本公開涉及一種磁性致動(dòng)器，該磁性致動(dòng)器能夠例如是，但非必要地是，能夠產(chǎn)生相互不同的傳動(dòng)比的齒輪系統(tǒng)的齒輪切換器的一部分。此外，本公開涉及一種齒輪系統(tǒng)，該齒輪系統(tǒng)包括至少一個(gè)磁性致動(dòng)器，用于控制該齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生可選擇的傳動(dòng)比中的期望傳動(dòng)比。

背景技術(shù)：

在許多應(yīng)用中，存在對(duì)這樣的聯(lián)接設(shè)備的需要，在該聯(lián)接設(shè)備的輔助下，能夠使旋轉(zhuǎn)物體聯(lián)接或脫開。并不限制一般性，只是示例的目的，我們考慮一種齒輪系統(tǒng)，該齒輪系統(tǒng)包括設(shè)有第一帶齒輪的第一軸以及設(shè)有第二帶齒輪的第二軸。第二帶齒輪中的每一個(gè)帶齒輪均能夠從并且向第二軸傳遞扭矩，并與第一帶齒輪中的相應(yīng)的帶齒輪嚙合。在此示例性情形中，上述第一和第二軸之間的傳動(dòng)比能夠通過以下方式選擇，即，以扭矩傳遞方式將第一帶齒輪中的期望的一個(gè)帶齒輪鎖定到第一軸，并允許第一帶齒輪中的另外的一個(gè)或多個(gè)帶齒輪相對(duì)于第一軸自由旋轉(zhuǎn)。因此，存在對(duì)這樣的聯(lián)接設(shè)備的需要，在該連接設(shè)備的輔助下，在第一帶齒輪中的期望的一個(gè)帶齒輪能夠以扭矩傳遞方式鎖定到第一軸，而第一帶齒輪中的其它一個(gè)或多個(gè)帶齒輪自由旋轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)的聯(lián)接設(shè)備通常包括套環(huán)元件，所述套環(huán)元件中的每一個(gè)套環(huán)元件能夠向以及從第一軸傳遞扭矩，并且能夠關(guān)于第一軸在軸向方向上滑動(dòng)。每個(gè)套環(huán)元件包括鋸齒狀部，例如爪式離合器齒，所述鋸齒狀部能夠以扭矩傳遞方式鎖定到第一帶齒輪中的一個(gè)帶齒輪的對(duì)應(yīng)的鋸齒狀部。此外，聯(lián)接設(shè)備可包括同步裝置，諸如錐形離合器，用于使適當(dāng)?shù)膸X輪和適當(dāng)?shù)奶篆h(huán)元件的旋轉(zhuǎn)速度在在所考慮的帶齒輪和套環(huán)元件之間形成扭矩傳遞聯(lián)接之前同步。通常，聯(lián)接設(shè)備還包括換檔撥叉，換檔撥叉用于在軸向方向上移動(dòng)套環(huán)元件。每個(gè)套環(huán)元件的外表面通常具有用于對(duì)應(yīng)的換檔撥叉的周向狹槽。換檔撥叉能夠用機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和/或電氣裝置來操作，以便在每一種情形中具有期望的傳動(dòng)比。

然而，上述類型的聯(lián)接設(shè)備并不是沒有問題。其中一個(gè)問題涉及到需要布置換檔撥叉，使得由換檔撥叉指向套環(huán)元件的力是軸向指向的并且關(guān)于軸對(duì)稱，從而換檔撥叉不傾向于將套環(huán)元件扭曲。此外，在一些情形中，套環(huán)元件和換檔撥叉之間的摩擦可能會(huì)產(chǎn)生問題，這是因?yàn)榭赡茉谔篆h(huán)元件和換檔撥叉之間的接觸表面之間產(chǎn)生極大的速度差異，由此，即使適度摩擦力也可對(duì)應(yīng)于極大的瞬時(shí)發(fā)熱功率。

公開文件US5827148描述了一種用于操作齒輪系統(tǒng)的磁性致動(dòng)器。該磁性致動(dòng)器包括套環(huán)元件，套環(huán)元件能夠向被套環(huán)元件圍繞的軸傳遞扭矩并且從該軸傳遞扭矩。套環(huán)元件能夠在軸向方向上關(guān)于軸滑動(dòng)。該套環(huán)元件包括用于以扭矩傳遞方式鎖定到齒輪系統(tǒng)的帶齒輪的鋸齒狀部。

