ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к соединителям с постоянными магнитами типа, имеющего магнитный ротор на одном валу, отделенный воздушным зазором от проводящего ротора на другом валу, причем проводящий ротор имеет электропроводящий элемент с ферромагнитной подложкой, расположенный против магнитов, представленных магнитным ротором. Более конкретно, изобретение относится к регулированию воздушного зазора.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Асинхронные двигатели используются, например, для приведения в действие вентиляторов, воздуходувок, насосов и компрессоров. Было обнаружено, что когда эти двигатели работают с максимальной скоростью, они обычно имеют избыточную мощность в сравнении с потребностью со стороны нагрузки, и эта избыточная мощность складывается, когда нагрузка изменяется. Было также обнаружено, что если выходная мощность двигателей могла бы регулироваться для получения только необходимой мощности, можно было бы получить значительное сокращение потребляемой энергии. Отсюда, были разработаны приводы с изменяющейся скоростью (ПИС) в форме электронных устройств, которые приводят частоту вращения двигателя к той, которая необходима для заданного варианта применения. Типичный ПИС выпрямляет входное напряжение переменного тока и ток в постоянный ток, затем преобразует постоянный ток обратно в переменный ток с другим напряжением и частотой. Выходное напряжение и частота определяются реальными потребностями в энергии и устанавливаются автоматически системой управления или оператором.
До сих пор ПИС были в целом настолько дороги, что они широко не использовались для экономии энергии. Отмечалось, что ПИС требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала и снижают срок службы двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предназначено составить механическую альтернативу ПИС, которая значительно экономичнее, будет автоматически поддерживать частоту вращения нагрузки на предварительно установленном уровне частоты вращения, когда нагрузки изменяются, и не потребует модификации электрического двигателя или регулировки входного напряжения или частоты. Другой целью настоящего изобретения является создание соединителя с постоянным магнитом, который будет функционировать вместо ПИС без перегрева.
В предшествующем патенте настоящего заявителя 5477094 раскрыт магнитный соединитель, в котором узел магнитных роторов перекрыт двумя проводящими роторами, которые соединены между собой для вращения в качестве узла проводящих роторов на одном валу, тогда как узел магнитных роторов установлен для вращения на втором валу. Узел магнитных роторов имеет комплект постоянных магнитов, расположенных так, что их противоположные поля отделены воздушными зазорами от электропроводящих колец с ферромагнитной подложкой, установленных на соответствующих проводящих роторах. Вращение одного из двух валов приводит к вращению другого вала магнитным действием без какого-либо непосредственного механического соединения между валами.
Вышеуказанный патент также раскрывает наличие двух магнитных роторов вместо одного узла магнитных роторов, причем каждый магнитный ротор имеет соответствующий набор постоянных магнитов, отделенных воздушным зазором от одного из электропроводящих элементов, представленных проводящими роторами. Два магнитных ротора подвижны относительно друг друга в осевом направлении и нагружены пружиной в противоположных направлениях. Благодаря настоящему изобретению магнитные роторы точно располагаются относительно друг друга так, чтобы изменять их положения в осевом направлении автоматически, как необходимо, из местоположения дистанционного управления для получения, путем регулирования воздушного зазора, изменяемого вращающего момента от двигателя с неизменной частотой вращения для изменяемого вращающего момента нагрузки, действующей при меньшей постоянно поддерживаемой частоте вращения.
