Передача с магнитным зацеплением

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для бесконтактной передачи вращательного движения/крутящего момента в различных механизмах, в т.ч. в условиях вакуума или в средах с высокими требованиями к чистоте рабочей среды.
Известна передача с магнитным зацеплением SU № 1551888 от 28.09.1987, содержащая ведущий и ведомый элементы, выполненные из магнитомягкого материала соответственно в виде одного и двух дисков с торцевыми зубьями, которые образованы сверлением отверстий по окружности, оси которых параллельны осям элементов. Зубья образованы на кольцевых выступах, обращенных торцевыми поверхностями друг к другу. В центре между дисками ведомого элемента размещен источник магнитного поля. Магнитный поток, замыкаясь в зоне зацепления через зубья, приводит во вращение ведомый элемент при вращении ведущего элемента в том и другом направлении.
Недостатком приведенной выше передачи с магнитным зацеплением является обязательное наличие для ее работы источника питания, что усложняет конструкцию, снижает надежность и безотказность в работе, сужая области ее эксплуатации, делая затруднительным ее применение в различных автономных устройствах, уменьшая энергоэффективность системы в целом.
Известны различные конструкции (например патент SU № 1272031 от 09.08.1983, RU № 107308 от 11.03.2011), предназначенные для бесконтактной передачи вращательного движения с помощью зацепления создаваемого силами притяжения разноименных полюсов постоянных магнитов.
Недостатком всех конструкций передач, работающих по данному принципу, является низкая эффективность передачи вращательного движения, вызванная стремлением каждой из участвующих в зацеплении пар постоянных магнитов, работающих на притяжение, создаваемое силами разноименных полюсов постоянных магнитов, занять равновесное положение, при котором силы взаимодействия магнитных полей имели бы максимальное значение, что соответствует статическому состоянию зацепления при полной остановке магнитной передачи. Каждая из взаимодействующих пар магнитов, работающих на притяжение и стремящаяся остановить зубчатые колеса, будет оказывать подтормаживающий эффект на работу магнитной передачи в целом, уменьшая как ее инерционную составляющую, так и создавая дополнительный момент страгивания в начале работы, что отрицательно сказывается на работе в таких устройствах как механические накопители энергии или в высокочувствительных системах ветроколес, выполненных на магнитном подвесе и работающих с низкопотенциальными ветровыми потоками.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является зубчатая передача (SU № 1097845, от 19.10.82), содержащая зубчатые колеса, зубья которых выполнены в виде постоянных магнитов, установленных параллельно оси вращения колес, соседние магниты каждого из колес направлены одноименными полюсами навстречу друг другу и колеса установлены таким образом, что магниты на обращенных друг к другу поверхностях в направлении движения от магнита ведущего колеса имеют  одноименные полюса.
При вращении ведущего зубчатого колеса крутящий момент передается ведомому зубчатому колесу как за счет сил отталкивания, возникающего в магнитном зазоре между одноименными полюсами магнитов, так и за счет сил притяжения в соседнем магнитном зазоре между разноименными полюсами магнитов.
Недостатком приведенной конструкции является низкая надежность и низкий коэффициент полезного действия.
Обязательное условие однонаправленности передаваемого вращательного движения/крутящего момента накладывает ограничения на области применения описанного выше механизма.
При замедлении или наличии неравномерности в работе ведущего зубчатого колеса, вследствие возникающей инерционности, неизбежны «залипания» передней поверхности ведомого и задней поверхности ведущего зубьев зубчатых колес, вызванные силами притяжения разноименных магнитных полей постоянных магнитов с одной стороны и силами отталкивания с другой стороны, возникающих на противолежащих поверхностях входящих в зацеплении зубьев вследствие взаимодействия одноименных полюсов постоянных магнитов. «Залипание» поверхностей зубьев будет отрицательно сказываться как в процессе работы зубчатой пары, наличием фрикционного контакта и необходимостью приложения дополнительного усилия для преодоления возникающей силы притяжения магнитных полей постоянных магнитов, так и в начале, обязательным наличием дополнительного момента страгивания. Описанные процессы будут вызывать соударения и повышенный износ поверхностей зубьев и в дальнейшем частичное выкрашивание или их полное разрушение, т.к. известно, что магнитные материалы обладают низкими прочностными и износостойкими характеристиками. При резком пуске, (аварийном) торможении, заклинивании и т.д. вероятность разрушения зубьев значительно возрастает.