公開文件US2002008601描述了一種磁性致動(dòng)器，其包括：環(huán)形線圈；磁軛，磁軛圍繞該線圈的外周，并且具有布置成在線圈的中心孔的相對(duì)端側(cè)上彼此面對(duì)的齒；以及圓柱形永磁體，該永磁體布置在線圈的中心孔中。圓柱形永磁體具有徑向指向的磁化，并且能夠在軸向方向上移動(dòng)。

公開文件WO2007034195描述了一種磁性致動(dòng)器，其包括布置在電樞鐵芯上的環(huán)形永磁體，用以在布置為與電樞鐵芯同心相關(guān)的線圈通電時(shí)在管狀的定子中軸向移動(dòng)。永磁體具有徑向指向的磁化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下面給出了簡(jiǎn)要概述，以提供本實(shí)用新型的各種實(shí)施例的一些方面的基本理解。該概述不是本實(shí)用新型的廣泛綜述。其既不旨在標(biāo)識(shí)本實(shí)用新型的關(guān)鍵或重要元件，也不描繪本實(shí)用新型的范圍。以下概述僅更加詳細(xì)地描述在本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例的之前，以簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)本實(shí)用新型的一些概念。

根據(jù)本實(shí)用新型，提供了一種新的磁性致動(dòng)器，該磁性致動(dòng)器能夠例如是，但非必要地是，能夠產(chǎn)生相互不同的傳動(dòng)比的齒輪系統(tǒng)的齒輪切換器的一部分。

根據(jù)本實(shí)用新型的磁性致動(dòng)器包括套環(huán)元件，該套環(huán)元件能夠向從被該套環(huán)元件圍繞的軸傳遞扭矩并且從改軸傳遞扭矩，并且能夠在軸向方向上關(guān)于所述軸滑動(dòng)。套環(huán)元件包括鋸齒狀部，用于在套環(huán)元件處于關(guān)于軸的第一軸向位置時(shí)以扭矩傳遞方式鎖定到配對(duì)體，例如帶齒輪。磁性致動(dòng)器還包括線圈，該線圈圍繞套環(huán)元件，以便產(chǎn)生周向電流密度，其中套環(huán)元件能夠在軸向方向上關(guān)于線圈移動(dòng)，并且傳導(dǎo)由線圈的電流產(chǎn)生的磁通的磁路的磁阻取決于套環(huán)元件的軸向位置。套環(huán)元件包括永磁材料，用于產(chǎn)生軸向力，以在線圈承載在第一方向上流動(dòng)的電流時(shí)使套環(huán)元件向第一位置移動(dòng)，而在線圈承載在與第一方向相反的第二方向上流動(dòng)的電流時(shí)使套環(huán)元件向第二位置移動(dòng)。磁性致動(dòng)器還包括供應(yīng)裝置，所述供應(yīng)裝置布置為向線圈提供測(cè)量電流。磁性致動(dòng)器還包括處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)布置為根據(jù)由線圈對(duì)測(cè)量電流構(gòu)成的阻抗來檢測(cè)套環(huán)元件的軸向位置。

由于套環(huán)元件在通過永磁材料和由線圈承載的電流所產(chǎn)生的軸向力的輔助下操作，所以不需要機(jī)械裝置來在軸向方向上移動(dòng)套環(huán)元件。線圈的阻抗取決于套環(huán)元件的軸向位置，這是因?yàn)樯鲜龅拇抛枞Q于軸向位置，并且從而線圈的電感取決于套環(huán)元件的軸向位置。因此，能夠根據(jù)線圈的阻抗來檢測(cè)套環(huán)元件的軸向位置。

根據(jù)本實(shí)用新型，還提供了一種新的齒輪系統(tǒng)，該齒輪系統(tǒng)包括：

-齒輪組件，所述齒輪組件能夠產(chǎn)生的彼此不同的傳動(dòng)比，以及

-至少一個(gè)根據(jù)本實(shí)用新型的磁性致動(dòng)器，磁性致動(dòng)器用于控制齒輪組件產(chǎn)生所述傳動(dòng)比中的選擇的一個(gè)傳動(dòng)比。

本實(shí)用新型的各種示例性且非限制性實(shí)施例既涉及結(jié)構(gòu)又涉及操作方法，將在結(jié)合附圖閱讀時(shí)，從特定的示例性且非限制性實(shí)施例的以下描述中最好地理解其另外的目的以及優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)詞“包括”和“包含”在本文獻(xiàn)中用作開放性限制，既不排除亦不需要未列舉的特征的存在。此外，要理解的是，“一”或“一個(gè)”，即，單數(shù)形式的使用在整個(gè)文獻(xiàn)中并不排除多個(gè)。