Вместо смещения пружинами двух магнитных роторов, как описывалось выше, согласно настоящему изобретению, положения магнитных роторов регулируются стационарным механизмом управления, который соединен с регулирующим механизмом, воздействующим на магнитные роторы для избирательного перемещения их в направлении друг друга для расширения воздушных зазоров или для перемещения их далее друг от друга для сужения воздушных зазоров. Регулирование зазора изменяет вращательное проскальзывание между узлами магнитных роторов и узлами проводящих роторов до получения заданного вращающего момента нагрузки и, отсюда, влияет на частоту вращения нагрузки. Для заданного вращающего момента нагрузки воздушные зазоры могут регулироваться для получения вращающего момента при данной разности частоты вращения, то есть ниже частоты вращения двигателя. Принимая во внимание, что выходной вращающий момент двигателя при установленной рабочей частоты вращения двигателя адекватен относительно нагрузки, было обнаружено, что поскольку выходная мощность двигателя автоматически подгоняется под потребность в мощности со стороны нагрузки, существует существенная экономия энергии. Кроме того, благодаря настоящему изобретению нормальная разность в скорости (проскальзывание) между магнитными роторами и проводящими роторами не приводит к перегреву.
Регулирующее средство, согласно настоящему изобретению, может, например, принимать форму, в которой один из магнитных роторов перемещается в осевом направлении, например, реверсивным серводвигателем, и другой магнитный ротор соответственно направляется в осевом направлении на такое же расстояние в результате работы механизма, действующего между магнитными роторами. Этот механизм может включать центральный роторный элемент, установленный на выходном валу и имеющий узлы качающихся рычагов, установленные с возможностью качания в центре на центральном роторном элементе и с возможностью скольжения относительно магнитных роторов на концах качающихся рычагов так, что магнитные роторы перемещаются на одинаковое расстояние в противоположных осевых направлениях, если один из магнитных роторов движется в осевом направлении.
Предпочтительно, чтобы магнитные роторы были установлены с возможностью скольжения на штифтах, выступающих от центрального роторного элемента параллельно выходному валу, но магнитные роторы могут также устанавливаться со скольжением непосредственно на выходном валу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает вид продольного сечения по линии 1-1 на фиг.5 первого варианта осуществления изобретения, показанного в положении с широким воздушным зазором;
фиг.2 изображает вид в перспективе первого варианта осуществления изобретения без проводящих роторов и иллюстрирующий механизм регулирования воздушного зазора, выдвинутый так, что магнитные роторы находятся в положении с узким воздушным зазором;
фиг.3 изображает вид в плане, соответствующий фиг.2;
фиг. 4 изображает вид в плане, подобный фиг.3, но с механизмом регулирования воздушного зазора, задвинутым так, что магнитные роторы находятся в положении с широким воздушным зазором;
фиг.5 изображает вид поперечного сечения по линии 4-4 на фиг.4;
фиг. 6 изображает вид торца левого магнитного ротора при взгляде справа на фиг.1, причем магниты удалены;
фиг.7 изображает вид в перспективе, иллюстрирующий механизм с кулачковым барабаном и относящуюся к нему вилку;
фиг. 8 изображает вид продольного сечения второго варианта осуществления изобретения, показанного в положении с широким воздушным зазором;
фиг.9 изображает вид в перспективе одного из колец вентилятора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на чертежах, соосные входной или выходной валы 20, 21 имеют установленные на них узел 22 проводящих роторов и пару магнитных роторов 24, 25. Узел 22 проводящих роторов имеет два разнесенных в осевом направлении проводящих ротора 26, 27, имеющих соответствующие проводящие кольца 28, 29, обращенные друг к другу и выполненные из немагнитного материала с высокой электропроводностью, такого как медь. Эти проводящие кольца 28, 29 закреплены винтами на соответствующих опорных кольцах 32, 33, которые выполнены, предпочтительно, из мягкой стали. Узел 22 проводящих роторов также включает роторный диск 34, закрепленный болтами 35 на ступице 36 и отделенный в осевом направлении от проводящего ротора 28 вентиляционным зазором 37. Опорные кольца 32, 33 соединены между собой и с диском 34 в разнесенном в осевом направлении положении комплектами болтов 38, 38', ввинченных в распорные втулки 39, 39', расположенные снаружи от орбит магнитных роторов 24, 25. Проводящий ротор 27 отделен от выходного вала 21 кольцевым зазором 40. Ступица 36 установлена на входном валу 20, например, при помощи соединения клинового типа или соединения шпонкой.
