ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА-РЕДУКТОР С ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИМ ЭКРАНОМ Российский патент 2012 года по МПК H02K49/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, осуществляющим сочленение валов с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов и передачу вращения с передаточным отношением, большим, меньшим или равным единице.

Известны разнообразные синхронные и редукторные магнитные и электромагнитные механизмы с герметизирующим экраном, в конструкциях которых герметизирующий металлический или неметаллический экран выполняют небольшой толщины, соизмеримой с зазором в электромагнитной системе механизма, причем увеличение толщины экрана приводит к увеличению эквивалентного зазора и, тем самым, к снижению эффективности передачи крутящего момента (см., например, Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л., Машиностроение, 1980).

Общим недостатком известных устройств являются ограничения, вносимые тонкостенной конструкцией герметизирующих экранов, связанные либо с их прочностью, либо с большими потерями мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является бесконтактный магнитный редуктор, содержащий ведущее звено с винтовой резьбой, обращенной к неподвижному экрану, выполненному в виде стакана из электроизоляционного материала с ферромагнитными элементами, зубчатое ведомое звено, расположенное концентрично неподвижному экрану, при этом ферромагнитный элемент выполнен в виде многогранника с винтовой образующей поверхностью и основаниями в виде параллелограммов, причем основание, обращенное к ведущему звену, развернуто относительно основания, обращенного к ведомому звену, на угол меньший 90°, вдоль оси редуктора расположено несколько изолированных друг от друга ферромагнитных элементов, образующих с одной стороны зубец, а с другой - винтовую поверхность, обращенную к ведущему звену. Выполнение неэлектропроводного экрана с армированными элементами магнитопровода принципиально позволяет увеличивать толщину стенок до величин, обеспечивающих прочность конструкции, и минимизировать потери мощности в экране (см. описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1406698 от 30.12.1986).

Недостатком устройства является технологическая сложность выполнения экрана.

Задачей изобретения является создание устройства бесконтактной передачи крутящего момента с редукцией частоты вращения от вала приводного механизма к валу исполнительного механизма с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов для крупных роторных машин, например, для центробежных компрессорных установок большой мощности.

Поставленная задача решается тем, что электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном содержит связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении, предназначенное для связи с валом исполнительного механизма, при этом электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с по меньшей мере одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция электромагнитной муфты-редуктора с герметизирующим экраном; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечения В-В и С-С на фиг.1; на фиг.4 - вариант схемы прокладки ферромагнитных пластин в теле статора для мультипликатора с двукратным повышением частоты вращения от ведущего звена к ведомому звену; на фиг.5 - контур замыкания магнитного потока электромагнита и силы, действующие на подвижные элементы муфты-редуктора при передаче вращения.

Представленная на фиг.1-фиг.3 конструкция муфты-редуктора соответствует варианту мультипликатора с двукратным повышением частоты вращения.

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном содержит ведущий вал 1 медленного вращения, связанное с ним ведущее звено, включающее многополюсный электромагнит, выполненный в виде ферромагнитного магнитопровода 2 с двумя парами явно выраженных полюсов, выполненных, например, в виде зубцов, между которыми в соответствующих пазах (не показаны) размещены катушки обмотки 3 возбуждения, соединенные между собой и с расположенными на ведущем валу 1 приводного механизма контактными кольцами 4 посредством токоподводов 5, выполненных в виде скользящих контактов-щеток. Соединение обмоток 3 возбуждения между собой и с контактными кольцами 4 осуществляется таким образом, что при протекании электрического тока обеспечивается чередование полярностей полюсов магнитопровода 2.

Электромагнитная муфта-редуктор содержит неподвижный экран 6 (статор), представляющий собой корпус из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, выполненными в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин 7. Муфта-редуктор также содержит ведомое звено, выполненное в виде ферромагнитного якоря 8, размещенного на ведомом валу 9 быстрого вращения, имеющего два прямых, или винтовых, или косых в осевом направлении зубца (не показаны). Количество и длина зубцов зависит от коэффициента редукции (мультипликации) частоты вращения муфты-редуктора, а также количества и длины полюсов ведущего звена. Экран 6 имеет внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, служащие для размещения в них элементов соответственно ведущего и ведомого звеньев. Полюса магнитопровода 2 обращены к цилиндрической поверхности экрана 6 во внешней его полости и расположены вдоль ее образующей или под углом к ней. Ферромагнитные пластины 7 расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана 6 так, что продольные оси полос, образованных встроенными в экран 6 пластинами 7 при выходе на поверхности экрана 6 во внутренней и внешней его полостях, обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов ведущего звена и зубцов ведомого звена или под небольшим углом к ним. При этом порядок расположения пластин 7 зависит от конструкции элементов ведущего и ведомого звеньев и необходимого коэффициента редукции (мультипликации) частоты вращения муфты-редуктора.

Встроенные ферромагнитные пластины 7 экрана 6 (статора) выполняют функцию распределения магнитного потока, создаваемого обмоткой 3 возбуждения ведущего звена. С целью повышения эффективности муфты-редуктора зазоры между магнитопроводом 2, зубцами якоря 8 и цилиндрическими поверхностями соответствующих полостей экрана 6 должны быть минимальными.

На фиг.4 показан вариант схемы прокладки встроенных пластин 7 для рассматриваемого мультипликатора. Можно выделить две группы пластин 7, каждая из которых образует вложенные друг в друга два слоя, причем в каждом слое встроенные пластины 7 проложены так, что образуются последовательно чередующиеся по угловому положению зоны минимального магнитного сопротивления для соответствующих фиксированных положений ведущего и ведомого звеньев относительно экрана 6. Угловые расположения полюсов ведущего и зубцов ведомого звеньев в зонах минимального магнитного сопротивления соответствуют положениям электромагнитного сцепления ведущего и ведомого валов 1, 9 муфты-редуктора. Для уменьшения пульсации электромагнитного момента сцепления осевое направление ферромагнитных пластин 7 при выходе на поверхность внешней полости экрана 6 может быть направлено под небольшим углом к осевому направлению полюсов магнитопровода 2 ведущего звена, а при выходе на поверхность внутренней полости экрана 6 - под небольшим углом к осевому направлению зубцов ведомого звена.