附圖說明

本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例及其優(yōu)勢(shì)將在下面的示例的意義上并參照附圖更詳細(xì)地說明，其中：

圖1a、圖1b和圖1c示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器，

圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器的細(xì)節(jié)，

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的齒輪系統(tǒng)，并且

圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器。

具體實(shí)施方式

以下描述中提供的具體示例不應(yīng)被解釋為對(duì)權(quán)利要求的范圍和/或適用性的限制。該描述中提供的示例的清單和組合不是窮盡的，除非另有明確說明。

圖1a、圖1b和圖1c示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器100。磁性致動(dòng)器包括套環(huán)元件101，套環(huán)元件101能夠向軸108傳遞扭矩并且從軸108傳遞扭矩，軸108被該套環(huán)元件圍繞。此外，套環(huán)元件101能夠在軸向方向關(guān)于軸108滑動(dòng)。在圖1a-1c中，軸向方向平行于坐標(biāo)系199的z軸線。套環(huán)元件101的孔可包括例如花鍵齒，用于匹配設(shè)置在軸108的外周上的對(duì)應(yīng)的花鍵齒。還能夠使用在軸和套環(huán)元件之間提供傳遞扭矩關(guān)系并允許套環(huán)元件關(guān)于軸軸向移動(dòng)的其它裝置。例如，套環(huán)元件的孔和軸的外周能夠設(shè)有軸向狹槽，并且在狹槽中能夠具有楔形件，以便以扭矩傳遞方式連接軸和套環(huán)元件。在圖1a-1c中，以部分剖視圖示出套環(huán)元件101，其中剖視平面平行于坐標(biāo)系199的y-z平面。套環(huán)元件101包括鋸齒狀部，用于在套環(huán)元件處于關(guān)于配對(duì)體的適當(dāng)軸向位置時(shí)，以扭矩傳遞方式鎖定到配對(duì)體121。在圖1a-1c中，套環(huán)元件101的鋸齒狀部中的兩個(gè)鋸齒狀部用附圖標(biāo)記102來表示。在圖1a-1c所示的示例性情形中，配對(duì)體121為帶齒輪，并且配對(duì)體121的鋸齒狀部中的兩個(gè)鋸齒狀部用附圖標(biāo)記111表示。磁性致動(dòng)器進(jìn)一步包括圍繞套環(huán)元件的線圈103。在圖1a-1c中，以剖面視圖示出線圈103和支撐線圈的框架結(jié)構(gòu)109，其中剖視平面平行于坐標(biāo)系199的y-z平面。

套環(huán)元件101包括永磁材料104，永磁材料104用于在線圈103承載電流時(shí)產(chǎn)生作用在套環(huán)元件上的軸向力。永磁材料104能夠是，例如釹-鐵-硼“NIB”、釤鈷“SmCo”或一些其它合適的永磁材料。在圖1a-1c中，由永磁材料104所產(chǎn)生的磁通的示例性磁通線由設(shè)有箭頭的封閉曲線表示。力密度f，N/m³，為j×B，其中j是電流密度，A/m²，而B是磁通量密度，Vs/m²。如能夠圖1a-1c所看到，由永磁材料導(dǎo)引到線圈103的磁通量密度是大致徑向的，而線圈中的電流密度是周向的。因此，力密度是大致軸向的，并且由此作用在框架結(jié)構(gòu)109和作用在套環(huán)元件101上的彼此相反的力F和-F是大致軸向的。圖1a示出了這樣的示例性情形，其中套環(huán)元件101處于第一軸向位置，使得套環(huán)元件以扭矩傳遞方式與配對(duì)體121聯(lián)接，并且電流在第一方向上流動(dòng)且因此作用在套環(huán)元件上的軸向力沿著坐標(biāo)系199的負(fù)z方向。圖1b示出了這樣的示例性情形，其中電流在與第一方向相反的第二方向上流動(dòng)且因此作用在套環(huán)元件101上的軸向力沿著坐標(biāo)系199的正z方向，并且套環(huán)元件已經(jīng)在正z方向上從圖1a所示的第一軸向位置移動(dòng)。圖1c示出了這樣的示例性情形，其中電流在第二方向上流動(dòng)且因此作用在套環(huán)元件101上的軸向力沿著正z方向，并且套環(huán)元件不再與配對(duì)體121處于扭矩傳遞關(guān)系。

