МАГНИТНАЯ МУФТА Российский патент 1997 года по МПК F16D27/01 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям муфт приводов, обеспечивающих передачу вращения через воздушный зазор или немагнитную перегородку за счет взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов, размещенных на ведущей и ведомой полумуфтах без контакта каких-либо элементов полумуфт.

Изобретение может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности в приводах рабочих органов насосов и перемешивающих устройств аппаратов для осуществления различных технологических процессов.

Следует отметить, что основным параметром, отражающим успешную работу магнитной муфты, является величина передаваемого крутящего момента на исполнительный механизм (рабочее колесо насоса, перемешивающее устройство и т.д. ). Этот параметр зависит от конструкции муфты, т.е. от того, как выполнены элементы, как они расположены и соотносятся их геометрические размеры с зазором между собой и каким количеством постоянных магнитов будет снабжена муфта. Последний фактор немаловажен для достижения максимального значения величины крутящего момента и вот почему.

В настоящее время самым эффективным является исполнение магнитных муфт с анизотропными постоянными магнитами, выполненными из сплавов с редкоземельными металлами. Естественно, что чем больше анизотропных постоянных магнитов установлено в полумуфтах, тем большим должен быть крутящий момент. Однако анизотропные постоянные магниты, выполненные из редкоземельных материалов, очень дорого стоят, а потому и производство магнитных муфт является дорогостоящим. Возникает проблема экономного производства магнитных муфт, обладающих необходимым крутящим моментом.

Проанализируем известные изобретения с точки зрения решения указанной проблемы.

Известна магнитная муфта [1] содержащая ведущую и ведомую полумуфты с постоянными анизотропными магнитами, отделенные немагнитным экраном, демпферную обмотку, при этом анизотропные магниты установлены в два слоя, в наружном слое магниты установлены по всей окружности вплотную друг к другу, а во внутреннем слое магниты установлены с промежутками, в которых размещены стержни демпферной обмотки.

Данной магнитной муфтой достигается технический результат, не достижимый по мнению авторов изобретения в муфте-прототипе, а именно большой крутящий момент.

Авторы утверждают, что в магнитных муфтах, состоящих из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, отделенных экраном и имеющих на одной из полумуфт электропроводную короткозамкнутую демпферную клетку, стержни которой расположены между постоянными магнитами, наличие демпферной клетки обеспечивает повышенную устойчивость муфты при колебаниях момента сопротивления на валу ведомой муфты, однако размещение стержней обмотки между магнитами не позволяет использовать поверхность этой полумуфты полностью для заполнения активным материалом (магнитами), что, в свою очередь, уменьшает величину передаваемого вращающего момента.

С таким утверждением авторов указанного изобретения можно согласиться.

Но их изобретение не решает проблему полного использования материалов магнитов для достижения максимального крутящего момента, передаваемого магнитной муфтой, при экономном использовании постоянных анизотропных магнитов.

Выполнение наружного слоя из установленных по всей окружности вплотную друг к другу магнитов и введение второго слоя магнитов с промежутками требует значительного количества редкоземельных металлов, что ведет к росту стоимости магнитных муфт.

Известна цилиндрическая магнитная муфта [2] содержащая две отделенные экраном полумуфты с магнитопроводами 1, анизотропными постоянными магнитами 2, установленными на каждой полумуфте с промежутками, в которых размещены стержни демпферной клетки. На магнитопроводе между магнитами выполнены пазы, стержни демпферной клетки повторяют профиль соответствующего паза и промежутка между магнитами, а каждая полумуфта снабжена тонкостенной кассетой, имеющей в поперечном сечении профиль выступов по форме магнитов и впадин по форме стержней демпферной клетки и установленной поверх магнитов.

Данное изобретение, как наиболее близкое к заявляемому, принято в качестве прототипа. На фиг.3 эта муфта изображена в положении, соответствующем передаче максимального крутящего момента.

В описании эта муфта представлена в статическом состоянии, когда оси симметрии разноименных полюсов магнитов совпадают. При этом равнодействующие сил взаимодействия между полюсами равны, направлены к центру муфты и воспринимаются корпусами муфт. При передаче максимального крутящего момента от ведущей полумуфты к ведомой полюса магнитов на них смещены на половину ширины полюса, а силы их взаимодействия направлены по линии, соединяющей центры полюсов магнитов.

Величину действующего между полумуфтами крутящего момента определяют силы притяжения и отталкивания всех полюсов, а вернее их проекции на ось, перпендикулярную радиусам полумуфт, являющиеся тангенциальными составляющими сил взаимодействия полюсов, сумма которых определяет величину крутящего момента муфты, равную произведению этой суммы на радиус окружности ведомой полумуфты, на которой расположены полюса магнитов.

При достижении поставленной авторами описанного выше изобретения цели не достигается максимальный крутящий момент, что обусловлено следующими причинами.

Половины ширины полюса ведущей (наружной) и ведомой полумуфт в прототипе оказываются над магнитопроводом, что ведет к уменьшению сил F₁ и F₂ притяжения между разноименными полюсами. Большая ширина магнитов наружной полумуфты по сравнению с магнитами внутренней увеличивает потерю крутящего момента.

