Магнитная планетарная передача

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для передачи вращения в различного рода инерционных механизмах, высокочувствительных приборах, автономных устройствах длительного непрерывного действия как в нормальных условиях, так и в условиях вакуума, радиации, низких температур в системах с высокими требованиями к составу газовой среды, взрывобезопасности и к уровню локальной акустической нагрузки.
Известны различные типы классических планетарных передач ([1], стр.73). Основным недостатком планетарных зубчатых передач является наличие потерь на трение вследствие имеющегося контактного взаимодействия между сопрягаемыми поверхностями зубчатых колес, сопровождающегося нагревом и износом трущихся поверхностей и повышенным уровнем шума во время работы. Обязательное наличие смазочного материала (отсюда невозможность длительной эксплуатации механизма в условиях вакуума), появление продуктов его распада с дальнейшими трудностями связанными как с необходимостью периодического обслуживания, так и с утилизацией отработанных масляных отходов с присутствующими в них продуктами износа механизма. Технологическая сложность изготовления профиля зубчатых колес требующая наличия специального оборудования. В случае аварийной остановки, заклинивания или превышения крутящего момента существует вероятность поломки или разрушения элементов зубчатого колеса с последующим выходом из строя всего механизма. Приведенные выше особенности делают малоэффективным использование планетарных механизмов данного типа в системах автономного энергоснабжения, высокочувствительных конструкциях выполненных на магнитной опоре, различного рода инерционных накопителях энергии.
Известны планетарные электромагнитные механизмы ([2], стр. 14), содержащие сателлит, ведущий вал (водило), обмотку возбуждения, ведомый вал, венцы сателлита, подвижное и неподвижное главные колеса. Недостатком приведенного выше механизма является его низкая надежность вследствие зависимости от внешнего источника питания и соответственно малый КПД при его использовании как встраиваемого конструктивного элемента в различных системах автономного энергоснабжения или в инерционных накопителях энергии  вследствие необходимости дополнительных затрат энергии для его эффективного функционирования.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является магнитная передача (RU № 65990, F16H1/06, от 09.08.2005), содержащая соосно расположенные в корпусе ведущий и ведомый вал. На ведущем валу эксцентрично установлен охватываемый элемент из немагнитного материала с постоянными стержневыми магнитами, взаимодействующий с постоянными магнитами неподвижного кольцевого элемента. Зубчатый элемент через стержни и диск с отверстиями передает крутящий момент на ведомый вал.
Недостатком приведенной выше магнитной передачи является низкие функциональные возможности, технологическая сложность, заключающаяся в необходимости точного изготовления, сборки, позиционирования (с учетом эксцентриситета) и дальнейшей эксплуатации охватываемого элемента на ведущем валу. Установка охватываемого элемента с эксцентриситетом уменьшает величину преобразования частот вращения на входном валу в меньшую сторону из-за появления вибраций на больших скоростях. Передача крутящего момента на ведомый вал через диск с отверстиями создает дополнительные потери в виде трения скольжения, в зонах контакта стержней по внутреннему периметру отверстий диска, уменьшая КПД передачи в целом. Разный шаг устанавливаемых магнитов на неподвижном кольцевом элементе и охватываемом элементе будет неизбежно приводить к положению, когда одна из пар магнитов будет попадать в неустойчивое положение соответствующее совпадению их одноименных полюсов (фиг.2). Возникающие при этом силы будут стремиться, в зависимости от дефектов материала магнитов, неоднородности магнитного поля и инерционной составляющей охватываемого элемента, сместить его как в прямом, совпадающем с направлением вращения, так и в реверсивном направлениях, что может приводить как к неравномерности вращения выходного вала во время работы, так и к его колебательным движениям после остановки механизма.
Целью полезной модели является повышение КПД и расширение функциональных возможностей магнитного планетарного механизма.
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД магнитной планетарной передачи путем минимизации возникающих потерь на трение посредством применения бесконтактного равномерно распределенного взаимодействия одноименных магнитных полей постоянных магнитов с использованием классических схем построения планетарных передач с дополнительно встраиваемыми конструктивными элементами.
Технический результат достигается за счет того, что магнитная планетарная передача состоит из коронного колеса, на внутреннем периметре которого дифференцированно, с равным шагом, располагаются постоянные магниты. На определенном равном расстоянии от внутреннего периметра коронного колеса и внешнего периметра солнечного колеса располагаются закрепленные на водиле, с возможностью свободного вращения, сателлиты, на внешнем периметре которых крепятся постоянные магниты, с шагом расположения, равным шагу расположения магнитов на коронном и солнечном магнитных колесах, и обеспечивающих бесконтактное взаимодействие посредством одноименных магнитных полей постоянных магнитов с коронным и солнечным магнитными колесами. Постоянные магниты, как на внутреннем периметре коронного колеса, так и внешнем периметре сателлитов и солнечного колеса, расположены одноименными полюсами друг к другу. Солнечное колесо выполнено в виде муфты свободного хода, обеспечивающей передачу вращения в одном направлении. Конструктивные элементы магнитной планетарной передачи могут быть изготовлены из керамики, аустенитных сталей, никель марганцевых чугунов, сплавов меди, алюминия, титана и других материалов, обладающих низкими магнитными свойствами.
