Электромагнитная передача с катящимся ротором Российский патент 2022 года по МПК H02K41/06 H02K49/10 F16H49/00 

Изобретение относится к области электромеханики, в частности, к электрическим машинам с двумя роторами, магнитным передачам и делителям мощности и может быть использовано в электромеханических системах для бесступенчатого изменения передаточного отношения и стабилизации скорости вращения.

Известна циклоидальная магнитная передача (патент US №10715025, публ. 14.07.2020, МПК H02K 49/10, F16H 1/32), содержащая статор в виде полого цилиндрического магнитопровода, на внутренней поверхности которого расположены постоянные магниты. Эксцентрично статору расположен ротор, состоящий из цилиндрического магнитопровода, на внешней поверхности которого закреплены постоянные магниты, но с меньшим относительно статора числом пар полюсов. Ротор имеет возможность обкатываться по внутреннему диаметру статора, не соприкасаясь с ним, совершая сложное вращательное движение - одновременно вокруг оси симметрии статора и вокруг собственной оси симметрии.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность, а также малые функциональные возможности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является электромагнитная передача (патент GB №2558660, публ. 18.07.2018, МПК H02K 16/02), содержащая статор, состоящий из полого цилиндрического магнитопровода статора, в котором выполнены пазы для укладки обмотки, создающие магнитное поле с p_s парами полюсов. Концентрично статору расположен внутренний ротор, состоящий из полого цилиндрического магнитопровода внутреннего ротора, на внешней поверхности которого закреплены постоянные магниты внутреннего ротора, создающие магнитное поле с p_i парами полюсов. Концентрично статору и в пространстве между статором и внутренним ротором расположен внешний ротор-модулятор, состоящий из разделенных между собой немагнитными промежутками сегментов из магнитомягкого материала, число которых равно N_pp. К внешнему и внутреннему ротору жестко прикреплены быстроходный и тихоходный валы. Естественное передаточное отношение (при неподвижном магнитном поле статора) устройства определяется как

Для регулирования передаточного отношения магнитное поле статора приводят во вращение, при этом соотношение скоростей между элементами магнитной системы удовлетворяет выражению

где ω_i, ω_s, ω_o - угловые скорости вращения внутреннего ротора, поля статора и внешнего ротора-модулятора соответственно.

Недостатком данного технического решения является наличие внешнего ротора-модулятора, который имеет сложную и нестандартную для электротехнической промышленности конструкцию, а также является причиной повышения уровня магнитных потоков рассеяния в зазорах магнитной передачи, что играет ключевую роль в снижении силовых показателей устройства при увеличении естественного передаточного отношения, что определяет относительно невысокие естественное передаточное отношение, технологичность изготовления и прочность конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение естественного передаточного отношения, улучшение технологичности и прочности конструкции электромагнитной передачи.

Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных показателей редукторных приводных систем.

Это достигается тем, что известная электромагнитная передача с катящимся ротором, содержащая статор с осью симметрии O₁, являющейся основной осью, состоящий из магнитопровода статора в виде полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которые уложена обмотка с числом пар полюсов p_s, внутренний ротор, расположенный концентрично статору и состоящий из магнитопровода внутреннего ротора, постоянных магнитов внутреннего ротора с числом пар полюсов p_i, тихоходный вал, жестко прикрепленный к внутреннему ротору, внешний ротор, расположенный в пространстве между статором и внутренним ротором и содержащий магнитопровод внешнего ротора, быстроходный вал, жестко прикрепленный к внешнему ротору, при этом внутренний ротор выполнен с возможностью вращения вокруг основной оси O₁, снабжена подшипниковой опорой, внешний ротор установлен эксцентрично относительно основной оси O₁ и имеет собственную ось симметрии O₂, при этом он выполнен с возможностью вращения вокруг основной оси O₁ и собственной оси симметрии O₂, магнитопровод внешнего ротора выполнен в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого закреплены наружные постоянные магниты внешнего ротора с числом пар полюсов p_oo, а на внутренней поверхности - внутренние постоянные магниты внешнего ротора с числом пар полюсов p_oi, быстроходный вал выполнен ступенчатой формы и его прикрепление к внешнему ротору выполнено подшипниковой опорой, радиальное расстояние между осями О₁О₂ выбрано из геометрических соображений согласно выражению O₁O₂=r_si - r_oo - ag_min.o, где r_si - внутренний радиус статора, r_oo - внешний радиус внешнего ротора, ag_min.o - минимальное значение воздушного зазора между статором и внешним ротором, причем внешний радиус внутреннего ротора удовлетворяет выражению r_io=r_oi - O₁O₂ - ag_min.i, где r_oi - внутренний радиус внешнего ротора, ag_min.i - минимальное значение воздушного зазора между внешним ротором и внутренним ротором, числа пар полюсов статора, внутреннего и внешнего роторов выбраны из условий

