РЕВЕРСИВНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2018 года по МПК F16H15/00 G05D13/12 

Изобретение относится к электромеханическим передачам для регулирования частоты вращения и реверсирования рабочих органов механизмов без изменения направления вращения приводного двигателя и может быть использовано в качестве реверсивного вариатора в приводах различных машин и механизмов, а также для демонстрации закона сохранения кинетического момента системы и сложного движения.

Широко известны способы преобразования направления угловой скорости, основанные на реверсе электродвигателей на основе изменения полярностей обмоток возбуждения и применения дифференциальных зубчатых передач.

Из уровня техники известна реверсивная электромеханическая передача с ведомым валом из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР N 1418864, кл. H02K 49/04, опубл. 23.08.88, бюл. N31, содержащая приводной электродвигатель и корпус передачи, два индукционных тормоза с кольцевыми обмотками возбуждения и два механических дифференциала с водилом, свободно установленным в подшипниках на ведомом валу, сателлитами и цилиндрическими зубчатыми колесами, в одном из которых внутреннее центральное колесо соединено с ротором одного индукционного тормоза, в другом - внутреннее центральное колесо соединено с ведомым валом передачи, а внешнее - с ротором второго индукционного тормоза, статор электродвигателя установлен в средней части корпуса передачи, а его ротор закреплен на водиле и снабжен немагнитным средним кольцом.

Недостатком данного устройства является громоздкость и сложность конструкции.

Известна реверсивная электромеханическая передача патент №2451321, кл. G05D 13/12 (2006.01), Н02Р 4/00 (2006.01), F16H 33/04 (2006.01), опубл. 20.05.2012, бюл. N14, содержащая электродвигатель, корпус и вал, закрепленный в подшипниковых опорах, тормозное устройство и контактные кольца, при этом вал удлинен посредством жесткой муфты и на конце вала при помощи шлицев закреплен регулятор момента инерции, а на корпусе электродвигателя установлено тормозное устройство в виде тормозного диска, контактные кольца выполнены электрически изолированными от корпуса электродвигателя.

Линия питания электродвигателя содержит контактные кольца и токоподводящие контакты скольжения, контактные кольца выполнены электрически изолированными от корпуса и соединены с соответствующими выводами обмотки статора. Это устройство наиболее близко по своей технической сути к предлагаемому изобретению (прототип).

Недостатком этого устройства является непостоянство передаточного отношения при заданной нагрузке () и большие габариты по длине.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание устройства, работающего на основе закона сохранения кинетического момента технической системы для получения эффекта реверса и преобразования направления и величины угловой скорости рабочего органа машины.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве преобразования направления и величины угловой скорости вращения, (реверсивная электромеханическая передача), используется изменение соотношения моментов инерции вала (ротора) и корпуса (статора) электродвигателя, приводящее к изменению величины угловой скорости вращения корпуса и вала электродвигателя при постоянном тормозном моменте на валу электродвигателя, согласно закону сохранения кинетического момента системы (С.М. Тарг Краткий курс теоретической механики. 5-е изд., стереотип. - М.: НАУКА, Гл. ред. Физ-мат. литерат., 1967. С. 363-366), а изменение направления вращения (реверс) выходного рабочего органа достигается переключением жесткого соединения этого органа либо с ротором, либо со статором.

Устройство представляет собой реверсивную электромеханическую передачу, представленную на фигуре, содержащую электродвигатель, состоящий из корпуса (статора) 1 и вала (ротора) 2, статор жестко соединен с пустотелым валом 4, закрепленным в подшипниковых опорах 8, контактные кольца со скользящими токосъемными контактами 9, при этом на валу (роторе) установлен выходной рабочий орган (стакан) 3, имеющий возможность свободно скользить вдоль оси вала, на стакане при помощи шлицев закреплен регулятор момента инерции 5, включающий штанги 6 и грузы 7, и две зубчатые или магнитные самоцентрирующиеся муфты 10.

Линия питания электродвигателя содержит контактные кольца и токоподводящие контакты скольжения 9, контактные кольца выполнены электрически изолированными от корпуса 1 и соединены через пустотелый вал 4 с соответствующими выводами обмотки статора.

