PL245561B1

PL245561B1 - Magnetorheological fluid coupling controlled by a rotating magnetic field

Info

Publication number: PL245561B1
Application number: PL439949A
Authority: PL
Inventors: Karol Musiałek; Ireneusz Musiałek; Karol Osowski; Marcin Migus; Aneta Mikulska; Andrzej Kęsy; Zbigniew Kęsy
Original assignee: Univ Technologiczno Humanistyczny Im Kazimierza Pulaskiego W Radomiu
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2024-09-02
Also published as: PL439949A1

Abstract

Sprzęgło z cieczą magnetoreologiczną sterowane wirującym polem magnetycznym charakteryzuje się tym, że część napędzana sprzęgła składa się z wału wejściowego (1) połączonego z obudową (2), przy czym na obwodzie obudowy (2), podobnie jak w stojanie silnika indukcyjnego, zamocowane są rozmieszczone symetrycznie grupy elektromagnesów (3) z cewkami fazowymi (4) podłączonymi przewodami elektrycznymi (5) oraz poprzez pierścienie ślizgowe (6) i szczotki (7), odpowiednio do zacisków regulowanego przemiennika częstotliwości (8), w taki sam sposób, jak to ma miejsce w sterowanym przemiennikiem częstotliwości silniku indukcyjnym, natomiast przemiennik częstotliwości (8) jest podłączony przewodami (9) do odpowiednich przewodów fazowych R, S, V, O sieci prądu trójfazowego przemiennego (10), zaś część napędzana sprzęgła składa się z wału wyjściowego (11), na którym zamocowany jest zbiornik (12), wykonany z materiału paramagnetycznego wypełniony cieczą magnetoreologiczną (13), mogący obracać się swobodnie ze względu na występowanie szczeliny (14). Korzystnym jest jeśli cząstki stałe cieczy magnetoreologicznej mają wymiary od 10 µm do 2 mm.A clutch with a magnetorheological fluid controlled by a rotating magnetic field is characterized in that the driven part of the clutch consists of an input shaft (1) connected to a housing (2), whereby on the circumference of the housing (2), similarly to the stator of an induction motor, symmetrically arranged groups of electromagnets (3) are mounted with phase coils (4) connected by electric wires (5) and through slip rings (6) and brushes (7), respectively to the terminals of the adjustable frequency converter (8), in the same way as in an induction motor controlled by a frequency converter, while the frequency converter (8) is connected by wires (9) to the corresponding phase wires R, S, V, O of the three-phase alternating current network (10), and the driven part of the clutch consists of an output shaft (11), on which a tank (12) made of a paramagnetic material filled with magnetorheological fluid (13) is mounted, which can be rotate freely due to the presence of a gap (14). It is advantageous if the solid particles of the magnetorheological fluid have dimensions from 10 µm to 2 mm.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sprzęgło z cieczą magnetoreologiczną sterowane wirującym polem magnetycznym.The subject of the invention is a magnetorheological fluid clutch controlled by a rotating magnetic field.

Sprzęgła są podstawowymi podzespołami stosowanymi w układach napędowych maszyn. Zadaniem sprzęgieł jest między innymi: łączenie i rozłączanie wałów, zabezpieczenie przed przeciążeniem i drganiami skrętnymi, umożliwianie rozruchu, wyrównanie obciążeń. Sprzęgła są zbudowane w taki sposób, że części napędzająca i napędzana sprzęgła połączone z wałami, odpowiednio wejściowym i wyjściowym są połączone ze sobą za pomocą łącznika, przy czym od rodzaju łącznika zależy, czy jest to połączenie trwałe, czy umożliwiające poślizg między tymi częściami.Clutches are basic components used in machine drive systems. The purpose of clutches is, among others: connecting and disconnecting shafts, protecting against overload and torsional vibrations, enabling start-up, and equalizing loads. Clutches are constructed in such a way that the driving and driven parts of the clutch connected to the input and output shafts, respectively, are connected to each other by means of a connector, and the type of connector determines whether it is a permanent connection or one that allows slippage between these parts.

