈感生的电磁场的作用下而产生剪切应力。
文档编号H02K7/10GK102349218SQ201080011735
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者廖维新, 郭洪涛 申请人:香港中文大学