МАГНИТНАЯ ПЕРЕДАЧА (ВАРИАНТЫ) И ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ МАГНИТНУЮ ПЕРЕДАЧУ Российский патент 2023 года по МПК H02K51/00 H02K49/10 F16H49/00 

Группа изобретений относится к области электротехники, в частности к электромагнитным механизмам, а именно к бесконтактным магнитным передачам и может быть использована в качестве передаточного устройства. Также представляется актуальным использование магнитной передачи в составе электрогенераторов для электропитания, в частности, для питания внутрискважинных устройств.

Известен соосный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова, содержащий быстроходный и тихоходный валы, на которых закреплены роторы с явно выраженными полюсами и ферромагнитный магнитопровод-статор (патент РФ №2579443 С2, МПК Н02K 49/10, F16H 1/06, F16D 27/01, дата приоритета 20.03.2015, дата публикации 10.04.2016, авторы: Узяков Р.Н. и др., RU).

К недостаткам изобретения относится низкая надежность и функциональное ограничение, выраженные в том, что устройство имеет несквозную конструкцию, что не позволяет проходить потоку через устройство и поэтому, например, не дает возможность использовать устройство в скважинных условиях.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа магнитной передачи, является электрическая машина, содержащая магнитную передачу, при этом в соответствии с одним из вариантов изобретения магнитная передача включает статор, несущий на поверхности внутренней стенки систему равноудаленно расположенных вокруг его оси постоянных магнитов, полый тихоходный ротор с секцией модулятора, установленный в опорах с возможностью вращения вокруг своей оси, быстроходный ротор, несущий на поверхности внешней стенки систему равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения постоянных магнитов, установленный в опоре с возможностью вращения вокруг продольной оси [номер публикации US №20210265905 А1, МПК Н02K 49/10, дата приоритета 26.04.2019, дата публикации 11.05.2021, рис. 3, авторы: Gerald Jungmayr (AT), Gunther Weidenholzer (AT), Edmund Marth (AT), прототип].

К недостаткам прототипа относится низкая надежность, эффективность и функциональное ограничение, выраженные в том, что устройство имеет несквозную конструкцию, что не позволяет проходить потоку через устройство и поэтому не дает возможность использовать устройство в скважинных условиях; также опоры роторов не имеют упоров, что вызывает динамическую неустойчивость ротора и невозможность использования в вертикальном положении; кроме того, причиной низкой эффективности и надежности является то, что опора быстроходного ротора установлена на подвижном тихоходном роторе, что приводит к излишней мультипликации и повышенному износу колец подшипника, ввиду вращения обоих колец, что, в свою очередь, понижает надежность конструкции в целом.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа электрогенератора, является скважинный электрогенератор, содержащий завихритель потока текучей среды, включающий статор с обмоткой возбуждения, вращатель в виде безлопастной турбины с системой магнитов (патент РФ №2695735 С1, МПК F15D 1/12, Е21В 41/00, дата приоритета 05.12.2018, дата публикации 25.07.2019, авторы: Башмур К.А., Петровский Э.А., RU, прототип).

Недостатками известного электрогенератора, принятого в качестве прототипа, являются: низкая надежность, эффективность и функциональные ограничения, выраженные тем, что обмотка возбуждения и система магнитов используются в затрубном пространстве, при этом невозможно его применение и использование оборудования при проведении технологических операций в скважине, связанных с затрубным пространством между насосно-компрессорной колонной труб и обсадной колонной, а использование турбины без передачи может привести к низкой эффективности электрогенератора вследствие недостаточного количества оборотов его ротора, что не позволит получить высокую мощность электрогенерации.

Технической проблемой, решаемой изобретениями, является повышение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей магнитной передачи и электрогенератора.