Dużą grupę sprzęgieł pracujących z poślizgiem stanowią sprzęgła, w których łącznikiem jest pole magnetyczne. Do grupy tej należą: sprzęgła indukcyjne, sprzęgła wykorzystujące prądy wirowe, sprzęgła proszkowe, sprzęgła wiskotyczne z cieczą magnetoreologiczną, sprzęgła cierne sterowane magnetycznie, sprzęgła magnetyczne oraz sprzęgła wykorzystujące histerezę. Podstawowymi zaletami sprzęgieł wykorzystujących oddziaływanie pola magnetycznego, pracujących w układach napędowych maszyn, są: możliwość sterowania, duża trwałość oraz niewrażliwość na brak osiowości wałów wejściowego i wyjściowego sprzęgła. Sprzęgła takie znajdują zastosowanie głównie jako sprzęgła sterowane, rozruchowe lub bezpieczeństwa.A large group of clutches operating with slip are clutches in which the connecting element is a magnetic field. This group includes: induction clutches, clutches using eddy currents, powder clutches, viscous clutches with magnetorheological fluid, magnetically controlled friction clutches, magnetic clutches and clutches using hysteresis. The basic advantages of clutches using the influence of a magnetic field, operating in machine drive systems, are: the possibility of control, high durability and insensitivity to misalignment of the input and output shafts of the clutch. Such clutches are mainly used as controlled, start-up or safety clutches.

Znane są rozwiązania konstrukcyjne sprzęgieł wykorzystujące oddziaływanie pola magnetycznego na magnetoreologiczną ciecz roboczą, takie jak sprzęgła wiskotyczne oraz sprzęgła wykorzystujące wirujące pole magnetyczne, takie jak sprzęgła indukcyjne oraz sprzęgła na prądy wirowe.There are known design solutions for clutches that use the interaction of a magnetic field with a magnetorheological working fluid, such as viscous clutches, and clutches that use a rotating magnetic field, such as induction clutches and eddy current clutches.

W sprzęgłach wiskotycznych z cieczą magnetoreologiczną w części napędzającej znajduje się elektromagnes, który wytwarza pole magnetyczne w szczelinie roboczej między częściami sprzęgła, wypełnionej cieczą magnetoreologiczną. Część napędzana wykonana z materiału ferromagnetycznego sprzęgła służy do zamknięcia obwodu magnetycznego. Zmiana natężenia pola magnetycznego powoduje zmianę właściwości reologicznych cieczy magnetoreologicznej, szczególnie naprężeń stycznych, co powoduje zmianę wartości momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło. Ciecz magnetorologiczna jest cieczą dwufazową składającą się z cząstek stałych, cieczy bazowej i niewielkiej ilości dodatków korygujących jej właściwości reologiczne i zabezpieczających ciecz przed sedymentacją i agregacją cząstek stałych. Cząstki stałe wykonane są z materiału ferromagnetycznego, najczęściej z żelaza, a cieczą bazową jest najczęściej olej silikonowy.In viscous clutches with magnetorheological fluid, the driving part contains an electromagnet that generates a magnetic field in the working gap between the clutch parts, filled with magnetorheological fluid. The driven part made of ferromagnetic clutch material is used to close the magnetic circuit. Changing the intensity of the magnetic field changes the rheological properties of the magnetorheological fluid, especially the tangential stresses, which changes the torque transmitted by the clutch. Magnetorheological fluid is a two-phase fluid consisting of solid particles, a base fluid and a small amount of additives that correct its rheological properties and protect the fluid against sedimentation and aggregation of solid particles. The solid particles are made of ferromagnetic material, most often iron, and the base fluid is most often silicone oil.

Sprzęgła indukcyjne są zbudowane podobnie jak silniki indukcyjne. Wirujące pole magnetyczne wytwarzane w części napędzającej sprzęgła za pomocą prądu przemiennego indukuje w uzwojeniu części napędzanej prąd elektryczny generujący pole magnetyczne przeciwnie skierowane do pola magnetycznego wytwarzanego w części napędzającej sprzęgła. Oddziaływanie wzajemne tych pól powoduje powstanie momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło indukcyjne.Induction clutches are constructed similarly to induction motors. The rotating magnetic field generated in the driving part of the clutch by means of alternating current induces an electric current in the winding of the driven part, generating a magnetic field opposite to the magnetic field generated in the driving part of the clutch. The interaction of these fields causes the torque transmitted by the induction clutch.

W sprzęgle wykorzystującym prądy wirowe część napędzana posiada elektromagnesy zasilane prądem przemiennym lub obracające się magnesy stałe indukujące prądy wirowe w części napędzanej w postaci tarczy lub dysku wykonanych z dobrego przewodnika prądu elektrycznego, zazwyczaj z miedzi. Oddziaływanie wzajemne pola magnetycznego generowanego w części napędzającej i wytwarzanego przez prądy wirowe w części napędzanej powoduje powstanie momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło indukcyjne.In an eddy current clutch, the driven part has electromagnets powered by alternating current or rotating permanent magnets that induce eddy currents in the driven part in the form of a disc or disk made of a good electrical conductor, usually copper. The interaction of the magnetic field generated in the driving part and that generated by the eddy currents in the driven part produces torque transmitted by the inductive clutch.

