Результат интеллектуальной деятельности: МАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР

Изобретение относится к электромагнитным механизмам, а конкретно к бесконтактным магнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках и в агрессивных и взрывоопасных средах.

Известен магнитный редуктор, содержащий ведущий и ведомый валы, закрепленный на ведущем валу ведущий элемент, выполненный в виде многополюсного постоянного магнита, расположенный концентрично ему кольцевой элемент из немагнитного материала со сквозными радиальными пазами, заполненными магнитопроводящим материалом, и охватывающий последний зубчатый элемент (см. Патент №2082042, опубл. 20.06.1997).

Известен также магнитный редуктор, содержащий ротор быстрого вращения с постоянным магнитом, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор с магнитопроводом и с зубцами на его внутренней поверхности (см. Авторское свидетельство №280142, опубл. 01.01.1970).

Недостатком данных устройств является сравнительно малый передаваемый крутящий момент.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является магнитный редуктор, содержащий ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и полюсными наконечниками, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор, включающий магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности и полый цилиндр, механически связанный с корпусом через немагнитное кольцо, постоянные магниты ротора быстрого вращения намагничены тангенциально и встречно и расположены между клинообразными полюсными наконечниками, полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения (см. Патент №2369955, опубл. 10.10.2009).

Недостатком данного устройства является консольное расположение роторов быстрого и медленного вращения и отсутствие возможности герметичного разделения полостей роторов быстрого и медленного вращения. Кроме того, консольное расположение роторов быстрого и медленного вращения не позволяет увеличивать размеры редуктора в осевом направлении, а также в рабочих режимах требует точного концентричного сопряжения полых цилиндров статора и ротора медленного вращения относительно друг друга и относительно ротора быстрого вращения, что вызывает технологические сложности в обеспечении необходимых радиальных зазоров рабочих элементов ротора и статора.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании редуктора с возможностью герметичного разделения полостей роторов быстрого и медленного вращения, а также в улучшении условий точной сборки (центровки) и работы роторов быстрого и медленного вращения.

Технический результат достигается тем, что магнитный редуктор содержит коаксиально установленные на одном валу ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и полюсными наконечниками, на другом валу - посредством немагнитного диска ротор медленного вращения в виде, по меньшей мере, одного полого цилиндра, статор, включающий магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности и, по меньшей мере, один полый цилиндр, механически связанный одним своим торцом с корпусом через немагнитное кольцо, постоянные магниты ротора быстрого вращения намагничены тангенциально и встречно и расположены между клинообразными полюсными наконечниками, полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения, при этом редуктор снабжен подшипниковым щитом, установленным на валу ротора быстрого вращения и герметично и механически связанным с другим торцом полого цилиндра статора, расположенного между ротором быстрого вращения и полым цилиндром ротора медленного вращения.

Кроме того, между немагнитным кольцом и торцом каждого полого цилиндра ротора медленного вращения установлен соответствующий подшипниковый узел.

Кроме того, статор включает, преимущественно, по меньшей мере, два полых цилиндра, причем между свободным торцом одного из этих цилиндров, не связанного с подшипниковым щитом, и немагнитным диском может быть установлен подшипниковый узел.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано поперечное сечение магнитного редуктора; на фиг.2 - продольное сечение магнитного редуктора; на фиг.3-волна магнитной индукции и развертка полых цилиндров.

Здесь: 1 - постоянные магниты, 2 - клинообразные полюсные наконечники, 3 - немагнитная втулка, 4 - вал быстрого вращения, 5 - магнитопровод статора с зубцами, 6 - корпус, 7 - полые цилиндры статора, 8 - полые цилиндры ротора медленного вращения, 9 - вал медленного вращения, 10 - немагнитное кольцо, 11 - немагнитный диск, 12 - подшипниковый щит, 13, 14, 15, 16 - подшипники.

Магнитный редуктор содержит коаксиально установленные ротор быстрого вращения, ротор медленного вращения и статор. Ротор быстрого вращения включает прямоугольные высококоэрцитивные постоянные магниты 1 (например, самарий-кобальтовые или из сплава ниодим-железо-бор), намагниченные тангенциально и встречно, расположенные между клинообразными полюсными наконечниками 2 с выпуклыми поверхностями, обращенными к рабочему зазору, и немагнитную втулку 3 для посадки на вал 4 быстрого вращения.

Статор включает кольцевой шихтованный магнитопровод 5 с равномерно расположенными зубцами, обращенными к рабочему зазору, и полые цилиндры 7, имеющие чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения. Магнитопровод 5 крепится к корпусу 6, с которым одними своими торцами механически связаны полые цилиндры 7 через немагнитное кольцо 10.

