МАГНИТНАЯ МУФТА

Изобретение относится к цилиндрическим магнитным муфтам с постоянными анизотропными магнитами и может быть использовано в приводах рабочих органов насосов и перемешивающих устройств аппаратов для осуществления различных технологических процессов в химической, пищевой и микробиологической промышленности.
Известна магнитная муфта из описания к изобретению RU №2091624 (опубликовано 27.09.1997 г.), состоящая из расположенных коаксиально магнитопроводов - внутреннего и наружного с установленными на них равномерно радиальными магнитами в виде парных магнитов. Магнитопроводы установлены на полумуфтах, при этом между парами магнитов расположены промежутки - части полумуфт.
Максимальный крутящий момент, передаваемый муфтой, обеспечен при минимальном количестве магнитов, установленных попарно. Однако размещение каждой пары магнитов на отдельном магнитопроводе предусматривает дополнительные технологические операции, приводящие к сложности изготовления полумуфт, а значит изделия в целом.
Прототипом к заявляемому изобретению выбрана магнитная муфта (RU №2179663, опубликовано 20.02.2002 г.), содержащая коаксиально установленные магнитопроводы; равномерно расположенные по окружности магнитопроводов радиальные постоянные магниты, при этом линии центров полюсов парных магнитов внешнего и внутреннего магнитопроводов совпадают. Магнитопроводы установлены на соответствующих полумуфтах - внешней и внутренней, или иными словами -объемлющей и объемлемой). Кроме того, магнитопровод внешней полумуфты содержит тангенциальные постоянные магниты, установленные с чередованием.
При сборке подобной муфты используются магниты различных размеров и формы, что приводит к трудоемкости ее изготовления, необходимости использования различной оснастки для изготовления магнитов, следовательно, и к увеличению
производственных мощностей, а это обстоятельство, в свою очередь, приводит к увеличению общей стоимости изделия.
Кроме того, применение магнитов различной формы и размеров не отвечает принципу унификации изделий, являющемуся в данном случае преимущественным.
Для увеличения максимального момента, передаваемого муфтой, внешняя муфта содержит радиальные и тангенциальные магниты, установленные с чередованием и практически без зазоров. Таким образом, известная муфта требует значительный расход дорогостоящих и дефицитных редкоземельных металлов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение заключается в повышении технологичности конструкции магнитной муфты за счет соблюдения принципов унификации, а также в снижении стоимости за счет экономии дорогостоящих материалов при сохранении функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что в магнитной муфте, содержащей наружный и внутренний расположенные коаксиально магнитопроводы с установленными на них равномерно радиальными постоянными магнитами, при этом линии центров полюсов парных магнитов внешнего и внутреннего магнитопроводов совпадают, согласно изобретению, радиальные постоянные магниты выполнены идентичными и установлены так, что наружные границы магнитопроводов, по меньшей мере, совпадают с наружными границами, по меньшей мере, одного магнита, причем толщина магнитопроводов составляет величину не меньшую, чем толщина магнитов.
В данной совокупности признаков целесообразно, чтобы идентичные постоянные магниты были выполнены в виде призм с прямоугольным поперечным сечением.
Выполнение магнитов идентичными обеспечивает принцип унификации изделия в целом, формулируемый как «...приведение различных видов продукции и средств ее производства к наименьшему числу типоразмеров...» (Советский энциклопедический словарь. М:, Советская энциклопедия, 1988 г., С.1387).
Предлагаемый вариант выполнения идентичных магнитов в виде прямоугольных призм предпочтителен по двум причинам.
Во-первых, с точки зрения обеспечения технологичности изготовления такой формы, т.к. предприятия выпускают, в основном, стандартные магниты в виде призм, дисков и колец.
Во-вторых, из-за обеспечения максимально возможного крутящего момента
пары магнитов в виде прямоугольных призм.
Условие совпадения наружных границ магнитопроводов, по меньшей мере, с наружными границами, по меньшей мере, одного магнита объясняется тем, что магнитное взаимодействие пары магнитов происходит именно в этих пределах. Таким образом, при определенных технологических особенностях внешние и внутренние магнитопроводы возможно выполнять в виде отдельных элементов и/или в виде сплошных. В случае выполнения магнитопроводов в виде отдельных элементов на них возможно располагать, по меньшей мере, один магнит.
Для дальнейших рассуждении представим наружный магнитопровод с магнитами в виде наружной полумуфты (ведущей), а внутренний магнитопровод с магнитами в виде внутренней полумуфты (ведомой).
Выбранное соотношение толщины идентичных магнитов и толщины магнитопроводов дает возможность обеспечить максимальный крутящий момент магнитной муфты для возможных технологических ограничений, касающихся габаритов полумуфт в целом.
Для доказательства данного вывода воспользуемся схемой (см. фиг.1), на которой обозначены:
Н, h - толщины магнитов, которые показаны сплошной линией;
1
1
H, h - толщины магнитопроводов, показаны пунктирной линией;
1
1
3
4
XOZ - система координат; относительно которой приведен ниже расчет расстояния до полюсов O, О, O;
1x
2
1
F - сила притяжения полюса О с расстояниями (х, z) к полюсу O;
1ox
1
1
1
F - сила отталкивания полюса 04 с расстояниями (x+(H+H)sinφ, z+(H+H)cosφ) от полюса O;
3x
1
1
1
3
F - сила притяжения полюса 04 с расстояниями (x+(H+H)sinφ, z+(H+H)cosφ+h+h) к полюсу О;
3ox
3
1
3
F - сила отталкивания полюса О с расстояниями (х, z+h+h) от полюса О.
Передача крутящего момента происходит за счет сил магнитного взаимодействия - притяжения и отталкивания магнитов в виде прямоугольных призм.
При передаче максимального крутящего момента от ведущей полумуфты к ведомой полюса магнитов на них смещены на половину ширины полюса, а силы их взаимодействия направлены по линии, соединяющей центры полюсов пары магнитов.
1x
1ox
Крутящий момент рассматриваемой пары магнитов создают четыре силы (F, F,
3ox
3x
F, F) взаимодействия полюсов - притяжения и отталкивания. Указанные четыре силы взаимодействия не проходят через центр вращения муфты, а, следовательно, появляются тангенциальные составляющие сил взаимодействия пар магнитов. Так, крутящий момент создаваемой парой магнитов вычисляется по выражению (1):
1x
1ox
1
1
m(x, z)=[F(x, z)-F(x+(H+H)sinφ, z+H+H)cosφ]R-
3x
1
1
1
1
-[F(x+(H+H)sinφ, z+h+h+(H+H)cosφ)](R-h-h).
Крутящий момент всей магнитной муфты рассчитывается по выражению (2):
М=N×m(х, z),
где N - число магнитов в полумуфте.
3
4
Используя теорию известную из уровня техники отражения (Физическая энциклопедия. Гл. ред. А.М.Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия. Т.З Магнитоплазменный - Пойнтинга теорема, 1992 г., С.503 «Отражение Андреевское»), влияние магнитопроводов можно учитывать, увеличив толщины магнитов вдвое. Но одинаковая толщина магнита и магнитопровода не приводит к результату, при котором магнитная индукция на поверхности полюсов О и O была. бы близка к нулю. Поэтому крутящий момент магнитной муфты можно увеличить за счет увеличения толщины каждого из магнитопроводов.
1
1
1
1
1ox
3ox
3x
Проанализировав выражения (1) и (2) можно сделать вывод о том, что крутящий момент магнитной муфты возрастает с увеличением толщины внешнего и внутреннего магнитопроводов H и h. Увеличивая H и h до таких значений, при которых магнитная индукция будет близка к нулю, крутящий момент, создаваемый парой магнитов, вычисляется по формуле (в этом случае силы F, F, F тоже приближаются к нулю) (3):
1x
m(x, z)=[F(x, z)]×R.
Крутящий момент всей муфты рассчитывается по выражению (4):
1x
M=N×[F(x, z)]×R.
Проанализировав выражения (2) и (4) можно сделать вывод о том, что крутящий момент муфты возрастает с увеличением толщины каждого из магнитопроводов.
Количество магнитов, установленных в магнитной муфте определяется исходя из технологически целесообразного радиуса внутренней полумуфты (и соответственного количества магнитов внутренней полумуфты).
1
1ox
3x
В случае, когда нельзя увеличить толщину внутреннего магнитопровода из-за малых габаритов внутренней полумуфты, крутящий момент магнитной муфты возможно увеличить за счет увеличения толщины наружного магнитопровода. В этом случае при увеличении H силы F и F стремятся к нулю. Тогда формулы (1) и (2) расчета максимально возможного крутящего момента пары магнитов и всей муфты примут вид (5), (6) соответственно:
1x
3ox
1
1
m(x, z)=[F(x, z)]×R-[F(х, z+h+h]×(R-h-h),
1x
3ox
1
1
M=N×{[F(x, z)]×R-[F(х, z+h+h]×(R-h-h)}.
В случае, когда магнитопроводы представляют собой отдельные магниты в виде участков, по меньшей мере, над одним магнитом, пустоты между магнитами заполняют немагнитным материалом, а расчет крутящего момента магнитной муфты аналогичен расчету, приведенному выше.
п
п
Сохранение функциональных возможностей магнитной муфты при идентичных магнитах иллюстрирует график (см. фиг.2), на котором показана кривая изменения крутящего момента заявляемой магнитной муфты (на фиг.2 выносная линия с обозначением М) и точка М, показывающая значение крутящего момента магнитной муфты, выбранной в качестве прототипа (далее - муфта-прототип; на фиг.2 выносная линия с обозначением точка М).
1
1
Для сравнения значений крутящего момента муфты-прототипа и заявляемой муфты рассчитанный крутящий момент муфты-пототипа, равный 246 Н·м, принят за единицу. При идентичных магнитах в заявляемом техническом решении крутящий момент увеличивается и стремится к значению, равному 1,0 при увеличении расстояния (H+H)/Z в два, три и четыре раза. На графике (фиг.2) как и на схеме (фиг.1) толщина магнита и наружного магнитопровода и магнита обозначена Н и H соответственно; Z - зазор между парами магнитов наружного и внутреннего магнитопроводов.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков отвечает задаче изобретения; так, при использовании идентичных магнитов возможно достичь максимальной величины крутящего момента, причем толщина магнитопроводов может быть различной, но не меньшей, чем толщина магнитов.
Анализ известных технических решений, касающихся конструкций магнитных муфт, а также анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения критерию «новизна».
Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
Магнитная муфта (изображена на фиг.3), предназначенная для герметичного вихревого насоса, содержит наружную (ведущую) полумуфту, образованную сплошным магнитопроводом 1 и идентичными постоянными магнитами 2 и внутреннюю (ведомую) полумуфту, образованную сплошным магнитопроводом 3 и идентичными постоянными магнитами 2. Магниты 2 установлены с чередованием полюсов по окружности полумуфт и выполнены в форме прямоугольных призм сечением 20х10 мм. Наружная полумуфта установлена на валу приводного агрегата (на чертеже не показан), а внутренняя полумуфта связана с рабочим колесом насоса (на чертеже не показан).
На внутренней и внешней полумуфтах установлено по десять магнитов (количество магнитов в полумуфтах всегда четное); количество магнитов определено наружным диаметром внутренней полумуфты 2, составляющим 80 мм.
Зазоры 4 между боковыми поверхностями магнитов 2 обеих полумуфт заполняются клеем.
Полумуфты разделены экраном 5, герметизирующим внутреннюю полость насоса. Крутящий момент от наружной (ведущей) полумуфты при помощи сил взаимодействия постоянных магнитов 2 передается через воздушный зазор 6 внутренней (ведомой) полумуфте, связанной с рабочим колесом насоса.
Магнитная муфта работает следующим образом.
До начала пуска приводного устройства электродвигателя наружная и внутренняя полумуфты расположены относительно друг друга коаксиально. Силы взаимодействия направлены к центру оси вращения муфты по линиям, соединяющей центры полюсом
идентичных магнитов 2. В данном положении крутящий момент магнитной муфты равен нулю.
1x
1ox
3ox
3x
В момент пуска ведущая наружная полумуфта поворачивается на определенный угол φ; ведомая внутренняя полумуфта стоит на месте, т.к. связь между полумуфтами нежесткая. Центры полюсов пар магнитов тоже смещены на тот же угол φ. Это смещение вызывает изменение направления сил взаимодействия F, F, F, F (см. фиг.1) между полюсами пар магнитов. Как указывалось в настоящем описании (см. стр.3) под действием всех тангенциальных магнитных сил возникает крутящий момент магнитной муфты. При достижении крутящего момента муфты величины большей, чем у момента, создаваемого силами сопротивления, ведомая полумуфта увлекается за ведущей полумуфтой; появляется дополнительная нагрузка, действующая на приводной механизм, уменьшающая динамический момент приводного двигателя. Ускорение ведущей полумуфты уменьшается, ведомая полумуфта начинает догонять ведущую полумуфту. В результате уменьшается нагрузка (угол (р тоже уменьшается), а значит, уменьшается и крутящий момент магнитной муфты на ведущую полумуфту, приводной двигатель начинает ускоряться снова, что приводит к колебательному процессу.