УПРАВЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА Российский патент 1997 года по МПК H02K49/02 

Изобретение относится к устройствам для передачи вращения от ведущего вала к ведомому при обеспечении большой величины передаваемой мощности с возможностью плавного регулирования передаточного отношения при высоком КПД. Изобретение может быть использовано в транспортных средствах для передачи вращения от двигателя на колеса без использования коробки передач. Изобретение может быть использовано наиболее успешно в транспортных средствах, снабженных аккумулирующим энергию инерционным маховиком.

Различные устройства для передачи вращения от одного вала к другому с плавным регулированием передаточного отношения рассмотрены в [I] Такая передача может быть осуществлена, например, с помощью механического вариатора, гидравлической системы или системы "генератор-двигатель". Механические устройства и гидравлические устройства представляют собой громоздкие и ненадежные конструкции и не могут быть эффективно использованы для передачи большой мощности.

Использование системы "генератор-двигатель" приводит к увеличению габаритов, т.к. необходимо иметь две электрических машины. Однако главный недостаток таких систем обуславливается большими потерями в статорных обмотках генератора и двигателя, в системе управления и соединяющих их проводах. Большая величина этих потерь обуславливается протеканием через указанные обмотки электрического тока, передающего всю мощность от ведущего вала к ведомому. Эти потери, составляя главную часть (около 70%) общих потерь, сильно снижают к.п.д. системы.

Для передачи вращения может быть использована индукционная электромагнитная муфта скольжения, содержащая два коаксиально установленных ротора. В такой муфте вращение ротора, соединенного с ведущим валом, происходит в результате взаимодействия магнитного поля вихревых токов, наведенных в этом роторе, с полем создаваемых магнитной системой другого ротора (маховика). Для регулирования передаточного отношения в такой муфте используется статор, снабженный обмоткой возбуждения, при этом один из роторов располагается между статором и другим ротором. Такая конструкция муфты широко известна и описана, например, в [2] Плавное регулирование передаточного отношения достигается путем изменения тока в обмотке возбуждения статора. При этом, однако, изменяется скольжение, отклонение которого от номинальной (очень небольшой) величина приводит к резкому снижению к.п.д. Поэтому такие муфты нельзя использовать для плавного регулирования передаточного отношения в передачах большой мощности, используемых, например, в транспортных средствах.

Кроме того, такие муфты не позволяют изменить направление вращения ротора, соединенного с ведомым валом, без изменения направления вращения ротора, соединенного с ведущим валом.

Настоящее изобретение направлено на создание управляемой электромагнитной муфты, позволяющей осуществлять плавное изменение передаточного отношения и направления вращения при сохранении высокого к.п.д. и обеспечении тем самым возможности использования такой муфты в передачах большой мощности, в частности, передачах транспортных средств.

Эта задача решается тем, что в управляемой электромагнитной муфте, содержащей коаксиально установленные статор и два ротора, первый из которых расположен между статором и вторым ротором, статор и второй ротор имеют один магнитную систему, а другой короткозамкнутую обмотку, первый ротор имеет группы последовательно расположенных по его окружности пластин из магнитомягкого материала, установленных вдоль оси муфты с образованием воздушных промежутков между пластинами и с возможностью поворота вокруг продольных осей, а муфта дополнительно содержит связанный с пластинами второго ротора механизм веерообразного разворота пластин каждой группы вокруг указанных продольных осей.

Изменение направления и угла веерообразного разворота пластин первого ротора приводит соответственно к изменению направления и угла, на который поворачивается магнитное поле, создаваемое статором на каждом участке второго ротора при перемещении относительно этого участка пластин каждой группы, и тем самым к изменению направления и частоты вращения второго ротора при сохранении минимальной величины скольжения и максимального к.п.д. При этом, в отличие от системы "генератор-двигатель", достаточно иметь одну электрическую машину и нет необходимости в протекании переменного тока, обуславливающего большие потери, через статор, который в предлагаемой муфте выполнен в виде постоянных магнитов с обмотками возбуждения или естественных.

Механизм разворота пластин может содержать кулисы с криволинейной поверхностью, опирающейся на опорную поверхность диска с возможностью качания их по этой поверхности и с клиновой поверхностью, входящей между пластинами, а также кольцо, входящее поверхностью с наружным радиусом в пазы кулис, магнитопровод, расположенный на внутреннем радиусе кольца, пружины, удерживающие кольца и прижимающие его к диску, а также расположенный на статоре электромагнит и средства его управления.