Ротор медленного вращения представляет собой полые цилиндры 8, механически связанные с валом 9 медленного вращения немагнитным диском 11 и имеющие чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения.

На валу 4 ротора быстрого вращения посредством подшипника 14 установлен подшипниковый щит 12, герметично и механически связанный с другим торцом полого цилиндра 7, расположенного между ротором быстрого вращения и полым цилиндром 8 ротора медленного вращения.

Вал 4 ротора быстрого вращения и вал 9 ротора медленного вращения связаны с корпусом 6 подшипниками 13. Полые цилиндры 8 ротора медленного вращения опираются на немагнитное кольцо 10 через подшипниковый узел 15, а полый цилиндр 7 статора подшипниковым узлом 16 связан с немагнитным диском 11.

Угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров 7 и 8 одинаковые. Ферромагнитные элементы полых цилиндров 7, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора. Количества ферромагнитных элементов полых цилиндров 7 и 8, связанных со статором и с ротором медленного вращения, отличаются в пределах одного полюсного деления на единицу.

На торцевые поверхности каждой из свободных сторон полых цилиндров 7 и 8 статора и ротора медленного вращения, не связанных соответственно с немагнитными кольцом 10 и диском 11, установлены подшипники 16 и 15 соответственно, обеспечивающие концентричность сопряжения и обкатывание по внутренним и внешним прилегающим поверхностям.

Магнитный редуктор работает следующим образом.

Постоянные магниты 1 ротора быстрого вращения и полюсные наконечники 2 создают в рабочих зазорах синусоидально распределенную магнитную индукцию. Максимальное по модулю значение магнитной индукции достигается по середине полюсных наконечников 2. В рабочих зазорах напротив середин постоянных магнитов 1 радиальная составляющая магнитной индукции равна нулю.

При вращении ротора быстрого вращения со скоростью ω₁ волна магнитной индукции вращается с той же угловой скоростью. При этом полые цилиндры, связанные с ротором медленного вращения, при отсутствии момента нагрузки будут занимать положение, при котором в зоне максимума модуля магнитной индукции ферромагнитные элементы полых цилиндров 8 занимают угловое положение, совпадающее с угловым положением полых цилиндров 7 и зубцов на магнитопроводе статора 5. В зоне нейтралей ферромагнитные элементы полых цилиндров 8 расположены напротив немагнитных элементов полых цилиндров 7 и пазов магнитопровода 5.

При повороте ротора быстрого вращения на одно полюсное деление ротор медленного вращения повернется на одно зубцовое деление. Передаточное отношение магнитного редуктора равно числу ферромагнитных элементов полых цилиндров 8 ротора медленного вращения, приходящееся на одно полюсное деление.

На фиг.3 показаны волна магнитной индукции В(β) и развертка втулок. Зубцы магнитопровода статора 5 и ферромагнитные элементы полого цилиндра 7 неподвижны. В зоне максимума амплитуды магнитной индукции все ферромагнитные элементы и зубцы расположены против друг друга.

В зонах нейтралей, соответствующих серединам магнитов 1, ферромагнитные элементы полых цилиндров 8, связанных с ротором медленного вращения, расположены напротив немагнитных элементов полого цилиндра 7 и напротив пазов на магнитопроводе 5. Когда ротор быстрого вращения повернется на одно полюсное деление, полюсы N и S поменяются местами, а полые цилиндры 8 повернутся на один ферромагнитный элемент (на зубцовое деление). На фиг.3 показан случай, когда передаточное отношение редуктора равно 8, т.е. ротор медленного вращения вращается со скоростью

ω₂=ω₁/8

Момент, передаваемый на вал медленного вращения, определяется формулой

Благодаря введению подшипникового щита 12 устраняется консольное положение ротора быстрого вращения и улучшается его работа (фиг.2). Щит 12 дает возможность герметизации полостей ротора быстрого и медленного вращения для случаев передачи момента в агрессивных или взрывоопасных средах.

Введение подшипников 15 и 16 устраняет консольное положение полых цилиндров статора и ротора медленного вращения, что позволяет улучшить условия их работы и дает возможность увеличить осевую длину редуктора.

Недостатком редуктора является упругость передачи. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Магнитный редуктор не имеет механических контактов между подвижными частями, он не изнашивается, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между валами осуществляется через магнитное поле. Полые цилиндры обеспечивают большой передаваемый момент при сохранении габаритов.

Благодаря введению подшипникового щита 12 и его герметичному выполнению вместе с внутренним полым цилиндром 7 статора, подшипников 15, 16 на торцевые поверхности полых цилиндров 7 статора и ротора медленного вращения получен магнитный редуктор с герметичным разделением полостей роторов быстрого и медленного вращения, с обеспечением условий точной сборки и работы редуктора и с возможностью увеличения величины передаваемого момента за счет увеличения осевой длины редуктора.