Каждый магнитный ротор 24, 25 имеет немагнитный монтажный диск 42, опирающийся на ферромагнитный опорный диск 43, предпочтительно, из мягкой стали. Монтажные диски 42 могут быть выполнены из алюминия или пригодного немагнитного состава, ив каждом сформирован набор равномерно разнесенных прямоугольных вырезов 44, расположенных по окружности и принимающих соответствующий набор постоянных магнитов 46, опирающихся на соответствующий опорный диск 43. Соседние магниты имеют обратную полярность. Магниты 46 отделены воздушными зазорами 48,48' от проводящих колец 28, 29 узла 22 проводящих роторов.
Предпочтительно, в диске 34 выполнены вентиляционные отверстия 47 для содействия циркуляции воздуха через вентиляционный зазор 37 и воздушный зазор 48 для охлаждения проводящего кольца 29. Охлаждающий воздух для проводящего кольца 28 может свободно поступать в воздушный зазор 48 через зазор 40. Проводящие роторы могут также снабжаться прикрепленным винтами вентиляторным кольцом 49 (фиг.9,), имеющим множество лопастных элементов 49а для усиления потока воздуха вблизи проводящих колец 27, 28 для их охлаждения. Следует понимать, что обеспечение дополнительной вентиляции для охлаждения проводящего кольца 28 при помощи вентиляционного пространства 37 и/или вентиляционных отверстий 47 или лопастей 49а вентилятора может не требоваться для всех вариантов осуществления изобретения, в которых опорное кольцо 32 не было бы установлено на диске 34 или проводящее кольцо 28 могло бы быть установлено непосредственно на диске 34, который в этом случае мог бы служить ферромагнитной подложкой для проводящего кольца 28 вместо опорного кольца 32.
Согласно настоящему изобретению, магнитные роторы 24, 25 установлены так, чтобы они вращались вместе с выходным валом, а также чтобы они были подвижны по оси относительно друг друга в противоположных осевых направлениях для регулирования воздушных зазоров 48, 48'. Для этого магнитные роторы 24, 25, предпочтительно, установлены с возможностью скольжения во втулках 50 на противоположных в осевом направлении оконечных частях опорных и направляющих штифтов 51. Эти штифты отступают в противоположных осевых направлениях от пятого ротора 52, который установлен на выходном валу 21 посередине между проводящими кольцами 28, 29. В альтернативном варианте устройства магнитные роторы 24, 25 могли бы быть установлены с возможностью скольжения на выходном валу 21, а не на штифтах 51.
Возвратно-поступательное толкающее/тянущее средство применено для перемещения магнитных роторов 24, 25 по оси одновременно вдоль оси вращения шлицевого выходного вала 21 в противоположных направлениях для изменения ширины воздушных зазоров 48-48'. Возвратно-поступательное толкающее/тянущее средство может содержать первый толкающий/тянущий механизм, проходящий через зазор 40 для осевого перемещения магнитного ротора 25, и второй толкающий/тянущий механизм, проходящий между магнитными роторами для перемещения магнитного ротора 24, как реакции на перемещение магнитного ротора 25 первым механизмом. В проиллюстрированном примере осуществления изобретения второй механизм включает пятый ротор 52 и относящиеся к нему штифты 51.