Для решения технической проблемы предложена магнитная передача в первом варианте исполнения, содержащая статор, несущий на поверхности внутренней стенки систему равноудаленно расположенных вокруг его оси постоянных магнитов, полый тихоходный ротор с секцией модулятора, установленный в опорах с возможностью вращения вокруг своей оси, быстроходный ротор, несущий на поверхности внешней стенки систему равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения постоянных магнитов, установленный в опоре с возможностью вращения вокруг продольной оси. Новым является то, что статор представляет собой сборный сквозной корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом верхняя часть имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ, образующий посадочное место подшипника, на котором установлен быстроходный ротор, выполненный в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения, а тихоходный ротор, приводимый внешней энергией, состоит из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом нижняя часть выполнена в форме стакана с уширенной в сторону корпуса стенкой Ч-образного продольного сечения, причем в наружную боковую поверхность стакана интегрирован модулятор, снизу образовано посадочное место подшипника, а внутрь стенки стакана с зазором к его основанию и коаксиально тихоходному ротору установлен быстроходный ротор для образования силового магнитного сцепления модулятора с магнитами быстроходного ротора и статора.

Согласно изобретению, на незакрепленных торцах тихоходного ротора установлены герметизирующие прокладки.

Для решения технической проблемы предложена магнитная передача во втором варианте исполнения, содержащая статор, несущий на поверхности внутренней стенки систему равноудаленно расположенных вокруг его оси постоянных магнитов, полый тихоходный ротор с секцией модулятора, установленный в опорах с возможностью вращения вокруг своей оси, быстроходный ротор, несущий на поверхности внешней стенки систему равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения постоянных магнитов, установленный в опоре с возможностью вращения вокруг продольной оси. Новым является то, что быстроходный ротор состоит из верхней и нижней частей, при этом нижняя часть представляет собой полое цилиндрическое тело с наружным поперечным выступом, образующим снизу посадочное место подшипника, статор представляет собой сборный сквозной корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом верхняя часть имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ, образующий посадочное место подшипника, на котором установлена верхняя часть быстроходного ротора, выполненная в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения, а тихоходный ротор, приводимый внешней энергией, состоит из верхней, средней и нижней частей, при этом средняя часть выполнена цилиндрической с уширенной в сторону корпуса Н-образной стенкой в продольном сечении, причем в наружную боковую поверхность стенки интегрированы модуляторы, а внутрь стенки с зазором к перемычке Н-образного сечения и коаксиально тихоходному ротору установлены верхняя и нижняя части быстроходного ротора для образования силового магнитного сцепления модуляторов с магнитами быстроходного ротора и статора, при этом торец нижней части корпуса выполнен ступенчатым вовнутрь, образующим посадочные места подшипников, на верхнем из которых посредством наружного поперечного выступа установлена нижняя часть быстроходного ротора, а на нижнем установлена нижняя часть тихоходного ротора.

Согласно изобретению, на незакрепленных торцах тихоходного ротора установлены герметизирующие прокладки.

Для решения технической проблемы предложен электрогенератор, содержащий статор с обмоткой возбуждения, ротор с системой магнитов, а также вращатель в виде турбины. Новым является то, что для преобразования энергии вращателя используется, по меньшей мере, одна вышеупомянутая магнитная передача.

Согласно изобретению, обмотка возбуждения может фиксироваться во внутренней полости корпуса посредством стопорного разжимного кольца.

На фиг. 1 представлен продольный разрез электрогенератора с магнитной передачей по первому варианту исполнения; на фиг. 2 - продольный разрез электрогенератора с магнитной передачей по второму варианту исполнения.

Магнитная передача в первом варианте исполнения (фиг. 1) включает в себя сборный сквозной корпус 1, состоящий из верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных разъемным соединением. Корпус 1, выполняющий функции статора, соединен разъемным соединением с неподвижной муфтой 4. Корпус несет на поверхности внутренней стенки систему постоянных магнитов 5, равноудаленно расположенных вокруг его оси. Верхняя часть корпуса 1 имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ 6, образующий посадочное место подшипника 7, на который установлен быстроходный ротор 8, выполненный в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения, и несущий на поверхности внешней стенки систему постоянных магнитов 9 равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения. Тихоходный ротор 10 установлен в подшипниковых опорах 11 и 12 с возможностью вращения вокруг своей оси. При этом тихоходный ротор 10 состоит из верхней 13 и нижней 14 частей, соединенных разъемным, например резьбовым, соединением. Нижняя часть тихоходного ротора 10 выполнена в форме стакана с уширенной в сторону корпуса стенкой Ч-образного продольного сечения 15, причем в наружную боковую поверхность стакана интегрирован модулятор 16, снизу образовано посадочное место подшипника 12, а внутрь стакана с зазором Δ к его основанию и коаксиально тихоходному ротору 10 установлен быстроходный ротор 8 для образования силового магнитного сцепления модулятора 16 с магнитами 5 и 9 быстроходного ротора 8 и статора 1. Модулятор 16 представляет собой сегменты из магнитомягкого материала и предназначен для прохождения магнитного потока.

