Электромагнитный редуктор

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электромагнитных механизмов, в частности бесконтактных электромагнитных редукторов, и может быть использовано в качестве передаточного устройства с регулируемым передаточным отношением в механических системах с большим ресурсом работы в условиях отсутствия смазки.

Известен электромагнитный редуктор [1] (Афанасьев А.А., Чихняев В.А. Электромагнитный редуктор. Патент РФ 2529422, МПК H02K 16/02, H02K 51/00. Опубл. 27.09.2014, Бюл. №27).

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого электромагнитного редуктора, состоит в сохранении возможности регулирования коэффициента редукции при одновременном обеспечении упрощения конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном редукторе, содержащем корпус с установленными в нем статором с многофазной обмоткой, подключенной к источнику напряжения, а также первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах, соответственно, согласно изобретению обмотка статора подключена к источнику напряжения через регулируемый преобразователь частоты и размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов, при этом первый ротор расположен коаксиально со статором, жестко связан с концом входного вала и выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой вставлены в кольца из немагнитного материала, имеют призматическую форму и образуют зубцы первого ротора, а второй ротор расположен внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнито-провода с числом зубцов z₂, равным z₂=(z₁-p₁), где z₁ - число зубцов первого ротора; p₁ - число пар полюсов обмотки статора; при этом статор, зубцы первого ротора и второй ротор выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали.

Недостатком известного электромагнитного редуктора является статор, представляющий собой тихоходную электрическую машину с большим моментом, близким к моменту первого ротора, что вызывает большие электрические потери в обмотке и низкие энергетические показатели.

Известен магнитный редуктор [2] (Афанасьев А. Ю., Макаров А.В., Берёзов Н.А. Магнитный редуктор. Патент РФ 2594018, МПК H02K 51/00, F16D 27/01. Опубл. 10.08.2016, Бюл. №22).

Изобретение относится к электромагнитным механизмам, а именно к бесконтактным магнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках. Технический результат заключается в улучшении технологичности конструкции и энергетических показателей. Магнитный редуктор содержит корпус и два подшипниковых щита, на которых установлены два магнитопровода. На валу быстрого вращения установлена немагнитная втулка ротора быстрого вращения с постоянными магнитами. На статоре установлены диски статора. На валу медленного вращения установлена немагнитная втулка ротора медленного вращения с дисками. Диски статора и диски ротора медленного вращения чередуются. Диски статора имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы в виде секторов. Диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, равномерно расположенными по окружности. Диски ротора медленного вращения имеют свое магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов и создающее активный электромагнитный момент.

Недостатком известного магнитного редуктора является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора или коррекции частоты вращения выходного вала.

Наиболее близким по элементам конструкции и принципу действия является синхронный электродвигатель с магнитной редукцией [3] (Афанасьев А.Ю., Берёзов Н.А., Макаров А.В., Сиразетдинов Р.Т., Деваев В.М. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ 2588599. МПК H02K 19/06, H02K 49/06. Опубл. 10.07.2016, Бюл. №19).

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей. Технический результат заключается в создании синхронного электродвигателя с более технологичной конструкцией и улучшенными энергетическими показателями. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус и два подшипниковых щита. На них установлены два кольца пакета статора. На первом кольце имеются шесть зубцов с коронками и с катушками, а на втором кольце имеются клиновидные выступы. Четыре постоянных магнита установлены на втулке ротора быстрого вращения. Диски статора имеют ферромагнитные и немагнитные сектора и закреплены на втулке статора. Диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала, имеют намагниченные сектора чередующейся полярности и установлены на втулке. Диски статора и ротора чередуются в пространстве. Число ферромагнитных секторов z_c дисков статора и число секторов одной полярности z_p дисков ротора связаны равенством z_c=z_p±р, где р - число пар полюсов обмотки статора. Валы быстрого вращения и медленного вращения опираются на подшипники, установленные в подшипниковых щитах и во втулке подшипников.

Недостатком данного синхронного электродвигателя с магнитной редукцией является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора или коррекции частоты вращения выходного вала.

Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в получении электромагнитного редуктора с возможностью регулирования выходной скорости вращения при высоких энергетических показателях.

Указанный результат достигается тем, что в электромагнитный редуктор, имеющий корпус, два подшипниковых щита, четыре подшипника, тихоходный и быстроходный валы, два магнитопровода, выполненные из ферромагнитной ленты путем навивки, первый магнитопровод установлен на первом щите и имеет клиновидные выступы, второй магнитопровод имеет зубцы с коронками и многофазную обмотку, на корпусе установлена втулка, на которой установлены диски статора, имеющие ферромагнитные секторы, разделенные немагнитными секторами, тихоходный вал опирается на подшипники, установленные на первом щите и на диске статора, быстроходный вал опирается на подшипник, установленный на втором щите, на тихоходном валу установлена втулка, на которой установлены диски ротора, выполненные из магнитотвердого материала и имеющие намагниченные сектора чередующейся полярности, диски статора и ротора чередуются в пространстве, число z_c ферромагнитных элементов диска статора и число z_p однополярных секторов диска ротора связаны равенством z_c=z_p±р, где р - число пар полюсов обмотки, введены корпус токо-подвода с тремя комплектами щеток со щеткодержателями, пружинами и проводами, изоляционная втулка, установленная на быстроходном валу и имеющая три контактных кольца, соединенных с помощью жгута с обмоткой, щетки прижаты к контактным кольцам, четвертый подшипник опирается на корпус токоподвода, второй магнитопровод установлен на быстроходном валу, который опирается на подшипник, установленный на корпусе токоподвода.