Sprzęgło z cieczą magnetoreologiczną sterowane wirującym polem magnetycznym według wynalazku charakteryzuje się tym, że część napędzająca sprzęgła składa się z wału wejściowego połączonego z obudową, przy czym na obwodzie obudowy, podobnie jak w stojanie silnika indukcyjnego, zamocowane są rozmieszczone symetrycznie grupy elektromagnesów z cewkami fazowymi podłączonymi przewodami elektrycznymi oraz poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki, odpowiednio do zacisków regulowanego przemiennika częstotliwości, w taki sam sposób, jak to ma miejsce w sterowanym przemiennikiem częstotliwości silniku indukcyjnym, natomiast przemiennik częstotliwości jest podłączony przewodami do odpowiednich przewodów fazowych R, S, V, 0 sieci prądu trójfazowego przemiennego, zaś część napędzana sprzęgła składa się z wału wyjściowego, na którym zamocowany jest zbiornik, wykonany z materiału paramagnetycznego wypełniony cieczą magnetoreologiczną, mogący obracać się swobodnie ze względu na występowanie szczeliny. Korzystnym jest jeśli cząstki stałe cieczy magnetoreologicznej mają wymiary od 10 μm do 2 mm.A clutch with a magnetorheological fluid controlled by a rotating magnetic field according to the invention is characterized in that the driving part of the clutch consists of an input shaft connected to a housing, whereby on the circumference of the housing, similarly to the stator of an induction motor, symmetrically arranged groups of electromagnets are mounted with phase coils connected by electric wires and through slip rings and brushes, respectively to the terminals of the adjustable frequency converter, in the same way as in an induction motor controlled by a frequency converter, while the frequency converter is connected by wires to the corresponding phase wires R, S, V, 0 of a three-phase alternating current network, and the driven part of the clutch consists of an output shaft, on which a tank is mounted, made of a paramagnetic material filled with magnetorheological fluid, which can rotate freely due to the presence of a gap. It is advantageous if the solid particles of the magnetorheological fluid have dimensions from 10 μm to 2 mm.

W sprzęgle według wynalazku wykorzystuje się siłę magnetyczną generowaną przez wirujące z różnymi prędkościami obrotowymi pole magnetyczne, wytwarzane w elektromagnesach zasilanych przemiennym prądem trójfazowym, takimi jak znajdują się w stojanie silnika indukcyjnego, zlokalizowanych w części napędzającej sprzęgła, do przemieszczania cząstek stałych cieczy magnetoreologicznej umieszczonej w zbiorniku połączonym z wałem wyjściowym części napędzanej sprzęgła. Ruch obrotowy z wirującej cieczy, której cząstki stałe przyciągane są przez wirujące pole magnetyczne jest przenoszony na ścianki zbiornika za pomocą siły tarcia, wywołanej dociskaniem cieczy do ścianek zbiornika, przez siłę, będącą sumą siły odśrodkowej i siły magnetycznej. Sprzęgło takie pracuje z poślizgiem między częścią napędzającą i napędzaną, gdyż przyciągane cząstki stałe nie mogą osiągnąć prędkości obrotowej wirowania pola magnetycznego, ze względu na występowanie siły wiskotycznej utrudniających podążanie cząstek stałych cieczy magnetoreologicznej za polem magnetycznym. Zmiana prędkości obrotowej wirowania pola magnetycznego wytwarzanego w elektromagnesach zlokalizowanych w części napędzającej sprzęgła za pomocą przemiennika częstotliwości, powoduje zarówno zmianę prędkości obracania się zbiornika z cieczą magnetoreologiczną, a tym samym wału wyjściowego sprzęgła, jak i zmianę momentu obrotowego przenoszonego przez to sprzęgło. Zmniejszanie prędkości obrotowej wirowania pola magnetycznego przy ustalonych obrotach wału wejściowego sprzęgła prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło. Natomiast dla ustalonych obrotów wału wejściowego sprzęgła oraz stałej prędkości obrotowej wirowania pola magnetycznego, wzrost momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej wału wyjściowego sprzęgła.In the clutch according to the invention, magnetic force generated by a rotating magnetic field with different rotational speeds, generated in electromagnets powered by three-phase alternating current, such as those located in the stator of an induction motor, located in the driving part of the clutch, is used to move solid particles of a magnetorheological fluid placed in a tank connected to the output shaft of the driven part of the clutch. Rotational movement from the rotating liquid, the solid particles of which are attracted by the rotating magnetic field, is transferred to the walls of the tank by means of friction force, caused by pressing the liquid against the walls of the tank, by a force that is the sum of the centrifugal force and the magnetic force. Such a clutch operates with slippage between the driving and driven parts, because the attracted solid particles cannot reach the rotational speed of the magnetic field rotation, due to the presence of viscous force that makes it difficult for the solid particles of the magnetorheological fluid to follow the magnetic field. Changing the rotational speed of the magnetic field rotation generated in the electromagnets located in the clutch drive part using a frequency converter causes both a change in the rotational speed of the magnetorheological fluid tank, and thus the clutch output shaft, and a change in the torque transmitted by this clutch. Reducing the rotational speed of the magnetic field rotation at fixed clutch input shaft speeds leads to a decrease in the torque transmitted by the clutch. On the other hand, for fixed clutch input shaft speeds and a constant rotational speed of the magnetic field rotation, an increase in the torque transmitted by the clutch causes a decrease in the rotational speed of the clutch output shaft.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym schemat sprzęgła z cieczą magnetoreologiczną sterowanego wirującym polem magnetycznym według wynalazku.The subject of the invention is shown in an example embodiment in the drawing, showing a diagram of a clutch with a magnetorheological fluid controlled by a rotating magnetic field according to the invention.