Пятый ротор 52 может иметь в целом квадратную конфигурацию, образующую четыре наружные кромки 52а, каждая из которых имеет центральную проушину 53, отступающую от нее в радиальном направлении. Эти проушины 53 имеют радиальные каналы, проходящие в направлении вала 21 от их наружных концов для приема болтов 54 с буртиками, на которые надеты подшипники 55. Подшипники 55 удерживают центральные втулочные части качающихся узлов 56, каждый из которых имеет пару качающихся рычагов с кулачковыми пазами 57, выполненными вблизи их наружных концов. Каждый из этих кулачковых пазов принимает движущийся в нем ведомый кулачком ролик 58. Каждый ролик 58 выступает наружу от монтажного штифта 59, который закреплен в соответствующем узле 60, отступающем в направлении пятого ротора 52 от монтажного диска 42 соответствующего магнитного ротора. Блоки 60 могут быть установлены на дисках 42 при помощи пары колпачковых гаек 60а. Когда магнитные роторы задвинуты на максимальное осевое расстояние от проводящих роторов 26, 27, как показано на фиг. 1, соответствующая пара узлов 61 расположена на противоположных сторонах каждой проушины 53 пятого ротора 52 так, что качающиеся узлы 56 будут в этом случае лежать в одной плоскости с пятым ротором 52, как показано на фиг.4, 5. Это компактное устройство способствует минимизации длины соединителя.
При описанном устройстве качающегося рычага с пазом и ведомого ролика очевидно, что когда магнитный ротор 25 отходит от проводящего ротора 27 для увеличения ширины воздушного зазора 48', качающиеся узлы 56 будут в результате этого поворачиваться на центральных болтах 54 так, что их концы будут качаться в направлении пятого ротора 52. При этом качающемся движении ролики 58 направляются в пазах 57 в направлении их внутреннего конца и, в результате, магнитный ротор 24 оттягивается в направлении пятого ротора 52, таким образом увеличивая ширину воздушного зазора 48 на такую же величину, на которую увеличивается воздушный зазор 48' при нажатии на магнитный ротор 25. Подобным образом, когда магнитный ротор 25 оттягивается в направлении проводящего ротора 27 для сужения ширины воздушного зазора 48', качающиеся узлы 56 будут соответственно качаться на болтах 54 так, что их концы будут качаться от пятого ротора 52, таким образом отжимая магнитный ротор 25 в направлении проводящего ротора 26 и сужая воздушный зазор 48 в соответствии с сужением воздушного зазора 48'.
Прижимание и оттягивание магнитного ротора 25 для изменения ширины воздушных зазоров 48, 48', предпочтительно, выполняются с использованием кулачкового барабана 61, который имеет внутренний барабанный элемент 62, охватываемый наружным барабанным элементом 63. Внутренний элемент 62 установлен при помощи подшипника 64 на выходном валу 21, и наружный элемент 63 имеет суженную часть 63а, которая имеет зазор относительно выходного вала 21 и несет упорный подшипник 65, наружная обойма которого посажена во внутреннем радиальном конце магнитного ротора 25.
Крышка 66 подшипника, прикрепленная винтами 67 к диску магнитного ротора 25, удерживает упорный подшипник 65 и уплотнение 68 на месте. Внутренний барабан 62 имеет комплект кулачковых роликов 70, которые выступают в радиальном направлении наружу в криволинейные кулачковые пазы 71 в наружном барабане 63. Поворот наружного барабана 63 предотвращает хомут 72 (фиг.7), рычаги 72а которого с возможностью поворота соединены вблизи их наружных концов роликами, отступающими в отверстия 73 в наружном барабане от штифтов 74, установленных на рычагах хомута. Хомут 72 имеет пару нижних стоек 72b, в которых сформированы отверстия 75 увеличенного размера, принимающие кулачковые ролики 76, смонтированные на штифтах, отступающих наружу от станционарного монтажного блока 77.
Рычаг 78 привода выступает наружу от внутреннего барабана 62 и поворачивается любым пригодным способом для регулирования воздушных зазоров 48, 48'. Поворот внутреннего барабана 62 действием привода в одном направлении вызывает продольное движение наружного барабана 63 в результате движения кулачковых роликов 70 в кулачковых пазах 71, которые имеют конфигурацию, приводящую к такому результату. Отверстия 75 в стойках 72b хомута имеют достаточно увеличенные размеры относительно роликов 76 для допущения требуемого продольного движения наружного барабана 63, когда хомут 72 качается в результате такого движения.