где n и k - любые целые неотрицательные числа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой электромагнитной передачи с катящимся ротором, на фиг. 2 изображен общий вид трехмерной модели электромагнитной передачи с катящимся ротором согласно изобретению.

Электромагнитная передача с катящимся ротором содержит статор 1 с осью симметрии O₁ (основная ось), состоящий из магнитопровода статора 2 в виде полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которые уложена обмотка 3 с числом пар полюсов p_s. Концентрично статору 1 расположен внутренний ротор 4, состоящий из магнитопровода внутреннего ротора 5, постоянных магнитов внутреннего ротора 6 с числом пар полюсов p_i. К внутреннему ротору 4 жестко прикреплен тихоходный вал 7. В пространстве между статором 1 и внутренним ротором 4 эксцентрично относительно основной оси O₁ расположен внешний ротор 8 с осью симметрии O₂. Внешний ротор 8 содержит магнитопровод внешнего ротора 9, выполненный в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого закреплены наружные постоянные магниты внешнего ротора 10 с числом пар полюсов p_oo, а на внутренней поверхности - внутренние постоянные магниты внешнего ротора 11 с числом пар полюсов p_oi. К внешнему ротору 8 жестко прикреплен быстроходный вал 12 ступенчатой формы в виде водила при помощи подшипниковой опоры 13.

Радиальное расстояние между осями O₁O₂ (эксцентриситет) выбрано из геометрических соображений согласно выражению

где r_si - внутренний радиус статора 1, r_oo - внешний радиус внешнего ротора 8, ag_min.o - минимальное значение внешнего воздушного зазора (между статором 1 и внешним ротором 8).

При этом внешний радиус внутреннего ротора 4 удовлетворяет выражению

где r_oi - внутренний радиус внешнего ротора 8, ag_min.i - минимальное значение внутреннего воздушного зазора (между внешним ротором 8 и внутренним ротором 4).

При этом числа пар полюсов статора 1, внутреннего 4 и внешнего 8 роторов выбраны из условий

где n и k - любые целые неотрицательные числа.

Внутренний ротор 4 выполнен с возможностью вращения только вокруг основной оси O₁, а внешний ротор 8 - вокруг основной оси O₁ и собственной оси симметрии O₂.

Электромагнитная передача с катящимся ротором работает следующим образом.

Если предположить, что приводной двигатель вращает внешний ротор 8 относительно основной оси O₁ с заданным направлением и скоростью, то он в результате силового взаимодействия между магнитным полем обмотки 3 и наружных постоянных магнитов внешнего ротора 10 начнет также вращаться относительно своей собственной оси O₂ в направлении и со скоростью согласно выражению

где ω_s - угловая скорость магнитного поля статора 1, рад/с

ω_о - угловая скорость внешнего ротора 8 относительно основной оси O₁, рад/с.