На фиг. 1 изображан вид предлагаемой управляемой электромагнитной муфты сбоку, частично в разрезе; на фиг. 2 разрез по линии А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез по линии Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез по линии В-В на фиг. 1; на фиг. 5 разрез по линии Г-Г в зоне стержней 6 на фиг. 1; на фиг. 6а-6д поясняется принцип работы предлагаемой муфты на фиг. 7 изображается вид, аналогичный фиг. 2, но при развороте пластин ротора в другом направлении.

В соответствии с фиг. 1 и 2 управляемая электромагнитная муфта содержит коаксиально расположенные статор 1, выполненный в виде постоянных магнитов с полюсами 1 а; кольцевой ротор 2, снабженный короткозамкнутой обмоткой, образованной медными стержнями 3, и кольцевой ротор 4, установленный между статором 1 и ротором 2. Ротор 2 установлен на подшипниках, опирающихся на подвижную опору 5, и предназначен, например, для установки на него колеса транспортного средства.

Ротор 4 имеет два диска, радиально установленных на подшипниках, опирающихся на вал статора 1 и соединенных проходящими аксиально стержнями 6, два из которых показаны на фиг. 2. На одном из дисков расположен ротор 7, а на статоре 1 расположен статор электродвигателя 8 для равномерной подачи энергии в муфту, между дисками ротора 4 по его окружности установлено множество пластин 9, набранных с воздушным зазором из 3-4 листов магнитомягкой стали, обладающей высокой проводимостью и большой индукцией насыщения, например 27КХ. Пластины 9 разделены воздушными промежутками и установлены с возможностью поворота вокруг продольных осей. Для этого на концах пластин имеются цилиндрические части 9а, входящие в пазы, выполненные на внутренних сторонах дисков ротора 4. Между цилиндрическими частями 9а соседних пластин в этих пазах установлены ролики 10 (см. также фиг. 3), отделяющие пластины 9 друг от друга.

В конструкции муфты, показанной на фиг. статор установлен внутри ротора с пластинами, а второй ротор снаружи. Возможен также вариант конструкции муфты, в котором статор установлен внутри ротора с пластинами, а второй ротор снаружи. Возможен и еще один вариант, в соответствии с которым магнитную систему имеет не статор, как показано на фиг. а вращающийся ротор, установленный на ведомом валу, в то время как статор имеет короткозамкнутую обмотку.

Пластины 9 разделены стержнями 6 на одинаковые группы последовательно расположенных (см. фиг. 2) и связанных с механизмом веерообразного разворота пластин каждой группы. Механизм разворота пластин 9 имеет кулисы 11 (фиг. 1) с криволинейной поверхностью, опирающейся на опорную поверхность диска 4, с возможностью качания их по этой поверхности в двух направлениях и с клиновой поверхностью, входящей в воздушный зазор между пластин 9 (фиг. 4), а также кольцо 12, входящее поверхностью с наружным радиусом в пазы кулис, магнитопровод 13, расположенный на внутреннем радиусе кольца, пружины 14, удерживающие кольцо и прижимающие его к диску, а также расположенный на статоре электромагнит 15, средства его управления и пружины 16 с рычагами 17, обеспечивающие контакт пластин 9 с клиновыми поверхностями кулис 11.

Ниже приводится описание работы предлагаемой муфты, которая поясняется также с помощью фиг. 6а-6д, схематически изображающих расположение пластин 9 ротора 4 относительно статора 1 и ротора 2 при разных положениях пластин 9 и ротора 4.

Ротор 4 вместе с пластинами 9 приводится во вращение электродвигателем 7,8. При этом силовые линии магнитного поля, создаваемого статором 1, проходят через пластины 9, магнитное сопротивление которых мало по сравнению с сопротивлением воздушных промежутков между ними. На каждой из фиг. 6а 6д показано направление одной из силовых линий магнитного поля статора 1, на некотором произвольно выбранном участке пространства при разных положениях ротора 4 и его пластин 9. При некотором среднем ("нейтральном") положении кольца 12 клиновые поверхности кулис 11 расположены относительно пластин 9 так, что все они занимают строго радиальное положение, т.е. такое, при котором каждая пластина 9 расположена по радиусу ротора 4. Такому расположению пластин 9 соответствует фиг. 6. Как легко видеть из фиг. 6, положение силовой линии магнитного поля статора 1 на данном участке пространства практически не будет изменяться при перемещении ротора 4 (т.к. все пластины расположены одинаково), если не считать небольших пульсаций магнитного поля, обуславливаемых зубцами статора 1 и промежутками между пластинами 9, аналогичных пульсациям, которые имеют место в обычных асинхронных двигателях. Поэтому магнитное поле, воздействующее на ротор 2, будет неподвижным и не будет индуцировать токи в стержнях 3 его короткозамкнутой обмотки. Таким образом, при нахождении кольца 12 в "нейтральном" положении, ротор 2 при вращении ротора 4 будет оставаться неподвижным.