在圖1a-1c中所示的示例性磁性致動(dòng)器中，永磁材料104具有徑向指向的磁化，并且該永磁材料被布置成為同軸地圍繞套環(huán)元件101和軸108的旋轉(zhuǎn)軸線。因此，磁通量密度分布關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線大體旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。徑向?qū)ΨQ的磁通量密度分布在如下方面是有利的，即，當(dāng)軸和套環(huán)元件旋轉(zhuǎn)時(shí)，其不會(huì)在框架結(jié)構(gòu)109中導(dǎo)致磁通量密度的變化。磁通量密度的變化是不希望的，這是因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)109中的磁滯和/或渦流損耗。

圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器的套環(huán)元件201的永磁體設(shè)備。圖2示出了套環(huán)元件的剖視圖，使得剖視平面垂直于套環(huán)元件的旋轉(zhuǎn)軸線和坐標(biāo)系299的z軸。在該示例性情形中，永磁材料構(gòu)成單獨(dú)的塊，所述單獨(dú)的塊中的兩塊在圖2中用附圖標(biāo)記205和206表示。永磁材料的每一塊具有徑向的磁化方向。在圖2中，塊的磁化方向用箭頭表示。在此示例性情形中，套環(huán)元件201還包括支撐環(huán)207，支撐環(huán)207有利地由鐵磁材料制成，以在周向方向上平滑磁通量密度分布。

值得注意的是，上述介紹的徑向磁化的永磁材料并非用于產(chǎn)生徑向?qū)б骄€圈的磁通的唯一可能的設(shè)備。作為另一個(gè)示例，還能夠使用軸向磁化的永磁材料，并且向套環(huán)元件設(shè)置合適的鐵磁磁通引導(dǎo)部，使得磁通引導(dǎo)部將磁通徑向地導(dǎo)引到線圈。

在圖1a-1c中示出的示例性磁性致動(dòng)器中，包括永磁材料104的磁路的磁阻取決于套環(huán)元件101的軸向位置。這能夠?qū)崿F(xiàn)為例如使得框架結(jié)構(gòu)109的材料的導(dǎo)磁率μ大于線圈103的磁導(dǎo)率。在圖1b所示的情形中，磁阻處于其最大值，這是因?yàn)橛来挪牧?04和線圈103彼此對(duì)準(zhǔn)。在圖1a和1c所示的軸向位置中，存在磁阻的最小值，并且因此當(dāng)在線圈103中沒有電流時(shí)，套環(huán)元件101通過永磁材料保持在圖1a和1c所示的軸向位置中的每一個(gè)位置處。因此，無需電流將套環(huán)元件101保持在圖1a和1c所示的軸向位置中的每一個(gè)位置處。

圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的磁性致動(dòng)器400。磁性致動(dòng)器400包括套環(huán)元件401、線圈403和永磁材料404。套環(huán)元件包括鋸齒狀部402，用于在套環(huán)元件處于關(guān)于軸的第一軸向位置中時(shí)以扭矩傳遞方式鎖定到配對(duì)體。配對(duì)體未在圖4中示出。磁性致動(dòng)器400以上述方式運(yùn)行，使得無需電流將套環(huán)元件401保持在兩個(gè)預(yù)定的軸向位置中的每一個(gè)位置中，所述兩個(gè)預(yù)定的軸向位置中的一個(gè)為上述的第一軸向位置。

在圖1a-1c所示的示例性磁性致動(dòng)器中，傳導(dǎo)由線圈103的電流產(chǎn)生的磁通的磁路的磁阻取決于套環(huán)元件101的軸向位置。這能夠?qū)崿F(xiàn)為例如使得套環(huán)元件101的主體110的材料的磁導(dǎo)率和框架結(jié)構(gòu)109的材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大，并且主體110和框架結(jié)構(gòu)119之間的氣隙在軸向方向上不恒定。磁性致動(dòng)器包括：供應(yīng)裝置112，用于向線圈103供應(yīng)測(cè)量電流i_M；以及處理系統(tǒng)113，處理系統(tǒng)113根據(jù)由線圈103對(duì)測(cè)量電流構(gòu)成的阻抗來檢測(cè)套環(huán)元件101的軸向位置。在圖1a-1c中，用于使套環(huán)元件101在軸向方向上移動(dòng)的電流表示為i_D。