Продольное движение наружного барабана 63 действует через упорный подшипник 65 для соответственного отталкивания при притягивании магнитного ротора 25. Как описано ранее, это приводит к равному продольному перемещению другого магнитного ротора 24 в противоположном направлении благодаря ответному действию узлов 57 качающихся рычагов и ведомых роликов 59. Избирательное движение рычага 78 привода вызывает изменение воздушных зазоров 48, 48' и таким образом изменяет выходную частоту вращения магнитного соединителя.
Рычаг 78 привода, например, может быть соединен связью 78а со стационарным электрическим вращающимся позиционером, управляемым контроллером процесса. Если нагрузкой является, например, насос, выходной поток которого должен регулироваться, измерительное устройство в выходном потоке подает выходные данные в контроллер процесса, который затем подает сигнал вращающемуся позиционеру для выполнения требуемого вращательного движения рычага 78 привода для надлежащего регулирования выходной частоты вращения магнитного соединителя.
Предпочтительно, чтобы выходной вал 21 не был фактически входным валом для нагрузки, а был дополнительной секцией вала, как показано на фиг.1. Дополнительная секция 21 соединена суженной оконечной частью 21а с пятым ротором 52 круглой торцевой пластиной 80, которая покрывает внутреннюю торцевую поверхность дополнительной секции 21 и ступичную часть 52а пятого ротора 52. Комплекты 82, 83 болтов соединяют торцевую пластину 80 с валом 21 и ступицей 52а пятого ротора.
Вал 21 проходит от суженной части 21а до промежуточной цилиндрической части, несущей подшипник 64, и затем на нем сформирован кольцевой выступ 21с, в который упирается наружный торец внутренней обоймы подшипника 64. Далее выступа 21с выходной вал 21 имеет наружную цилиндрическую оконечную часть 21d, несущую уплотнение 84 подшипника и ступичный компонент 86а соединителя 86. Соединитель имеет дополнительный соединительный ступичный компонент 86b с шейкой 86с, имеющей размеры, приспособленные для приема фактического входного вала 21' нагрузки. Сжимающий узел 87 клинового типа насажен на шейку 86с соединителя для получения прессовой посадки соединителя 86 на вал 21' в результате затягивания винтов 89. Ступичные компоненты 86а, 86b соединителя 86 скреплены между собой болтами 88, и соединитель прикреплен к секции 21 вала круглой торцевой пластиной 90, прикрепленной комплектами 91, 92 болтов к наружной торцевой поверхности секции вала и к ступичному компоненту 86а. Сжимающий узел 87 также может использоваться в сочетании со ступицей 36 для ее крепления к валу 20.
Описанное устройство, включающее секцию 21 вала и соединитель 86, делает возможным легкую установку или демонтаж магнитного соединителя, соответствующего настоящему изобретению, без перемещения нагрузки или относящегося к ней входного вала 21 или первичного двигателя и его вала 20.