Sprzęgło z cieczą magnetoreologiczną sterowane wirującym polem magnetycznym w przykładzie według wynalazku zawiera część napędzaną składającą się z wału wejściowego 1 połączonego z obudową 2, na której obwodzie, podobnie jak w stojanie silnika indukcyjnego, zamocowane są rozmieszczone symetrycznie elektromagnesy 3 z cewkami fazowymi 4 podłączonymi przewodami elektrycznymi 5 oraz poprzez pierścienie ślizgowe 6 i szczotki 7 odpowiednio do zacisków regulowanego przemiennika częstotliwości 8, w taki sam sposób, jak to ma miejsce w sterowanych za pomocą przemiennika częstotliwości silniku indukcyjnym. Przemiennik częstotliwości 8 jest podłączony przewodami 9 do odpowiednich przewodów fazowych R, S, V, 0 sieci prądu trójfazowego przemiennego 10. Część napędzana sprzęgła składa się z wału wyjściowego 11, na którym zamocowany jest zbiornik 12, wykonany z materiału paramagnetycznego wypełniony cieczą magnetoreologiczną 13, który to zbiornik 12 może obracać się swobodnie ze względu na występowanie szczeliny 14.The magnetorheological fluid clutch controlled by a rotating magnetic field in the example according to the invention comprises a driven part consisting of an input shaft 1 connected to a housing 2, on the circumference of which, similarly to the stator of an induction motor, symmetrically arranged electromagnets 3 are mounted with phase coils 4 connected by electric conductors 5 and via slip rings 6 and brushes 7 respectively to the terminals of an adjustable frequency converter 8, in the same way as in an induction motor controlled by a frequency converter. The frequency converter 8 is connected by wires 9 to the corresponding phase wires R, S, V, 0 of the three-phase alternating current network 10. The driven part of the clutch consists of an output shaft 11 on which a tank 12 made of a paramagnetic material filled with a magnetorheological fluid 13 is mounted, which tank 12 can rotate freely due to the presence of a gap 14.

Claims

1. A clutch with a magnetorheological fluid controlled by a rotating magnetic field, characterized in that the driving part of the clutch consists of an input shaft (1) connected to a housing (2), wherein on the circumference of the housing (2), similarly to the stator of an induction motor, symmetrically arranged groups of electromagnets (3) are mounted with phase coils (4) connected by electric wires (5) and through slip rings (6) and brushes (7), respectively to the terminals of an adjustable frequency converter (8), in the same way as in an induction motor controlled by a frequency converter, the frequency converter (8) is connected by wires (9) to the corresponding phase wires R, S, V, 0 of a three-phase alternating current network (10), and the driven part of the clutch consists of an output shaft (11), on which a tank (12) made of a paramagnetic material filled with magnetorheological fluid is mounted (13), which can rotate freely due to the presence of a gap (14).

2. A magnetorheological fluid clutch according to claim 1, characterized in that the solid particles of the magnetorheological fluid have dimensions from 10 μm to 2 mm.