Устройство и принцип действия электромагнитного редуктора объясняются с помощью фиг. 1-5, где

фиг. 1 - продольное сечение электромагнитного редуктора;

фиг. 2 - второй магнитопровод с зубцами и катушками;

фиг. 3 - диск статора;

фиг. 4 - диск ротора;

фиг. 5 - зависимость магнитной индукции, созданной дисками ротора и статора в рабочем зазоре.

На продольном сечении на фиг. 1 обозначено: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - магнитопроводы; 6 - обмотка; 7 - втулка статора; 8 - диски статора; 9 - втулка тихоходного ротора; 10 - диски ротора; 11 - тихоходный вал; 12, 13 - подшипники; 14 - быстроходный вал; 15, 16 - подшипники; 17 - корпус токоподвода; 18 - щетки; 19 - изоляционная втулка; 20 - контактные кольца; 21 - жгут.

Подшипниковые щиты 2, 3 установлены на корпусе 1 и имеют подшипники 12, 15. На подшипниковом щите 2 установлен кольцевой магнитопровод 4, выполненный из ферромагнитной ленты путем навивки и имеющий клиновидные выступы. На корпусе установлена втулка 7 статора, на которой закреплены диски 8 статора, имеющие клиновидные ферромагнитные элементы, выполненные шихтованными и разделенные немагнитными элементами. Крайний диск 8 статора имеет подшипник 13. Тихоходный вал 11 опирается на подшипники 12, 13 и имеет втулку 9, на которой установлены диски 10 ротора, выполненные из магнитотвердого материала и имеющие сектора с чередующейся полярностью. Диски 8 статора и 10 ротора чередуются в пространстве.

Корпус токоподвода 17 установлен на подшипниковом щите 3 и имеет подшипник 16. Быстроходный вал 14 опирается на подшипники 15, 16 и имеет изоляционную втулку 19 с тремя контактными кольцами 20. Кольцевой магнитопровод 5, выполненный из ферромагнитной ленты путем навивки, установлен на быстроходном валу 14 и имеет зубцы с коронками и трехфазную обмотку 6. На корпусе токоподвода 17 установлены три комплекта щеток 18 со щеткодержателями, пружинами и проводами. Контактные кольца 20 соединены жгутом 21 с обмоткой 6. Ферромагнитные элементы дисков 8 статора и клиновидные выступы на магнитопроводе 4, а также намагниченные сектора дисков 10 ротора имеют одинаковые угловые положения.

Магнитопровод 5 показан на фиг. 2. Он имеет шесть зубцов и шесть катушек. Число пар полюсов р=2.

Диск 8 статора показан на фиг. 3. Он имеет 24 ферромагнитных элемента, выполненных шихтованными для уменьшения магнитных потерь.

Диск 10 ротора показан на фиг. 4. Он выполнен из магнитотвердого материала, имеет на одной торцевой поверхности 22 северных полюса и 22 южных полюса. Здесь z_c=z_p+р; z_c=24; z_p=22; р=2.

На фиг. 5 показан график магнитной индукции, созданной дисками 10 ротора и дисками 8 статора. На фиг. 5, а показан график магнитной индукции при постоянном зазоре для диска ротора. Дана развертка цилиндрического сечения диска статора. Темным цветом показаны ферромагнитные элементы. На фиг. 5, 6 показан график магнитной индукции с учетом магнитных проводимостей ферромагнитных элементов. Показана первая пространственная гармоника.

Электромагнитный редуктор работает следующим образом. Тихоходный вал 11 приводится во вращение со скоростью ω₁, например, ветродвигателем или гидротурбиной. При этом первая пространственная гармоника магнитной индукции вращается с угловой скоростью ω₂=ω₁⋅z_p/p=11ω₁. На зажимы А, В, С токоподвода подводится трехфазная система напряжений с угловой частотой ω₃, которая создает магнитное поле, вращающееся относительно магнитопровода 5 с угловой частотой ω₃/p=ω₃/2. Это поле неподвижно относительно первой пространственной гармоники магнитной индукции, созданной дисками статора и ротора. В результате магнитопровод 5 с быстроходным валом 14 вращаются с угловой частотой ω₄=ω₁⋅z_p/p±ω₃/р. Знак "+" или "-" определяется порядком чередования фаз системы напряжений.

Момент быстроходного вала 14 меньше входного момента, приложенного к валу 11, в z_p/p=11 раз. Соответственно масса меди обмотки и мощность потерь, выделяемая в ней, значительно меньше, чем в случае электромагнитного редуктора по патенту [1], где дополнительная скорость и мощность добавляются на стороне тихоходного вала и большого момента.

Таким образом, благодаря введению корпуса токоподвода с тремя комплектами щеток со щеткодержателями, пружинами и проводами, изоляционной втулки, установленной на быстроходном валу и имеющей три контактных кольца, соединенных с помощью жгута с обмоткой, и установке второго магнитопровода на быстроходном валу, который опирается на подшипник, установленный на корпусе токоподвода, получен электромагнитный редуктор с возможностью регулирования выходной скорости вращения при высоких энергетических показателях.