На фиг.1 изображена магнитная планетарная передача общий вид. На фиг.2 общий вид в разрезе. На фиг.3 изображено взаимодействие магнитных полей постоянных магнитов с устройством обгонной муфты в солнечном колесе. На фиг.4 изображено несколько магнитных планетарных рядов.
Магнитная планетарная передача состоит из ведущего вала 1 с закрепленным на нем водилом 2. На водиле установлены сателлиты 3, на внешнем периметре которых с шагом N расположены постоянные магниты 4, одновременно взаимодействующие с постоянными магнитами, расположенными с шагом N, на внешнем периметре солнечного 5 и внутреннем периметре коронного 6 колес. Солнечное колесо 5 выполнено в виде муфты свободного хода, состоящей из наружной обоймы 7, тел качения 8 и звездочки 9, жестко связанной с ведомым валом 10.
Магнитная планетарная передача работает следующим образом. При вращении ведущего вала 1 против часовой стрелки, вращающий момент передается на водило 2, на котором закреплены сателлиты 3. Постоянные магниты, расположенные на внешнем периметре сателлитов, вращающихся при этом по часовой стрелке, взаимодействуют с магнитами коронного колеса 6, передавая крутящий момент на солнечное колесо 5, вращающее обойму 7, как и входной вал с водилом, против часовой стрелки. Постоянные магниты на внешнем периметре сателлитов и солнечного колеса и внутреннем периметре коронного колеса (фиг.3) расположены с шагом N и направлены одноименными полюсами друг к другу. Дискретное расположение одноименных полюсов постоянных магнитов с равным шагом создает по периметрам колес единый парасинусоидальный магнитный профиль, суммарно представляющий собой равномерно чередующиеся области с зонами минимальной и максимальной плотности магнитных полей одного знака, соответствующий профилю зубчатого колеса, что обеспечивает сцепление магнитных колес и сателлитов. Отсутствие жестких ограничительных зон, по границам контакта взаимодействующих одноименных магнитных полей постоянных магнитов, обеспечивает не только плавность сцепления, но и компенсирует неточности при позиционировании в механизме как магнитных колес с сателлитами, так и устанавливаемых в них магнитов, снижая при этом технологические требования к изготовлению и сборке элементов передачи.
При проворачивании обоймы 7 солнечного колеса против часовой стрелки, стальные тела качения 8, поджатые магнитами к обойме 7, смещаются в область клина между звездочкой 9 и обоймой 7 с последующим заклиниванием муфты свободного хода. В результате ведомый вал 10 начинает вращаться вместе с солнечным колесом против часовой стрелки. Уменьшение частоты вращения ведомого вала 1 относительно ведущего 10 будет приводить к смещению обоймы солнечного колеса 7 относительно звездочки 9 и ведомого вала 10 по часовой стрелке. В результате тела качения 8 за счет трения качения обоймы 7 и воздействия постоянных магнитов солнечного колеса будут выталкиваться из области клина. Происходит расклинивание муфты свободного хода и, как следствие, ведомый вал не подтормаживается замедляющимся ведущим.
Величина передаваемого крутящего момента в предлагаемой передаче может варьироваться как коэрцетивной силой используемых в зацеплении магнитов и количеством сателлитов, размещаемых на водиле, так и величиной воздушного зазора между сателлитами и магнитными колесами.
Предлагаемая магнитная планетарная передача может быть использована как элемент конструкции ветроэнергетической установки в качестве мультипликатора, передающего вращение от ветроколеса к генератору, в инерционных механических накопителях энергии, как конструктивный элемент сцепления, в различного рода устройствах, требующих однонаправленной передачи вращения.
В предлагаемой магнитной планетарной передаче солнечное колесо 5, в зависимости от технических требований, предъявляемых к магнитной планетарной передаче, может быть выполнено как с жесткой связью с ведущим валом, так и в виде муфт: одно или двусторонних фрикционной/храповой; глухих; жестких подвижных; упругих подвижных; кулачковых; фрикционных; предохранительных; центробежных; магнитных.
Предлагаемая планетарная магнитная передача, в зависимости от технических требований, может быть исполнена в несколько планетарных рядов (фиг.4) как с жесткой связью между ведомым валом солнечным колесом, так и опосредованное различными типами муфт.
Литература
1. Проектирование механических передач. Учеб. пособие для немашинотроит. вузов. Изд. 4-е, перераб. М., «Машиностроение», 1976.
2. Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник. - Л.; Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1980. - 364с.