Фиг.5 иллюстрирует принцип создания электромагнитного момента сцепления муфты-редуктора. Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой 3 возбуждения электромагнита, замыкается через магнитопровод 2 ведущего звена, примыкающие ферромагнитные пластины 7 экрана 6 и ферромагнитный якорь 8 ведомого звена. При вращении ведущего звена с частотой вращения Ω₁ происходит последовательное увеличение магнитного потока в прилегающих к полюсам набегающих ферромагнитных пластинах 7 экрана 6 и уменьшение - в убегающих пластинах 7. В результате в экране 6 происходит движение зон максимальной индукции магнитного поля, которое увлекает за собой зубцы ферромагнитного якоря 8. В рассматриваемом варианте конструкции муфты-редуктора при движении зон максимальной индукции угловое изменение полярности магнитного поля в экране 6 со стороны внешней его полости происходит через 90 угловых градусов, так как магнитопровод 2 ведущего звена имеет четыре полюса, а со стороны внутренней полости - 180 градусов, так как магнитопровод (якорь 8) ведомого звена имеет два зубца. Таким образом, частота вращения ведомого звена Ω₂ в два раза превышает частоту вращения ведущего звена. Силы электромагнитного взаимодействия в муфте-редукторе образуются так же, как в синхронных электродвигателях, а именно: F₁ - за счет углового сдвига оси полюсов ведущего звена и оси зоны максимальной индукции внешней полости экрана 6, a F₂ - за счет углового сдвига оси зоны максимальной индукции внутренней полости экрана 6 и оси зубцов ведомого звена.

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном 6 работает следующим образом. При подключении обмотки 3 возбуждения к источнику постоянного тока происходит возбуждение магнитной цепи устройства, в результате чего элементы ведущего и ведомого звеньев занимают положение сцепления, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению контура магнитной цепи. При повороте на небольшой угол ведущего вала 1 происходит смещение оси зон максимальной магнитной индукции в ферромагнитных пластинах 7 экрана 6, что приводит к появлению сил электромагнитного взаимодействия F₁ и F₂, под действием которых элементы 8 и 9 ведомого звена вновь занимают положение сцепления. При непрерывном вращении ведущего вала 1 с частотой вращения Ω₁ вращение ведомого вала 9 происходит с частотой Ω₂, в два раза превышающей Ω₁ для рассматриваемой конструкции. Максимальный электромагнитный момент сцепления муфты-редуктора определяется конструктивными характеристиками элементов устройства и величиной магнитной индукции в зазорах.

Расчеты показывают, что предлагаемая конструкция обладает достаточно высокими удельными характеристиками, в том числе при использовании в установках большой мощности. Так, например, в рассмотренной конструкции муфты-редуктора мощностью 200 кВт с двукратной мультипликацией частоты вращения от 3000 об/мин ведущего вала до 6000 об/мин ведомого вала диаметр ведущего звена D=230 мм при длине 130 мм, диаметр ведомого звена d=150 мм при длине 200 мм.

Потери мощности предложенной муфты-редуктора определяются как сумма электрических потерь мощности в обмотке возбуждения и электромагнитных потерь во встроенных ферромагнитных элементах статора (потери от перемагничивания и от вихревых токов). Используя известные в электротехнике меры снижения вышеуказанных потерь, их можно свести к минимуму.

Отметим дополнительные особенности предлагаемого устройства.

Так как неподвижный экран 6 (статор) со встроенными ферромагнитными пластинами 7 выполняет функцию распределителя магнитного потока, то конструкция экрана 6 может быть выполнена с несоосными (как по высоте, так и по углу) внешней и внутренней полостями. Применительно к компрессорным установкам эта особенность муфты-редуктора в ряде случаев позволит оптимизировать конструкцию установки в целом.

Учитывая, что магнитный поток в неподвижном экране 6 замыкается через встроенные ферромагнитные пластины 7, длина которых несущественно сказывается на магнитном сопротивлении контура потока при изменении толщины стенок экрана 6, то толщина стенок экрана 6 может быть выбрана, исходя из требований обеспечения прочности, что является важным для применения в компрессорной технике.

Наличие в муфте-редукторе неподвижного экрана 6 позволяет герметизировать полость ведомого звена без применения дорогостоящих уплотнений. Это качество устройства является главным для применения в компрессорах, насосах и других технологических установках, в которых требуется передача вращения на устройства, работающие в условиях высоких или низких давлений и температур, агрессивных и взрывоопасных сред.

Благодаря такому выполнению электромагнитной муфты-редуктора, ее конструкция имеет высокие удельные характеристики, приемлемые потери мощности при высоких частотах вращения ведущего и ведомого валов, в результате чего муфта-редуктор является пригодной для применения в компрессорах, насосах и других технологических установках, в которых требуется передача вращения на устройства, работающие в условиях высоких или низких давлений и температур, агрессивных и взрывоопасных сред.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как устройство, осуществляющее сочленение валов с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов и передачу вращения с передаточным отношением, большим, меньшим или равным единице. Электромагнитная муфта-редуктор содержит связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении. Электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с, по меньшей мере, одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним. Техническим результатом являются высокие удельные характеристики, повышение технологичности. 5 ил.

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном, содержащая связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении, предназначенное для связи с валом исполнительного механизма, отличающаяся тем, что электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с, по меньшей мере, одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним.