Магнитный редуктор

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

Известен магнитный редуктор, содержащий статор, роторы быстрого и медленного вращения, ротор медленного вращения и статор имеют чередующиеся диски, диски статора имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, ротор быстрого вращения представляет собой индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, между ротором быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, ферромагнитные элементы статора выполнены из электротехнической стали шихтованными, а магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам редуктора, причем магнитопровод, дальний от ротора быстрого вращения, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску ротора медленного вращения, диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующихся полярностей, при этом клиновидные выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также намагниченные сектора дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества секторов на диске статора z_c и намагниченных секторов на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±p, где p - число пар полюсов ротора быстрого вращения (RU 2594018, H02K 51/00, F16D 27/01, опубл. 10.08.2016).

Его принцип работы основан на использовании многоступенчатого принципа преобразования момента через чередующие ферромагнитные сегменты. Однако следует выделить, что такой редуктор имеет высокие массогабаритные показатели при реализации многоступенчатой трансформации через последовательные ферромагнтитные модуляторы в силу отсутствия постоянных магнитов между модуляторами.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении массогабаритных показателей за счет обеспечения модуляций магнитного поля, создаваемых быстроходным ротором с постоянными магнитами и ферромагнитными сегментами.

Указанный технический результат достигается тем, что в магнитном редукторе, содержащем расположенные соосно в корпусе быстроходный входной и тихоходный выходной валы, при этом на быстроходном входном валу неподвижно закреплен первый диск, несущий аксиально расположенные постоянные магниты, напротив которого расположен неподвижно смонтированные ферромагнитные элементы, с другой стороны которого расположен второй диск, несущий постоянные магниты и который, связан жестко с тихоходным выходным валом, между ферромагнитными элементами со стороны быстроходного входного вала и вторым диском, несущим постоянные магниты и связанным с тихоходным выходным валом, последовательно расположен дополнительный диск, несущий постоянные магниты и установленный с возможностью свободного вращения на подшипниковой опоре в корпусе, и дополнительные ферромагнитные элементы, неподвижно прикрепленные к корпусу, при этом все ферромагнитные элементы расположены по окружности на расстоянии друг от друга, а число постоянных магнитов кратно числу рядом расположенных ферромагнитных элементов.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

Сущность предложенного устройства поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - продольный разрез редуктора магнитного;

фиг. 2 - аксонометрическая модель редуктора магнитного;

фиг. 3 - картина распределения плотности магнитного поля магнитного редуктора.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция устройства - магнитного редуктора с высоким передаточным отношением, а именно бесконтактного магнитного преобразователя, который может быть использован в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках.

В общем случае, магнитный редуктор с высоким передаточным отношением содержит корпус 1, в котором быстроходный входной 2 и тихоходный выходной 3 валы расположены соосно. При этом на быстроходном входном валу 2 неподвижно закреплен первый диск 4, несущий аксиально расположенные постоянные магниты. Напротив этого диска расположены по окружности на расстоянии друг от друга ферромагнитные элементы 5, с другой стороны которых расположен дополнительный диск 6, несущий постоянные магниты и установленный с возможностью свободного вращения на подшипниковой опоре 7 в корпусе. За этим диском 6 расположены по окружности на расстоянии друг от друга ферромагнитные элементы 8, неподвижно прикрепленные к корпусу. А за ферромагнитными элементами 8 расположен второй диск 9, несущий постоянные магниты, и который связан жестко с тихоходным выходным валом 3. Все элементы редуктора смонтированы вдоль оси валов 2 и 3, создавая компактную конструкцию. При этом число постоянных магнитов на каждом диске кратно числу рядом расположенных ферромагнитных элементов. Ферромагнитные элементы выполняют функцию ферромагнитных модуляторов, которые генерирует гармоники магнитного поля, которые кратны количеству пар полюсов постоянных магнитов на дисках, что создает условия для трансформации момента.

Суть конструктивного исполнения магнитного редуктора связана с возможностью использования магнитного взаимодействия рядом расположенных элементов. Технический результат достигается применением аксиальным расположением постоянных магнитов. Входной быстроходный вал 2 выполнен с аксиальным расположением постоянных магнитов на закрепленном на нем диске 2. Рядом смонтирован первый ферромагнитный модулятор (расположенные по окружности ферромагнитные элементы 5), который генерирует гармоники магнитного поля, которые взаимодействуют с полем постоянных магнитов не закрепленного промежуточного ротора, выполненного в виде свободно сидящего для вращения диска 6, которые равны разности количества ферромагнитных сегментов и числа пар полюсов постоянных магнитов на быстроходном валу 2. Общая механическая связь свободно вращающегося диска 6 интегрирована с магнитной системой второй ступени трансформации момента. И через второй ферромагнитный модулятор (расположенные по окружности ферромагнитные элементы 8) при взаимодействии с полем постоянных магнитов и тихоходного вала 3 и передает на этот вал низкую скорость. Отметим следующее, наличие подобного варианта расположения ступеней трансформации момента позволяет создавать многоступенчатого редуктора с высоким передаточным отношением.

Постоянные магниты выполнены из высококоэрцитивного магнитотвердого материала. Ферромагнитные элементы имеют наибольшую магнитную восприимчивость и используются в магнитном редукторе. В них атомные магнитные моменты спонтанно коллинеарно самоориентируются, образуя аномально большие магнитные моменты. У лучших современных магнитных материалов энергетическое произведение (В⋅Н)_max достигает величины 320 Тл⋅кА/м (40 млн Гс⋅Э), например, у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo₃ (см., напр., Преображенский А.А., Биширд Е.Г. Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986; Февралева И.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. К., 1969; Постоянные магниты, Справочник, М., 1971).

Магнитный редуктор работает на использовании эффекта магнитной редукции. Суть эффекта магнитной редукции основана на модуляции магнитного поля, создаваемого быстроходным ротором с постоянными магнитами, ферромагнитными элементами (сегментами) тихоходного вала с генерацией гармоник, которые кратны количеству пар полюсов постоянных магнитов на внешнем статоре, что создает условия для трансформации момента. Фиксированное соотношение числа пар полюсов постоянных магнитов быстроходного вала и числа ферромагнитных элементов (сегментов) на тихоходном роторе определяет передаточное отношение. Ферромагнитные элементы (сегменты) тихоходного звена модулируют магнитное поле в воздушном зазоре между быстроходным валом с постоянными магнитами и внешним ротором управления с постоянными магнитами.

Магнитный редуктор работает следующим образом. При вращении быстроходного вала вместе с ним вращается диск с постоянными магнитами, создавая на ферромагнитных элементах 5 магнитную индукцию, приводящую к вращению диска 6. В результате диск 6 поворачиваются так, что места совпадения положений ферромагнитных элементов 5 и диска 6 соответствует полярности дисков и находятся в зоне максимума модуля магнитной индукции. Многократная деформация магнитного поля в зоне дисков позволяет увеличить развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели за счет соосной компоновки. Магнитный редуктор не имеет механических контактов между подвижными активными частями, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, определяемый подшипниками, допускает ударные нагрузки, так как связь между валами осуществляется через магнитное поле.

Работоспособность данного магнитного редуктора и возможность трансформации момента (передаточного отношения) в системе "постоянный магнит-ферромагнитный элемент" подтверждена работами Меньших Олега Федоровича (RU 2309527) на примере модели так называемого ферромагнитовязкого ротатора, представляющего собой из связанных между собой постоянного магнита с однородным или неоднородным магнитным полем между его полюсами и ферромагнитного диска (кольца) с осью вращения, выполненного из ферромагнитного материала с магнитной вязкостью, постоянная релаксации т которой по отношению к периоду Т вращения ферромагнитного диска (кольца) выбрана, например, из условия т ^~ТХ₀/4,4π R, где Х₀ - длина магнитного зазора между полюсами постоянного магнита, в который помещен край ферромагнитного диска (кольца) радиуса R, при этом напряженность магнитного поля в зазоре постоянного магнита выбрана насыщающей для материала ферромагнитного диска (кольца).

Согласно полученным аналитическим результатам, вращение достигается благодаря отставанию в динамике вращательного движения ферромагнитного диска (кольца) его магнитного "центра тяжести" размещенной в поле постоянного магнита части ферромагнитного диска (кольца) от центра притяжения постоянного магнита, что создает силу тяготения со стороны постоянного магнита, приложенную к краевой части ферромагнитного диска (кольца), в результате чего возникает вращающий момент, поддерживающий вращательное движение ферромагнитного диска (кольца) с угловой скоростью, определяемой постоянной релаксации магнитной вязкости ферромагнитного материала диска (кольца). В случае однородного магнитного поля в зазоре между полюсами постоянного магнита реализуется так называемый "жесткий режим" самовозбуждения вращательного движения, при котором необходимо принудительно (под действием внешних сил) привести ферромагнитный диск (кольцо) во вращательное движение с необходимой угловой скоростью. В случае неоднородного магнитного поля с заданным градиентом вдоль касательной к краевой части ферромагнитного диска (кольца), находящейся в магнитном зазоре, реализуется так называемый "мягкий режим" самовозбуждения, при котором ферромагнитный диск (кольцо) постоянно испытывает втягивающее усилие со стороны магнитного поля постоянного магнита в направлении градиента напряженности этого поля и поэтому приходит в ускоренное вращательное движение в переходном процессе, доводя угловую скорость вращения до определенной величины, определяемой постоянной релаксации магнитной вязкости выбранного ферромагнитного материала. По мере достижения указанной угловой скорости магнитный "центр тяжести" части ферромагнитного диска (кольца), связанной с магнитным полем постоянного магнита, смещен относительно центра тяготения поля постоянного магнита, и эта величина смещения между указанными центрами определяет постоянно действующий вращающий момент, уравновешиваемый величиной момента трения (нагрузочного момента) в ротаторе, пропорционально возрастающего с увеличением угловой скорости вращения ферромагнитного диска (кольца). Отставание магнитного "центра тяжести" вышеуказанной части ферромагнитного диска (кольца) от центра притяжения магнитного поля постоянного магнита определяется магнитной вязкостью, при которой дифференциальные объемы указанной части ферромагнитного диска (кольца), более длительное время находящиеся в насыщающем магнитном поле постоянного магнита, в большей степени уменьшают свою магнитную восприимчивость, чем дифференциальные объемы, магнитное насыщение в которых еще не наступило. Это создает перераспределение в указанной части ферромагнитного диска (кольца) величин магнитной восприимчивости, градиент которой направлен противоположно к вектору действующей на ферромагнитный диск (кольцо) силы со стороны магнитного поля постоянного магнита.

Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием современных технологий, применяемых в машиностроении.