На тихоходном роторе 10 расположены элементы взаимодействия со средой 17, воспринимающие и передающие ему энергию текучей среды. Ротор 10 с элементами взаимодействия со средой 17 образуют турбинный вращатель. Элементы 17 могут представлять собой лопасти или поверхность с рельефом поверхности, например, винтовым. При этом зазоры между тихоходным ротором 10 и неподвижной муфтой 4 обеспечиваются осевыми силами потока среды, действующими на элементы 17, а также подшипниковыми опорами 11 и 12. Передача кинетической энергии вращения может осуществляться от привода (не показан) посредством муфтового, шпоночного или шлицевого соединения с тихоходным ротором 10.

На незакрепленных торцах тихоходного ротора 10 могут быть установлены герметизирующие прокладки 18.

Данная компоновка магнитной передачи может быть использована как в горизонтальном исполнении, так и в вертикальном.

Магнитная передача во втором варианте исполнения (фиг. 2) включает в себя сборный сквозной корпус 1, состоящий из верхней части 2 и нижней части 3, соединенных разъемным соединением. Корпус 1 соединен разъемным соединением с неподвижной муфтой 4. Верхняя часть корпуса несет на поверхности внутренней стенки систему постоянных магнитов 5, равноудаленно расположенных вокруг и вдоль его оси. Быстроходный ротор 8 состоит из верхней 19 и нижней 20 частей, несущих на поверхностях стенок системы постоянных магнитов 9, равноудаленно расположенных вокруг и вдоль осей их вращения. Верхняя часть 19 выполнена в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения. Верхняя часть корпуса 1 имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ 6, образующий посадочное место подшипника 7, на который установлена верхняя часть 19 быстроходного ротора 8, выполненная в виде подвеса. Нижняя часть 20 быстроходного ротора 8 представляет собой полое цилиндрическое тело с наружным поперечным выступом 21. Торец 22 нижней части корпуса 1 выполнен ступенчатым внутрь, образующим сверху посадочное место 23, на котором посредством поперечного выступа 21 на подшипниковую опору 24 установлена нижняя часть 20 быстроходного ротора 8. Тихоходный ротор 10 состоит из верхней 13, средней 14 и нижней 25 частей. Тихоходный ротор 10 установлен в подшипниковых опорах 11 и 12, расположенных соответственно в муфте 4 и на нижней ступени торца в нижней части 3 корпуса 1. Средняя часть 14 тихоходного ротора 10 выполнена цилиндрической с уширенной в сторону корпуса Н-образной стенкой 26 в продольном сечении, в наружную боковую поверхность которой, соответственно в верхнюю 27 и нижнюю 28 части интегрированы модуляторы 16. Внутрь стенки с осевым зазором Δ к перемычке 29 Н-образного сечения и коаксиально тихоходному ротору 10 установлены верхняя 19 и нижняя 20 части быстроходного ротора 8, образуя силовое магнитное сцепление модуляторов 16 с системой магнитов 9 быстроходного ротора 8 и системой магнитов 5 корпуса 1.

На тихоходном роторе 10 расположены элементы взаимодействия со средой 17, воспринимающие и передающие ему энергию текучей среды. Ротор 10 с элементами взаимодействия со средой 17 образуют турбинный вращатель. Элементы 17 могут представлять собой лопасти или поверхность с рельефом поверхности, например, винтовым. При этом зазоры между тихоходным ротором 10 и неподвижной муфтой 4 обеспечиваются осевыми силами потока среды, действующими на элементы 17, а также подшипниковыми опорами 11 и 12. Передача кинетической энергии вращения может осуществляться от привода (не показан) посредством муфтового, шпоночного или шлицевого соединения с тихоходным ротором 10.