При перемещении кольца 12 с помощью увеличения МДС электромагнита вправо и влево клиновые поверхности кулис 11 выходят или входят в зазор между пластинами 9, заставляя их в каждой группе по одну сторону от середины этой группы поворачиваться в одну сторону, а находящиеся в каждой группе пластин 9 по другую сторону от середины этой группы поворачиваться в противоположную сторону. Тем самым достигается веерообразный разворот пластин 9 каждой группы "внутрь" или "наружу", в зависимости от того, в какую сторону относительно "нейтрального" положения перемещается кольцо 12. При веерообразном развороте пластин 9 угол наклона пластины относительно радиального направления тем больше, чем больше удаление ее от середины соответствующей группы пластин.

Положения, которые пластины 9 занимают при их веерообразном развороте "внутрь", показаны на фиг. 2. Положения, занимаемые пластинами 9 при их веерообразном развороте наружу, показаны на фиг. 7.

Веерообразному развороту пластин 9 "внутрь" соответствует фиг. 6б и 6в, в соответствии с которыми каждая группа пластин 9 условно содержит 7 пластин (фактически их гораздо больше). В соответствии с фиг. 6б силовая линия магнитного поля, проходящая через первые две пластины группы, будет иметь некоторый максимальный наклон относительно радиального направления, соответствующий наклону этих пластин. Очевидно, что при вращении ротора 4 в направлении, показанном на фиг. 6б и 6в стрелкой, наклон этой силовой линии будет постепенно уменьшаться до нуля, а затем снова возрастать, но уже в противоположную сторону в соответствии с изменением угла наклона последующих пластин этой группы. Наклон силовой линии в противоположную сторону достигнет максимума, когда в результате вращения ротора 4 на участок пространства, который на фиг. 6б занимали первые пластины группы, попадут последние пластины этой группы, как показано на фиг. 6в. Очевидно также, что такой поворот магнитного поля будет происходить на каждом участке ротора 2, пока мимо этого участка перемещаются пластины 9 одной и той же группы, после чего магнитное поле исчезает на время, пока мимо этого участка перемещаются пластины 9 одной и той же группы, после чего магнитное поле исчезает на время, пока мимо этого участка перемещается промежуток между разными группами пластин, а затем снова будет продолжать поворачиваться в первоначальном направлении.

Таким образом, при вращении ротора 4 на которкозамкнутую обмотку ротора 2 будет в этом случае воздействовать вращающееся магнитное поле, частота вращения которого при данной частоте вращения ротора 4 будет тем больше, чем больше угол веерообразного разворота пластин 9. Это вращающееся поле будет наводить токи в отмотке ротора 2 и, взаимодействую с ними, заставлять ротор 2 вращаться, как это имеет место в обычном асинхронном двигателе. Как и в асинхронном двигателе, частота вращения ротора 2 будет приблизительно равна частоте вращения магнитного поля, отличаясь от последнего на небольшую величину, определяемую скольжением. Таким образом, изменяя угол веерообразного разворота пластин 9 путем изменения ЭДС электромагнита, можно плавно изменять частоту вращения ведомого ротора 2 без изменения частоты вращения ведущего ротора 4, т.е. плавно изменять передаточное отношение муфты.

Веерообразному развороту пластин 9 "наружу" соответствуют фиг. 6г и 6д. Как легко можно видеть из рассмотрения фиг. 6г и 6д, в сопоставлении с фиг. 6б и 6в, при том же направлении вращения ротора 4, направление вращения магнитного поля в роторе 2 в этом случае изменяется на противоположное по сравнению с направлением его вращения при развороте пластин 9 "внутрь". В остальном работа муфты в этом случае не отличается от ее работы при развороте пластин 9 "внутрь".

