СИНХРОННЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР-МУЛЬТИПЛИКАТОР УЗЯКОВА Российский патент 2016 года по МПК H02K49/10 F16H1/06 F16D27/01 

Изобретение относится к машиностроению и электротехнике, оно может быть использовано в качестве редукторов - механизмов для понижения угловой скорости и повышения вращающего момента, а также в качестве мультипликаторов - механизмов для повышения угловой скорости с понижением вращающего момента, с передаточным отношением большим, меньшим и равным единице, в обычном исполнении, а также для передачи энергии с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого валов.

Известны разнообразные магнитные редукторы, которые работают по принципу механических редукторов - непосредственного взаимодействия зубцов ведущего зубчатого колеса с зубцами ведомого колеса, но через магнитное взаимодействие. При этом сохраняются кинематические характеристики, аналогичные механическим редукторам (Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1980).

Общим недостатком известных устройств является то, что величина вращающих моментов магнитных редукторов значительно меньше, чем механических. В связи с чем данные механизмы не нашли широкого практического применения.

Наиболее близким по физической сущности к изобретению является трехфазный синхронный электродвигатель с ротором на постоянных магнитах, содержащий вал, установленный на подшипниках, на котором закреплен ротор на постоянных магнитах с явно выраженными магнитными полюсами и статор с явно выраженными полюсами, причем полюса статора имеют три группы (элемента) для трех фаз, в котором индуцируется вращающееся магнитное поле в результате прохождения трехфазного переменного тока по обмоткам, намотанным вокруг полюсов статора. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора (Волков Н.И. Электромашинные устройства автоматики. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1986).

Недостатком устройства является по определению необходимость подключения к сети переменного тока, сложность пуска и невозможность редуцирования механической энергии.

Вторым, наиболее близким по технической сущности к изобретению, является одноступенчатый редуктор, содержащий быстроходный вал с быстроходным звеном - шестерней, тихоходный вал с тихоходным звеном - зубчатым колесом, опоры валов (подшипники) и корпус (Решетов Д.Н. Детали машин. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1974).

К недостаткам устройства можно отнести высокую точность изготовления и отказы, связанные с механическим контактом зубьев в зоне зацепления.

Третьим, наиболее близким по физической и технической сущности к изобретению (прототипом), является синхронная активная многополюсная цилиндрическая муфта с магнитом «звездочка» (Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1980). Эта муфта обычно выполняется с явно выраженными полюсами обеих полумуфт. При холостом ходе муфты относительное смешение полумуфт отсутствует, существуют лишь силы их взаимного притяжения, действующие радиально. При приложении движущего момента и момента сопротивления возникает рассогласование полюсов полумуфт, изменение магнитной проводимости зазора и перераспределение магнитного потока в нем. В результате этого возникают касательные силы, стремящиеся вернуть систему в исходное взаимное положение и уменьшить угол рассогласования. Вследствие чего при вращении одной полумуфты синхронно вращается и вторая полумуфта.

Недостатком устройства является то, что оно позволяет реализовать только одно передаточное отношение равное единице.

Задача изобретения заключается в том, чтобы, используя принципы работы синхронных электрических машин с роторами на постоянных магнитах и синхронных активных многополюсных цилиндрических муфт с магнитом «звездочка», создать устройство преобразования параметров механической энергии - редуктор-мультипликатор для практического использования в машиностроении.

Поставленная задача решается тем, что синхронные активные магнитные редукторы-мультипликаторы Узякова с параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися осями содержат установленные на подшипниках два вала - быстроходный и тихоходный, на которых закреплены роторы на постоянных магнитах с явно выраженными полюсами, трехэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор, имеющий две цилиндрические не пересекающиеся внутренние поверхности с зубцами и корпус из немагнитного материала. Ротор быстроходного вала имеет четное число полюсов - два и более. Ротор тихоходного вала имеет также четное число полюсов - два и более, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора. Внутренняя цилиндрическая поверхность статора, в которую устанавливается быстроходный ротор, имеет число зубцов, кратное трем - по три на каждые два полюса быстроходного ротора, а внутренняя цилиндрическая поверхность статора, в которую устанавливается тихоходный ротор, имеет также число зубцов, кратное трем - по три на каждые два полюса тихоходного ротора. Между роторами и статором имеется основной воздушный зазор минимально возможной величины. Зазор между элементами статора как минимум в десять раз больше, чем основной воздушный зазор. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами быстроходного ротора, замыкается с магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами тихоходного ротора через трехэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор.

Вращение любого из роторов приводит к появлению вращающегося магнитного поля во внутренних цилиндрических поверхностях статора с зубцами. Второй ротор при этом синхронно поворачивается таким образом, чтобы угол рассогласования его полюсов и магнитного поля в зубцах статора был минимальным. При приложении момента сопротивления возникает рассогласование осей полюсов роторов и магнитного поля статора, изменение магнитной проводимости воздушных зазоров и перераспределение магнитных потоков в них. В результате чего возникают касательные силы, стремящиеся уменьшить угол рассогласования. Результирующий момент касательных сил в воздушных зазорах всех полюсов роторов, изобретения аналогичен моменту синхронной активной многополюсной цилиндрической муфты с магнитом «звездочка», будет больше, чем момент, возникающий при замыкании магнитного потока через один-два ферромагнитных зубца, как в большинстве известных магнитных редукторах, благодаря чему передаваемые вращающие моменты будут больше при одинаковых габаритно-весовых показателях.