Сила отталкивания F₃ между одноименными полюсами постоянных магнитов является силой, увеличивающей крутящий момент. Но в силу того обстоятельства, что расстояние между одноименными полюсами при смещении значительно увеличивается, сила отталкивания соответственно уменьшается, не обеспечивая максимального для данного количества магнитов крутящего момента. Поэтому, чтобы увеличить момент до максимального, необходимо увеличивать количество магнитов, что приведет к неэкономным затратам дорогостоящего материала, магнитов. Сила F₄ на фиг.3 существенного значения не имеет из-за большого расстояния между полюсами.

Как видно из вышесказанного, в данном изобретении возникает техническое противоречие. Увеличение крутящего момента, передаваемого магнитной муфтой к исполнительному механизму (рабочему колесу насоса или перемешивающему устройству), не позволяет снизить затраты на магниты, а значит и на изготовление магнитных муфт.

Целью изобретения является увеличение передаваемого магнитной муфтой крутящего момента при уменьшении количества устанавливаемых на ее полумуфтах постоянных анизотропных магнитов.

Цель достигается благодаря тому, что в магнитной муфте, содержащей полумуфты с магнитопроводами, на которых размещены с промежутками анизотропные постоянные магниты с чередованием полюсов по окружности, анизотропные магниты установлены попарно, а промежутки размещены между парами магнитов, при этом каждая пара магнитов размещена на отдельном магнитопроводе, наружные границы которого в продольном направлении являются продолжением наружных границ размещенной на нем пары постоянных магнитов в том же направлении.

Сравнение совокупностей существенных признаков муфты-прототипа и заявляемой муфты показывает, что последняя отличается тем, что постоянные анизотропные магниты установлены попарно, а промежутки размещены между парами магнитов, при этом каждая пара магнитов размещена на отдельных магнитопроводах, наружные границы которых в продольном направлении являются продолжением наружных границ, размещенных на магнитопроводах пар постоянных магнитов в том же направлении.

Отсюда следует, что заявляемое изобретение соответствует критерию "Новизна".

Оно соответствует и критерию "Изобретательский уровень", так как в результате проведенных патентных исследований не обнаружено, чтобы увеличение крутящего момента могло состояться при уменьшении количества попарно устанавливаемых на полумуфтах постоянных анизотропных магнитов.

Изобретение соответствует также критерию "Промышленная применимость". Ничто в конструкции магнитной муфты не противоречит ее технической воспроизводимости и применению в промышленном производстве.

На фиг.1 изображена предлагаемая магнитная муфта; на фиг.2 в увеличенном масштабе иллюстрация действующих при передаче максимального крутящего момента предлагаемой муфтой сил между полюсами магнитов полумуфт; на фиг.3 то же, вариант.

Справа от фиг. 2 и 3 графическое изображение сумм тангенциальных составляющих сил взаимодействия полюсов магнитов.

Магнитная муфта содержит наружную 1 и внутреннюю 2 полумуфты с магнитопроводами, соответственно 3 и 4.

На магнитопроводах 3 и 4 размещены с промежутками 5 и 6 постоянные анизотропные магниты 7-10 с чередованием полюсов N и S по окружностям полумуфт 1 и 2.

Анизотропные постоянные магниты 7-10 установлены попарно, а промежутки 5 и 6 размещены между парами магнитов.

При этом каждая пара магнитов 7-10 размещена на отдельных магнитопроводах, наружные границы которых в продольном направлении являются продолжением наружных границ размещенных на магнитопроводах пар постоянных магнитов. Это означает (фиг.1), что наружные границы "а" и "а₁" магнитопровода 3 являются продолжением наружных границ "б" и "б₁" размещенной на этой магнитопроводе пары постоянных магнитов 7 и 8, а наружные границы "г" и "г₁" магнитопровода 4 являются продолжением наружных границ "в" и "в₁" размещенной на этом магнитопроводе пары постоянных магнитов 9 и 10.

Промежутки 5 и 6 могут быть частями полумуфт 1 и 2.

Ведущая (чаще наружная) полумуфта 1 устанавливается на валу приводного устройства, например, электродвигателя, а ведомая 2 на валу рабочего органа машины (электродвигатель и рабочий орган машины на чертежах не показаны). Полумуфты 1 и 2 разделены экраном 11, герметизирующим внутреннюю полость машины, на которую передается крутящий момент, создаваемый муфтой.

Работает заявленная магнитная муфта следующим образом. До начала пуска приводного устройства электродвигателя полумуфты 1 и 2 магнитной муфты расположены относительно друг друга коаксиально.

Магниты 7-10 полумуфт расположены друг против друга. Силы взаимодействия магнитов направлены к центру оси вращения муфты по линиям, соединяющим центры полюсов магнитов. В данном положении крутящий момент муфты равен нулю.