В случае, если магнитную систему имеет ведомый ротор, а короткозамкнутую обмотку статор, вращающееся поле, создаваемое в статоре в результате искажения магнитного поля магнитной системы ведомого ротора развернутыми пластинами ведущего ротора, наводит в обмотке статора токи, магнитное поле которых, взаимодействуя с магнитным полем ведомого ротора, заставляет последний вращаться в направлении, зависящем от направления разворота пластин и частотой вращения, зависящей от угла указанного разворота, как и в случае, когда магнитную систему имеет статор, а короткозамкнутую обмотку ротор.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет плавно изменять менять передаточное отношение электромагнитной муфты, а также направление вращения ротора муфты, соединенного с ведомым валом, без изменения направления вращения ротора, соединенного с ведущим валом. При этом в процессе изменения передаточного отношения и направления вращения сохраняется высокий к.п.д. т. к. эти изменения достигаются путем изменения частоты вращения магнитного поля без изменения величины скольжения. Это позволяет использовать предлагаемую муфту в передачах большой мощности, составляющей, например, несколько сот киловатт, в том числе в передачах транспортных средств. В отличие от системы "генератор-двигатель", предлагаемая муфта содержит только одну электрическую машину и поэтому обладает небольшими габаритами, и, самое главное, в ней не требуется подавать переменный ток в статор, что исключает возникающие в связи в этим потери и позволяет значительно повысить к.п.д.

Как указывалось выше, в случае использования предлагаемой муфты в транспортном средстве, ротор 4 через вал 8 соединяется с двигателем, на ротор 2 устанавливается колесо транспортного средства, а управление магнитом 15 соединяется с педалью акселератора, с помощью которой в этом случае можно плавно регулировать скорость и направление движения транспортного средства без коробки скоростей. Очевидно, что такое регулирование было бы невозможно при использовании индукционной муфты известной конструкции, т.к. привело бы к большим потерям энергии при вращении ротора 2 со скоростями, отличающимися от некоторой номинальной величины, обеспечивающей небольшое скольжение.

Использование предлагаемой муфты особенно эффективно в передаче транспортного средства, снабженного маховиком, запасающим энергию при торможении транспортного средства и отдающим ее при его разгоне. Маховик устанавливается в этом случае на ведущем роторе 4 (маховиками могут быть, например, упоминавшиеся выше диски ротора 4). При разгоне транспортного средства с помощью педали акселератора, управляющего электромагнитом 15, скорость вращения ротора 2 увеличивается до нужной величины за счет энергии, запасенной маховиком и передаваемой с помощью вращающегося поля, создаваемого благодаря развороту пластин 9. При торможении это вращающееся поле в результате изменения ЭДС электромагнита будет отставать от вращения ротора 2, обеспечивая передачу энергии от ротора 2 к ротору 4 и маховику.

Использование: в транспортных средствах для передачи вращения от двигателя на колеса без использования передачи. Сущность изобретения: ротор 4 имеет два диска, радиально установленных в подшипниках. На одном из дисков расположен ротор 7. На статоре 1 расположен статор электродвигателя 8. Между дисками ротора 4 по его окружности установлены группы пластин 9 из магнитомягкого материала, разделенные воздушными промежутками и установленные с возможностью поворота вокруг продольных осей. Этот поворот осуществляется с помощью веерообразного разворота пластин каждой группы вокруг указанных осей. Изобретение обеспечивает плавное регулирование передаточного отношения и направления вращения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Управляемая электромагнитная муфта, содержащая коаксиально установленные статор и два ротора, первый из которых расположен между статором и вторым ротором, отличающаяся тем, что статор и второй ротор имеют один магнитную систему, а другой короткозамкнутую обмотку, первый ротор имеет группы последовательно расположенных по его окружности пластин из магнитомягкого материала, установленных вдоль оси муфты с образованием воздушных промежутков между пластинами и с возможностью поворота вокруг продольных осей, а муфта дополнительно содержит связанный с пластинами первого ротора механизм веерообразного разворота пластин каждой группы вокруг указанных продольных осей. 2. Муфта по п.1, отличающаяся тем, что механизм разворота пластин содержит кулисы с криволинейной поверхностью, опирающейся на опорную поверхность диска с возможностью качания их по этой поверхности, и с клиновой поверхностью, входящей в воздушный зазор между пластинами, а также кольцо, входящее поверхностью с наружным радиусом в пазы кулис, магнитопровод, расположенный на внутреннем радиусе кольца, пружин, удерживающих кольцо и прижимающих его к диску, а также расположенный на статоре электромагнит и средства его управления.