Технологическая сложность изготовления прототипа, заключающаяся в трудоемкости изготовления сложных фасонных поверхностей зубьев из магнитотвердого материала и их надежного и точного крепления на базовой поверхности.
Техническим результатом полезной модели является снижение металлоемкости, повышение надежности работы, точности позиционирования и крепления магнитов с одновременным увеличение КПД магнитной передачи, уменьшение износа поверхностей зубьев за счет исключения непосредственного механического контакта.
Технический результат достигается за счет того, что передача с магнитным зацеплением, состоящая из двух магнитных колес, каждое из которых состоит из вала, магазинов с постоянными магнитами и дисковых крышек, согласно полезной модели, каждое из двух находящихся в одной плоскости  магнитных колес выполнено пустотелым, состоящим из верхнего и нижнего дисковых магазинов, жестко связанных с валом, с выполненными вдоль их периметров сквозными отверстиями прямоугольной формы, расположенными симметрично на равноудаленном расстоянии друг от друга и относительно центра вращения магнитного колеса, в которых установлены постоянные магниты, образующие по периметрам магнитных колес, направленные при зацеплении друг к другу, равномерно чередующиеся зоны с минимальной и максимальной плотностью однополярного магнитного поля, при этом магазины закрыты сверху и снизу дисковыми крышками.
На фиг.1 изображено магнитное колесо, общий вид с разнесенными частями. На фиг.2 изображены магнитные колеса, находящиеся в зацеплении с маркировкой полюсов и условным изображением формы их магнитных полей.
Магнитное колесо состоит из вала 1, верхней и нижней крышек 2, с расположенными между ними магазинами 3, жестко связанными с валом 1, которые служат для крепления и точного позиционирования постоянных магнитов 4 в отверстиях прямоугольной формы 5, при этом магниты 4, намагниченные по толщине, образуют по периметру магнитного колеса однополярное магнитное поле, состоящее из набора магнитных полей 6.
Известно, что разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются. Характерной особенностью взаимодействия разноименных полюсов постоянных магнитов является их стремление к равновесному положению, соответствующему минимальной величине магнитных силовых линий. Т.е. они стремятся соединиться (слипнуться). В результате при работе таких передач возникают дополнительные силы сопротивления вращению - силы, затрачиваемые на «разрыв» пар магнитов, выходящих из зацепления (расцепление их разноименных полюсов), которые лишь частично компенсируются силами притяжения входящих вслед за ними в зацепление пары магнитов. В магнитной передаче предлагаемой нами, основанной на взаимодействии одноименных полюсов постоянных магнитов, такие силы отсутствуют.
Также известно, что все магнитные материалы обладают существенным недостатком - высокой хрупкостью. Хрупкость магнитных материалов создает трудности по надежности их крепления на рабочих поверхностях. Клеевое крепление магнитов стандартной формы (выпускаемых промышленностью) на фасонные поверхности, вследствие неплотного прилегания и сил, возникающих при работе (центробежных, взаимодействия магнитных полей и т.д.), крайне не надежно. Любое термическое воздействие (пайка, сварка) на магниты исключено из-за особенностей магнитных материалов. Использование магнитов с отверстиями под крепеж, полученных промышленным способом, во-первых уменьшают их суммарный полезный объем, а, следовательно, однородность и силу магнитного поля, и во-вторых создают концентраторы напряжения в теле самого магнита. В магнитной передаче, предлагаемой нами, крепление магнитов осуществляется простым и надежным способом.
С учетом вышеприведенного описания принцип работы предлагаемой нами магнитной передачи, изображенной на фиг.2, строится следующим образом. Два находящихся в одной плоскости магнитных колеса, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, входят во взаимное зацепление посредством одноименных магнитных полей 6, которые образуются по периметру колес постоянными магнитами 4. Благодаря тому, что магниты установлены в магазинах 3 дискретно, по периметру колеса образуются равномерные циклические зоны (монополюсный массив) с минимальными и максимальными значениями магнитного поля одного знака. Образующиеся циклические зоны позволяют осуществить сближение магнитных колес с последующим зацеплением, вследствие взаимного вхождения более плотных магнитных полей в образующиеся «разрывы» и передачу вращающего движения за счет естественно возникающих сил отталкивания между магнитами при сближении одноименных магнитных полей по касательной траектории во время начала вращения одного из колес в ту или иную сторону.
Величина передаваемого крутящего момента может регулироваться как коэрцитивной силой магнитов, так и величиной зазора между магнитными колесами. Передаточное отношение устанавливается диаметрами.