Вследствие силового взаимодействия между внутренними постоянными магнитами внешнего ротора 11 и постоянными магнитами внутреннего ротора 6, последний приходит во вращение относительно основной оси O₁ в направлении и скоростью согласно выражению

где i_i - естественное передаточное число, равное отношению скоростей вращения внешнего ротора 8 и внутреннего ротора 4 относительно основной оси O₁ при неподвижном магнитном поле статора 1

В естественном режиме, то есть при неподвижном магнитном поле статора 1 (ω_s=0) внутренний ротор 4 - быстроходный, вращение внешнего ротора 8 вокруг его собственной оси O₂ - тихоходное, а вращение внешнего ротора 8 вокруг основной оси O₁ - быстроходное. Однако, в общем случае при изменении частоты вращения магнитного поля обмотки 3 возможны любые другие комбинации вплоть до прямо противоположных, когда тихоходный ротор внешний 8, а быстроходный внутренний 4, что, впрочем, нежелательно с точки зрения эффективности устройства. По этой причине для определенности понятия быстроходный вал и тихоходный вал вводятся для естественного режима.

В общем случае между скоростями вращения внешнего ротора 8 ω_o, внутреннего ротора 4 ω_i, и магнитного поля статора 1 n_s выполняется следующее соотношение

что дает передаточное отношение при ведущем внутреннем роторе 4 (естественный режим мультипликатора)

При ведущем внешнем роторе 8 (естественный режим редуктора)

Таким образом, при заданной частоте вращения одного из роторов передаточное отношение устройства регулируется при помощи изменения частоты и направления вращения магнитного поля статора 1. Электрическая мощность, подводимая к обмотке 3 статора 1, определяется требуемым диапазоном регулирования. Например, для регулирования передаточного отношения в диапазоне ±50% от естественного i_i, мощность, подводимая к обмотке 3 статора 1, должна составлять не менее 50% от суммарной проходной мощности. То есть в крайних точках диапазона регулирования половина мощности передается напрямую между внутренним 4 и внешним 8 роторами, а половина за счет обмотки 3 статора 1. На практике это позволяет значительно понизить установленную мощность силового электронного преобразователя, традиционно применяемого в электромеханических системах с переменной частотой вращения, при сохранении или некотором снижении массогабаритных показателей электромеханической системы в целом.

Если рассмотреть случай, когда приводной двигатель подключается к быстроходному валу 12 и вращает его относительно основной оси O₁, то он за счет своей ступенчатой формы приводит в движение внешний ротор 8 как вокруг основной оси О₁, так и вокруг оси O₂. Тихоходный вал 7, жестко скрепленный с внутренним ротором 4 - так же, как и быстроходный вал 12 совершает простое вращательное движение относительно основной оси O₁. Таким образом, несмотря на сложное движение внешнего ротора 8, быстроходный 12 и тихоходный 7 валы будут расположены на одной оси O₁ и совершать вокруг нее простое вращательное движение. Вращение внешнего ротора 8, совершаемое вокруг оси его симметрии O₂ обеспечивает взаимодействие между магнитными системами внутреннего 4 и внешнего 8 роторов с разными числами пар полюсов, выполняя роль модулятора, но принципиально другого относительно прототипа принципа действия. Другими словами, внешний ротор 8 имеет возможность свободно вращаться относительно собственной оси симметрии O₂ за счет подшипниковой опоры 13. Скорость этого вращения определяется числами пар полюсов элементов магнитной системы и скоростью вращения магнитного поля статора 1. Относительно оси O₂ ко внешнему ротору 8 не приложен внешний момент, поэтому сумма моментов, действующих на него относительно этой оси, определяется только силами магнитного взаимодействия между элементами магнитной системы передачи и равна нулю в установившемся режиме работы. Предлагаемое техническое решение функционирует подобно планетарному механизму, так как ось вращения O₂ вращается вокруг оси вращения O₁.

За счет того, что сложная конструкция внешнего ротора-модулятора прототипа заменена в предлагаемом изобретении на полый цилиндрический магнитопровод 9 с постоянными магнитами на внешней и внутренней поверхностях 10, 11, улучшается технологичность, упрощается процесс изготовления устройства при обеспечении надлежащей механической прочности внешнего ротора 8. За счет отсутствия магнитомягких сегментов в промежутке между статором 1 и внутренним ротором 4 уменьшаются потоки рассеяния, что позволяет увеличить естественное передаточное отношение вплоть до 50-60 в одной ступени, что в 2-3 раза больше, чем в прототипе.