線圈103的阻抗取決于套環(huán)元件101的軸向位置，這是因?yàn)樯鲜龅拇抛枞Q于軸向位置，并且由此線圈103的電感取決于套環(huán)元件的軸向位置。測(cè)量電流i_M能夠是正弦或非正弦的。在其中測(cè)量電流i_M不是正弦的示例性情形中，供應(yīng)裝置112被構(gòu)造成產(chǎn)生包括一個(gè)或多個(gè)方形電壓脈沖的測(cè)量電壓u_M。在此示例性情形中，處理系統(tǒng)113能夠被構(gòu)造成根據(jù)在測(cè)量電壓u_M的每個(gè)上升沿或下降沿之后的測(cè)量電流i_M的變化率來檢測(cè)套環(huán)元件101的軸向位置。

處理系統(tǒng)113能夠用一個(gè)或多個(gè)處理器電路實(shí)現(xiàn)，所述一個(gè)或多個(gè)處理器電路每一個(gè)均能夠是設(shè)有適當(dāng)?shù)能浖目删幊烫幚砥麟娐?、專用的硬件處理器，例如，專用集成電路“ASIC”，或可構(gòu)造硬件處理器，例如，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列“FPGA”。

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的示例性且非限制性實(shí)施例的齒輪系統(tǒng)。該齒輪系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生相互不同的可選擇傳動(dòng)比的帶齒輪組件。該齒輪系統(tǒng)包括磁性致動(dòng)器300，用于控制帶齒輪組件產(chǎn)生所述可選擇傳動(dòng)比中的期望的一個(gè)傳動(dòng)比。在此示例性情形中，帶齒輪組件包括設(shè)有第一帶齒輪321和323的第一軸308和設(shè)有第二帶齒輪322和324的第二軸325。第二帶齒輪322和324中的每一個(gè)均能夠向第二軸325傳遞扭矩并且從第二軸325傳遞扭矩，并且與第一帶齒輪321和323中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)嚙合。磁性致動(dòng)器300適于確定第一帶齒輪中的哪一個(gè)帶齒輪能夠向第一軸308傳送扭矩并且從第一軸308傳送扭矩。磁性致動(dòng)器包括套環(huán)元件301，套環(huán)元件301能夠向第一軸308傳遞扭矩并且從第一軸308傳遞扭矩，并且能夠在軸向方向上關(guān)于第一軸滑動(dòng)。所述軸向方向平行于坐標(biāo)系399的z軸。套環(huán)元件301包括鋸齒狀部，用于在套環(huán)元件處于第一軸向位置時(shí)以扭矩傳遞方式鎖定到帶齒輪321的對(duì)應(yīng)的鋸齒狀部，并且在套環(huán)元件處于第二軸向位置時(shí)以扭矩傳遞方式鎖定到帶齒輪323的對(duì)應(yīng)的鋸齒狀部。磁性致動(dòng)器300包括線圈303，并且套環(huán)元件包括永磁材料304，用于產(chǎn)生軸向力，以便在線圈承載在第一方向上流動(dòng)的電流時(shí)使套環(huán)元件向第一軸向位置移動(dòng)，而在線圈承載在與第一方向相反的第二方向上流動(dòng)的電流時(shí)使套環(huán)元件向第二軸向位置移動(dòng)。圖3示出了這樣的示例性情形，其中套環(huán)元件301處于第二軸向位置，因此通過帶齒輪323和324構(gòu)成機(jī)械動(dòng)力傳遞路徑。在圖3示出的示例性齒輪系統(tǒng)中，存在兩個(gè)可選擇的傳動(dòng)比。在根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)示例性且非限制性實(shí)施例的齒輪系統(tǒng)中，具有超過兩個(gè)可選擇傳動(dòng)比以及兩個(gè)或更多個(gè)上述類型的磁性致動(dòng)器。

磁性致動(dòng)器300還可以包括同步裝置，用于使套環(huán)元件301和帶齒輪321或323的旋轉(zhuǎn)速度在在所考慮的套環(huán)元件和帶齒輪之間形成扭矩傳遞聯(lián)接之前同步。該同步裝置可包括例如具有錐形表面的元件，所述錐形表面用于在形成上述扭矩傳遞聯(lián)接之前與附接到帶齒輪321和323的對(duì)應(yīng)的錐形表面接觸。在圖3中，附接到帶齒輪321的錐形表面用附圖標(biāo)記326表示。