Элементы магнитопровода могут быть плоскими, а могут иметь изгиб как в одной плоскости, так и в двух плоскостях. Поэтому синхронные активные магнитные редукторы-мультипликаторы Узякова в зависимости от формы элементов статора могут быть выполнены по следующим схемам:

- с параллельными осями - «цилиндрический» редуктор-мультипликатор;

- с пересекающимися осями - «конический» редуктор-мультипликатор;

- с перекрещивающимися осями - «винтовой» редуктор-мультипликатор.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема синхронного активного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова с параллельными осями (корпус не показан), а на фиг. 2 представлены схемы сечений А-А и Б-Б (корпус не показан).

Представленная на фиг. 1 и 2 схема изобретения состоит из следующих основных элементов: быстроходного явнополюсного ротора 1, установленного на быстроходном валу 6, содержащего две пары полюсов, тихоходного явнополюсного ротора 2, установленного на тихоходном валу 7, содержащего четыре пары полюсов, и статора, имеющего две внутренние цилиндрические не пересекающиеся поверхности, состоящего из трех ферромагнитных магнитопроводов 3, 4 и 5 (выделены различной штриховкой), между которыми имеется значительный осевой зазор (заполненный немагнитным материалом, не показан). Каждый ферромагнитный магнитопровод имеет со стороны быстроходного ротора зубцы, число которых равно числу пар полюсов быстроходного ротора (для представленной схемы два), а со стороны тихоходного ротора зубцы, число которых равно числу пар полюсов тихоходного ротора (для представленной схемы четыре). В-В - линия изгиба элементов статора для «конической» и «винтовой» схем.

Синхронный активный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова работает следующим образом. В исходном положении (для представленной на фиг. 1 и 2 схемы) полюса «S» быстроходного ротора взаимодействуют с полюсами «N» тихоходного ротора через элемент статора 3. А полюса «N» быстроходного ротора взаимодействуют с полюсами «S» тихоходного ротора через элементы статора 4 и 5. При повороте быстроходного ротора по часовой стрелке на половину зубцового деления для представленной схемы на угол 30° полюса «S» быстроходного ротора будут взаимодействовать с тихоходным ротором через элементы статора 3 и 4. А полюса «N» быстроходного ротора будут взаимодействовать с тихоходным ротором через элемент статора 5. При этом тихоходный ротор повернется по часовой стрелке на половину зубцового деления для представленной схемы на угол 15°. Таким образом, отношение углов поворота роторов и угловых скоростей (для представленной на фиг. 1 и 2 схемы) передаточное отношение i=2.

Если ведущим звеном будет тихоходный ротор, мы получаем мультипликатор (для представленной на фиг. 1 и 2 схемы с передаточным отношением i=0,5).

Трехэлементный статор, внутренние цилиндрические поверхности которого, обращенные к роторам, имеющие число зубцов, кратное трем - по три на каждые два полюса ротора, обеспечивает плавное, направленное вращение магнитного поля (как в трехфазном электродвигателе) и одновременное сцепление через статор магнитных потоков всех полюсов быстроходного и тихоходного ротора.

Потери мощности предложенного магнитного редуктора-мультипликатора определяются как сумма потерь мощности в подшипниках и в статоре от перемагничивания и от вихревых токов, для снижения последних статор изготавливается методом порошковой металлургии, так как столь сложную геометрическую форму трудно изготовить шихтованной.

Компьютерное моделирование в программах комплексного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов «FEMM 4.2» и «ansoft maxwell 16» показало работоспособность и высокую эффективность изобретения.

Изобретение относится к машиностроению и электротехнике и может быть использовано в качестве редукторов и мультипликаторов. Технический результат - повышение удельных характеристик. Синхронный магнитный редуктор-мультипликатор с параллельными, или пересекающимися, или перекрещивающимися осями содержит два явнополюсных ротора на постоянных магнитах - быстроходный и тихоходный, трехэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор, имеющий две внутренние цилиндрические не пересекающиеся поверхности с зубцами и корпус из немагнитного материала. Роторы имеют четное число полюсов - два и более, причем ротор тихоходного вала имеет число полюсов, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора. Внутренние цилиндрические поверхности статора имеют число зубцов, кратное трем - по три на каждые два полюса ротора. При этом полюса одной полярности быстроходного ротора сцепляются с полюсами второй полярности тихоходного ротора через один ферромагнитный элемент статора, а полюса второй полярности быстроходного ротора сцепляются с полюсами первой полярности тихоходного ротора через два ферромагнитных элемента статора. При вращении сцепление полюсов через один или два ферромагнитных элемента статора поочередно меняется. 2 ил.

Синхронный магнитный редуктор-мультипликатор с параллельными или пересекающимися или перекрещивающимися осями, содержащий установленные на подшипниках два вала, быстроходный и тихоходный, на которых закреплены явнополюсные роторы, ферромагнитный магнитопровод - статор, имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность с зубцами, и корпус из немагнитного материала, отличающийся тем, что явнополюсные роторы изготовлены на постоянных магнитах и имеют четное число полюсов - два и более, при этом тихоходный ротор имеет число полюсов, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора, статор состоит из трех ферромагнитных элементов, между которыми имеется зазор, имеет две внутренние цилиндрические не пересекающиеся поверхности с зубцами, обращенными к роторам, число зубцов кратно трем - по три на каждые два полюса ротора, магнитные потоки полюсов быстроходного ротора сцепляются с полюсами тихоходного ротора через воздушные зазоры между статором и роторами и ферромагнитный статор, при этом полюса одной полярности быстроходного ротора сцепляются с полюсами второй полярности тихоходного ротора через один ферромагнитный элемент статора, а полюса второй полярности быстроходного ротора сцепляются с полюсами первой полярности тихоходного ротора через два ферромагнитных элемента статора, при вращении сцепление полюсов через один или два ферромагнитных элемента статора поочередно меняется.