В момент пуска ведущая полумуфта 1, установленная на валу приводного устройства, поворачивается на определенный угол α, а ведомая, установленная на валу рабочего органа машины, стоит на месте (так как связь между полумуфтами нежесткая), т.е. магнитная муфта в данном положении похожа на заводимую пружину часов, готовую привести часовой механизм в действие в момент, когда сила закручивания пружины будет равна или больше сил сопротивления всех шестеренок, приводящих в движение стрелки часов. Центры полюсов магнитов 7-10 тоже смещены относительно друг друга на этот же угол a. Это смещение вызывает изменение направления сил взаимодействия F₁, F₂, F₃ (силой F₄ пренебрегают, так как она мала) между полюсами магнитов, т.е. силы взаимодействия не проходят через центр вращения муфты, а следовательно появляются тангенциальные составляющие сил взаимодействия магнитов. Под действием всех тангенциальных магнитных сил возникает крутящий момент муфты. При достижении крутящего момента муфты величины большей, чем у момента, создаваемого силами сопротивления (трения, нагрузки и инерции), ведомая полумуфта 2 увлекается за ведущей 1, появляется дополнительная нагрузка, действующая на приводной механизм, уменьшающая динамический момент приводного двигателя. Ускорение ведущей полумуфты 1 уменьшается, ведомая полумуфта 2 начинает догонять ведущую. В результате уменьшается нагрузка (угол a тоже уменьшается), а значит и уменьшается крутящий момент муфты на ведущую полумуфту 1, приводной двигатель начинает ускоряться снова, что приводит к колебательному процессу.

Максимальный угол поворота полумуфт a, как правило, наблюдается в период запуска, соответственно в этот момент магнитная муфта передает и максимальный крутящий момент. Положения полюсов магнитов с действующими на ведомую полумуфту силами в момент передачи максимального момента муфты представлены для заявляемой магнитной муфты на фиг.2, а на фиг.3 (для сравнения) для муфты прототипа.

Максимальный крутящий момент, передаваемый муфтой, должен превышать действующие при работе крутящие моменты от сил сопротивления (трения, нагрузки и инерции), в противном случае возможен разрыв магнитной связи между полумуфтами (полумуфты магнитной муфты вращаются с разными частотами, а следовательно и резко уменьшается передаваемый момент). Следует отметить, что после остановки, связанной с восстановлением магнитной связи после разрыва, крутящий момент муфты полностью восстанавливается, т.е. муфта может использоваться в качестве предохранительного звена.

После окончания разгона момент передаваемый муфтой уменьшается (следовательно и уменьшается угол a) за счет исчезновения ускорения вращающихся масс и устанавливается рабочий режим работы муфты и машины.

Следует отметить, что при начальном смещении полумуфты 1 относительно полумуфты 2 магниты полумуфты 1 частично оказываются над немагнитными промежутками 6 полумуфты 2, а не над магнитопроводом, как в муфте-прототипе. Поэтому в последней силы F₁, F₂ и F₃ уменьшаются, в то время как в заявляемой происходит увеличение сил притяжения F₁ и F₂ между полюсами магнитов 7-10. Сила отталкивания F₃ одноименных полюсов по величине равна силам F₁и F₂ и вносит значительный вклад в создание большого по величине крутящего момента. Графическое изображение сумм тангенциальных составляющих сил взаимодействия полюсов магнитов в период работы предлагаемой и известной муфт наглядно показывает преимущества заявляемой муфты.

Сравнение графических изображений (справа от фиг.2 и 3) сумм тангенциальных проекций сил F₁, F₂, F₃, определяющих крутящий момент при равных диаметрах ведомых полумуфт, показывает их существенное превышение в предлагаемой муфте по сравнению с муфтой-прототипом, а следовательно, и превышение крутящего момента предлагаемой муфты.

Предлагаемая совокупность существенных признаков конструкции муфты позволяет изготовлять муфты с минимальным числом магнитов и увеличивать их крутящий момент как за счет увеличения вклада каждой пары магнитов в величину передаваемого момента, так и за счет увеличения диаметра, на котором эти пары магнитов размещены, что обеспечит значительный экономический эффект от экономии дорогостоящих и дефицитных материалов.

Использование: химическая, пищевая, микробиологическая и другие отрасли промышленности, в приводах рабочих органов насосов и перемешивающих устройств аппаратов для осуществления различных технологических процессов. Сущность изобретения: магнитная муфта, содержащая полумуфты с магнитопроводами, на которых размещены с промежутками анизотропные постоянные магниты с чередованием полюсов по окружности, которые установлены попарно, а промежутки размещены между парами магнитов, при этом каждая пара магнитов размещена на отдельных магнитопроводах, наружные границы которых в продольном направлении являются продолжением наружных границ размещенных на магнитопроводах пар постоянных магнитов в том же направлении. 3 ил.

Магнитная муфта, содержащая полумуфты с магнитопроводами, анизотропные постоянные магниты с чередованием полюсов по окружности, установленные на каждой полумуфте с промежутками, отличающаяся тем, что анизотропные постоянные магниты установлены попарно, а промежутки размещены между парами магнитов, при этом каждая пара магнитов размещена на отдельном магнитопроводе, наружные границы которого в продольном направлении являются продолжением наружных границ размещенной на нем пары постоянных магнитов в том же направлении.