Использование изобретения позволяет увеличить передаточное отношение, улучшить технологичность и прочность конструкции, что положительно скажется на эксплуатационных показателях редукторных электромеханических систем.

Изобретение относится к области электромеханики. Технический результат – улучшение эксплуатационных показателей. Электромагнитная передача состоит из статора с основной осью O₁ с обмоткой с числом пар полюсов p_s, внутреннего концентричного статору ротора и внешнего ротора, расположенного между статором и внутренним ротором эксцентрично относительно основной оси. На внутренний ротор установлены постоянные магниты с числом пар полюсов p_i. На внешней поверхности внешнего ротора закреплены постоянные магниты с числом пар полюсов p_oo, а на внутренней - с числом пар полюсов p_oi. Тихоходный вал жестко прикреплен к внутреннему ротору, а быстроходный – к внешнему. Внешний ротор вращается вокруг основной оси O₁ и вокруг собственной оси симметрии O₂. Расстояние между осями O₁O₂ выбрано по выражению O₁O₂=r_si - r_oo - ag_min.o, где r_si - внутренний радиус статора, r_oo - внешний радиус внешнего ротора, ag_min.o - минимальное значение воздушного зазора между статором и внешним ротором. Внешний радиус внутреннего ротора удовлетворяет выражению r_io=r_oi - O₁O₂ - ag_min.i, где r_oi - внутренний радиус внешнего ротора, ag_min.i - минимальное значение воздушного зазора между внешним ротором и внутренним ротором, числа пар полюсов статора, внутреннего и внешнего роторов выбраны из условий где n и k - любые целые неотрицательные числа. 2 ил.

Электромагнитная передача с катящимся ротором, содержащая статор с осью симметрии O₁, являющейся основной осью, состоящий из магнитопровода статора в виде полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности, в которые уложена обмотка с числом пар полюсов p_s, внутренний ротор, расположенный концентрично статору и состоящий из магнитопровода внутреннего ротора, постоянных магнитов внутреннего ротора с числом пар полюсов p_i, тихоходный вал, жестко прикрепленный к внутреннему ротору, внешний ротор, расположенный в пространстве между статором и внутренним ротором и содержащий магнитопровод внешнего ротора, быстроходный вал, жестко прикрепленный к внешнему ротору, при этом внутренний ротор выполнен с возможностью вращения вокруг основной оси O₁, отличающаяся тем, что она снабжена подшипниковой опорой, внешний ротор установлен эксцентрично относительно основной оси O₁ и имеет собственную ось симметрии O₂, при этом он выполнен с возможностью вращения вокруг основной оси O₁ и собственной оси симметрии O₂, магнитопровод внешнего ротора выполнен в виде полого цилиндра, на внешней поверхности которого закреплены наружные постоянные магниты внешнего ротора с числом пар полюсов p_oo, а на внутренней поверхности - внутренние постоянные магниты внешнего ротора с числом пар полюсов p_oi, быстроходный вал выполнен ступенчатой формы и его прикрепление к внешнему ротору выполнено подшипниковой опорой, радиальное расстояние между осями O₁O₂ выбрано из геометрических соображений согласно выражению O₁O₂=r_si - r_oo - ag_min.o, где r_si - внутренний радиус статора, r_oo - внешний радиус внешнего ротора, ag_min.o - минимальное значение воздушного зазора между статором и внешним ротором, причем внешний радиус внутреннего ротора удовлетворяет выражению r_io=r_oi - O₁O₂ - ag_min.i, где r_oi - внутренний радиус внешнего ротора, ag_min.i - минимальное значение воздушного зазора между внешним ротором и внутренним ротором, числа пар полюсов статора, внутреннего и внешнего роторов выбраны из условий

где n и k - любые целые неотрицательные числа.