На незакрепленных торцах тихоходного ротора 10 могут быть установлены герметизирующие прокладки 18.

Данная компоновка магнитной передачи может быть использована как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении.

Электрогенератор (фиг. 1 и фиг. 2) включает в себя магнитную передачу, ее элементы и соответствующие позиции, при этом на поверхности внутренней стенки корпуса 1 установлена обмотка возбуждения 30, образующая с системами постоянных магнитов 9 быстроходного ротора 8 электрогенератор. В стенке корпуса 1 выполнено перфорированное отверстие 31 под вывод электродов (не показаны). Обмотка возбуждения 30 может фиксироваться во внутренней полости корпуса 1 посредством стопорного разжимного кольца 32.

Компоновка электрогенератора может быть использована как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении.

Коаксиальная планетарная магнитная передача в обоих вариантах исполнения работает следующим образом.

При прохождении потока текучей среды Q через тихоходный ротор 10, происходит преобразование энергии текучей среды в механическую энергию вращения тихоходного ротора 10, что, в свою очередь, ведет к повороту магнитного поля. При этом подача энергии на тихоходный ротор 10 может осуществляться от привода (не показан) посредством муфтового, шпоночного или шлицевого соединения с тихоходным ротором 10. Вследствие магнитного силового взаимодействия, осуществляемого системами магнитов 5 и 9, а также модулятором 16, приходит в движение быстроходный ротор 8 магнитной передачи в том же направлении, что и поворот тихоходного ротора 10. Это приводит к мультиплицированию оборотов движения тихоходного ротора 10 на быстроходном роторе 8.

Электрогенератор работает следующим образом.

При подаче входной энергии, например, при помощи потока текучей среды Q, на магнитную передачу в ней происходит преобразование исходной энергии в механическую энергию вращения быстроходного ротора 8 с преобразованием количества оборотов тихоходного ротора 10, воспринимающего входную энергию. При вращении быстроходного ротора 8 с магнитами 9 будет образовываться переменное магнитное поле. При взаимодействии системы магнитов 9 с обмоткой 30 создается электрическая энергия переменного тока.

Таким образом, результатами использования предлагаемых изобретений являются: повышение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей магнитной передачи и электрогенератора, в частности возможности устойчивой работы данных устройств в горизонтальном и вертикальном исполнении, а также в условиях ограниченного пространства, например, в трубопроводах и скважинах, путем исполнения статора и ротора полыми и составными, установкой тихоходного ротора в посадочные места - упоры, образованные его торцами и внутренними выступами внутри статора, выполнения быстроходного ротора в виде подвеса и его установки в образованные посадочные места, созданные, с одной стороны, с зазором внутри уширенной стенки тихоходного ротора, в которой интегрирован модулятор, и, с другой стороны, на внутреннем выступе корпуса, то есть, путем компоновки статора и роторов с модулятором, обеспечивающей их магнитное сцепление, при этом осуществлена надежная герметизация магнитов и обмотки от текучей среды, кроме этого, может быть получена высокая мощность электрогенератора, вследствие использования магнитной передачи.