Устройство работает следующим образом. При включении электродвигателя вал 2 начинает вращаться с постоянной (установившейся) угловой скоростью ω₁, корпус 1 под действием реактивного момента внутренних сил вращается в сторону, противоположную направлению вращения вала 2 с угловой скоростью ω₂. При перемещении рабочего органа (стакана) 3 (вместе с регулятором 5) в крайне левое положение (см. фигуру) произойдет жесткое соединение стакана 3 со статором 1 электродвигателя с помощью муфты 10, при этом обеспечивается гарантированный зазор между поверхностью вала ротора 2 и направляющими втулками стакана 3 (обеспечивается свободное вращение ротора). Статор 1 и стакан 3 будут вращаться в одну сторону как единое целое с угловой скоростью .

При перемещении рабочего органа в крайне правое положение произойдет жесткое соединение этого органа (стакана 3) с ротором 2 с помощью второй муфты 10, ротор и стакан будут в этом случае вращаться как единое целое в противоположную сторону с угловой скоростью , здесь: J₁ - суммарный момент статора, вала 4, стакана 3 с регулятором 5 и муфтой 10; J₂ - суммарный момент инерции ротора, стакана 3 с регулятором 5 и муфтой 10 (моменты инерции принимаются относительно оси вращения X).

Изменение величин угловых скоростей достигается с помощью регулятора момента инерции 5 (который может плавно изменять соотношение величин моментов инерции J₁ и J₂).

Указанные эффекты являются следствием закона сохранения кинетического момента L_x (относительно оси вращения X) механической системы (реверсивная электромеханическая передача), вытекающего в свою очередь из теоремы об изменении кинетического момента: ,

(А.А. Яблонский, В.М. Никифорова. - 15-е изд., стереотип. - М.: КНОРУС, 2010. С. 391-392., С.М. Тарг Краткий курс теоретической механики. 5-е изд., стереотип. - М.: НАУКА, Гл. ред. физ-мат. литерат., 1967. С. 363-366.)

при стационарном вращении тел (ротора и статора) М_х=0, тогда L_x=const,

здесь: М_х - внешний тормозной момент на рабочем органе 3, а стало быть, и на валу ротора электродвигателя, L_x=J₁ω₁+J₂ω₂ ^_ кинетический момент механической системы реверсивной электромеханической передачи.

Поскольку в начальный момент времени механическая система была неподвижна, а затем ротор стал вращаться с угловой скоростью под действием внутренних сил (С.М. Тарг Краткий курс теоретической механики. 5-е изд., стереотип. - М.: НАУКА, Гл. ред. физ-мат. литерат., 1967. С. 366), поэтому L_x=J₁ω₁+J₂ω₂=0, отсюда вытекают вышеприведенные равенства, определяющие угловые скорости ω₁, ω₂.

Экспериментальная проверка заявляемого устройства подтвердила, что наличие регулятора 5 момента инерции и наличие технической возможности переключения с помощью муфт направления вращения, позволяет производить реверсирование (изменение направления вращения) и плавное регулирорвание величины угловой скорости вращения с сохранением постоянного передаточного отношения i за счет задаваемого постоянства отношения величин J₁ и J₂ при различных величинах тормозных моментов М_х.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к электромеханическим передачам. Реверсивная электромеханическая передача содержит электродвигатель, вал (4), контактные кольца со скользящими токосъемными контактами (9), рабочий орган (стакан) (3), регулятор момента инерции (5) и муфты (10). Электродвигатель состоит из корпуса (статора) (1) и ротора (2). Статор жестко соединен с пустотелым валом (4). Рабочий орган (стакан) (3) имеет возможность свободно скользить вдоль оси вала (4). На стакане при помощи шлицев закреплен регулятор момента инерции (5), включающий штанги (6) и грузы (7). Направление вращения рабочего органа (стакана) можно менять, жестко соединяя рабочий орган с помощью самоцентрирующихся зубчатых или магнитных муфт (10) либо со статором, либо с ротором электродвигателя. Регулятор (5) обеспечивает плавное регулирование величины угловой скорости вращения. Достигается уменьшение габаритов. 1 ил.

Реверсивная электромеханическая передача, содержащая статор и ротор электродвигателя, вал, закрепленный в подшипниковых опорах, контактные кольца, выполненные электрически изолированными от корпуса, регулятор момента инерции, отличающаяся тем, что на выходной конец ротора электродвигателя надет рабочий орган (стакан) с возможностью скольжения вдоль оси ротора, на конце ротора и на торце статора закреплены зубчатые или магнитные самоцентрирующиеся муфты для жесткого соединения рабочего органа (стакана) либо со статором, либо с ротором электродвигателя, вал выполнен пустотелым.