Для некоторых вариантов применения изобретения существует необходимость в обеспечении передачи необходимого вращающего момента от входного вала 20 выходному валу 21 с использованием роторов меньшего диаметра, чем возможный с единственными парами магнитных роторов и проводящих роторов. Как показано на фиг.8, эта необходимость может быть удовлетворена применением второй пары магнитных роторов на выходном валу, удлинением блока проводящих роторов с добавлением дополнительно пары проводящих роторов и соединением одного из магнитных роторов одной из пар с соответствующим магнитным ротором другой пары магнитных роторов при помощи толкающего/тянущего стержня, свободно проходящего через пятый ротор и проводящий ротор, которые расположены между двумя магнитными роторами, соединенными между собой стержнем.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.8, частям, соответствующим первому описанному варианту осуществления изобретения, даны одинаковые позиции. Секция 21 вала удлинена и обозначена позицией 121. Две пары магнитных роторов обозначены позициями 124, 125 и 224, 225, и соответствующие пятые роторы обозначены позициями 152, 252. Проводящие роторы 126, 127 отделены воздушными зазорами от магнитных роторов 124 и 125, и проводящие роторы 226, 227 отделены воздушными зазорами от магнитных роторов 224, 225. Проводящие роторы 126, 227 имеют общее кольцо 232 из мягкой стали, действующее как основа для проводящего кольцевого элемента 128 проводящего ротора 126, а также для проводящего кольцевого элемента 229 проводящего ротора 227. Проводящие кольца 129 и 228 опираются на ферромагнитные кольца 133 и 134 соответственно. Последнее соединено со ступицей 136, установленной на валу 20. Четыре проводящих ротора удерживаются в правильно выровненном соотношении совокупностью болтов 138, проходящих сквозь трубчатые распорные элементы 139, 139'.
Два пятых ротора 152, 252 закреплены на валу 121 так, что они расположены посередине между проводящими элементами 129, 132 и 228, 229. Они имеют в целом такую же конфигурацию, как и пятый ротор 52, и каждый имеет набор из четырех направляющих стержней 51, поддерживающих соответствующую пару магнитных роторов 124, 125 и 224, 225.
В дополнение, пятое колесо 152 имеет четыре отверстия 153 с зазором, разнесенных так, что они располагаются посередине между его направляющими стержнями 51, для свободного прохождения толкающих/тянущих стержней 300. Эти стержни также свободно проходят сквозь отверстия 153' в магнитном роторе 124. Их внутренними концами толкающие/тянущие стержни ввинчены в магнитный ротор 225, и своими наружными концами они проходят через магнитный ротор 125 и удерживаются в неподвижном положении относительно него парой защелкивающихся колец 301.
Будет ясно, что продольное движение магнитного ротора 125 будет дублироваться магнитным ротором 225 благодаря толкающим/тянущим стержням 300. Это продольное движение дублируется в противоположном направлении магнитными роторами 124, 224 благодаря действию качающихся узлов 56 и относящихся к ним деталей, как было описано ранее. Хотя это не предпочтительно, магнитные роторы 124, 224 могут быть соединены между собой толкающими/тянущими стержнями, вместо того, чтобы магнитные роторы 125, 225 были соединены между собой.
Из изложенного выше будет понятно, что хотя здесь для иллюстрации были описаны конкретные примеры осуществления изобретения, различные модификации могут быть внесены без отклонения от сущности и объема изобретения. Соответственно, изобретение ничем не ограничено кроме формулы изобретения.
Использование: для соединения валов в приводах с изменяющейся скоростью. Регулируемый соединитель имеет группу магнитных роторов с постоянными магнитами, отделенных воздушными зазорами от группы проводящих немагнитных роторов. Воздушные зазоры регулируются осевым перемещением одной из группы относительно другой для изменения проскальзывания соединителя и регулирования частоты вращения нагрузки при изменении нагрузки. Технический результат заключается в уменьшении перегрева. 3 с. и 23 з.п.ф-лы, 9 ил.
Приоритет по пунктам:
20.02.1997 по пп. 1-3, 7, 9-12, 16, 17, 22-26;
14.04.1997по пп. 4-6, 13-15, 18-21.
Экономайзер | 0 |
|
SU94A1 |
US 5477094 А, 19.12.1995 | |||
US 5477093 А, 19.12.1995 | |||
US 5051638 А, 24.09.1991 | |||
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА | 0 |
|
SU359727A1 |
РЕЛАКСОМЕТР ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПОЖАРНЫХ РУКАВОВ | 0 |
|
SU239632A1 |
DE 3824619, 26.01.1989 | |||
Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
Авторы
Даты
2003-01-27—Публикация
1998-02-20—Подача