Группа изобретений относится к области электротехники. Технический результат – повышение эффективности, надежности и расширение функциональных возможностей магнитной передачи и электрогенератора. Магнитная передача содержит тихоходный ротор, в который интегрирован модулятор, быстроходный ротор, корпус, выполняющий функцию статора. Быстроходный ротор выполнен в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения. Тихоходный ротор состоит из верхней и нижней частей, где нижняя часть выполнена в форме стакана с уширенной в сторону корпуса стенкой Ч-образного продольного сечения, в наружную боковую поверхность которой сверху интегрирован модулятор, а внутрь стенки стакана с зазором к его основанию и коаксиально тихоходному ротору установлен быстроходный ротор. Во втором варианте исполнения быстроходного ротора добавлена нижняя часть в виде полого цилиндрического тела, а тихоходный ротор состоит из верхней, средней и нижней частей, где средняя часть выполнена цилиндрической с уширенной в сторону корпуса Н-образной стенкой, в наружную боковую поверхность которой интегрированы модуляторы, а внутрь стенки с зазором к перемычке и коаксиально тихоходному ротору установлены верхняя и нижняя части быстроходного ротора. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитная передача, содержащая статор, несущий на поверхности внутренней стенки систему равноудаленно расположенных вокруг его оси постоянных магнитов, полый тихоходный ротор с секцией модулятора, установленный в опорах с возможностью вращения вокруг своей оси, быстроходный ротор, несущий на поверхности внешней стенки систему равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения постоянных магнитов, установленный в опоре с возможностью вращения вокруг продольной оси, отличающаяся тем, что статор представляет собой сборный сквозной корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом верхняя часть имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ, образующий посадочное место подшипника, на котором установлен быстроходный ротор, выполненный в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения, а тихоходный ротор, приводимый внешней энергией, состоит из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом нижняя часть выполнена в форме стакана с уширенной в сторону корпуса стенкой Ч-образного продольного сечения, причем в наружную боковую поверхность стакана интегрирован модулятор, снизу образовано посадочное место подшипника, а внутрь стенки стакана с зазором к его основанию и коаксиально тихоходному ротору установлен быстроходный ротор для образования силового магнитного сцепления модулятора с магнитами быстроходного ротора и статора.

2. Магнитная передача по п. 1, отличающаяся тем, что на незакрепленных торцах тихоходного ротора установлены герметизирующие прокладки.

3. Магнитная передача, содержащая статор, несущий на поверхности внутренней стенки систему равноудаленно расположенных вокруг его оси постоянных магнитов, полый тихоходный ротор с секцией модулятора, установленный в опорах с возможностью вращения вокруг своей оси, быстроходный ротор, несущий на поверхности внешней стенки систему равноудаленно расположенных вдоль и вокруг оси его вращения постоянных магнитов, установленный в опоре с возможностью вращения вокруг продольной оси, отличающаяся тем, что быстроходный ротор состоит из верхней и нижней частей, при этом нижняя часть представляет собой полое цилиндрическое тело с наружным поперечным выступом, образующим снизу посадочное место подшипника, статор представляет собой сборный сквозной корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных разъемным соединением, при этом верхняя часть имеет внутренний ступенчатый поперечный выступ, образующий посадочное место подшипника, на котором установлена верхняя часть быстроходного ротора, выполненная в виде подвеса, представляющего собой полое цилиндрическое тело со стенкой Г-образного продольного сечения, а тихоходный ротор, приводимый внешней энергией, состоит из верхней, средней и нижней частей, при этом средняя часть выполнена цилиндрической с уширенной в сторону корпуса Н-образной стенкой в продольном сечении, причем в наружную боковую поверхность стенки интегрированы модуляторы, а внутрь стенки с зазором к перемычке Н-образного сечения и коаксиально тихоходному ротору установлены верхняя и нижняя части быстроходного ротора для образования силового магнитного сцепления модуляторов с магнитами быстроходного ротора и статора, при этом торец нижней части корпуса выполнен ступенчатым вовнутрь, образующим посадочные места подшипников, на верхнем из которых посредством наружного поперечного выступа установлена нижняя часть быстроходного ротора, а на нижнем установлена нижняя часть тихоходного ротора.

4. Магнитная передача по п. 3, отличающаяся тем, что на незакрепленных торцах тихоходного ротора установлены герметизирующие прокладки.

5. Электрогенератор, содержащий статор с обмоткой возбуждения, ротор с системой магнитов, а также вращатель в виде турбины, отличающийся тем, что для преобразования энергии вращателя используется по меньшей мере одна магнитная передача по любому из пп. 1-4.

6. Электрогенератор по п. 5, отличающийся тем, что обмотка возбуждения может фиксироваться во внутренней полости корпуса посредством стопорного разжимного кольца.