Магнитный редуктор
MAGNETIC GEARBOX

Изобретение относится к электротехнике, 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, имеющий ротор быстрого вращения с постоянным магнитом, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор с магнитопроводом и с зубцами на его внутренней поверхности (Авт. свид. №280142, H02K 51/00) - [1].
Его недостатком является сравнительно малый передаваемый момент.
Известен магнитный редуктор, имеющий ротор быстрого вращения, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор с магнитопроводом и с зубцами на его внутренней поверхности, полые цилиндры, поочередно механически связанные с ротором медленного вращения и со статором, ротор быстрого вращения содержит постоянные магниты, намагниченные тангенциально и встречно, и клинообразные полюсные наконечники, полые цилиндры имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, параллельные оси вращения, угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров одинаковые, магнитные элементы полых цилиндров, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора, причем количество ферромагнитных элементов полых цилиндров, связанных со статором и с ротором медленного вращения, отличаются в пределах одного полюсного деления на единицу (патент №2369955, H02K 51/00, опубл. 10.10.2009, бюл. №28) - [2].
Его недостатком является отсутствие возможности герметичного разделения полостей роторов быстрого и медленного вращения и передачи момента в герметичный объем. Кроме того, консольное расположение роторов быстрого и медленного вращения требует точного концентричного сопряжения полых цилиндров статора и ротора, что вызывает технологические сложности в обеспечении необходимых радиальных зазоров рабочих элементов ротора и статора.
Известен магнитный редуктор-мультипликатор, содержащий индуктор, магнитопровод которого имеет зубцы, роторы быстрого и медленного вращения, а так же статор, имеющие чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, причем количества ферромагнитных элементов статора и ротора медленного вращения отличается на единицу в пределах одного полюсного деления, индуктор магнитного поля выполнен неподвижным, а ротор быстрого и ротор медленного вращения представляют собой диски, диски ротора медленного вращения чередуются с дисками статора, между диском ротора быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, количество дисков ротора медленного вращения и дисков статора один или более (патент на полезную модель №118136, H02K 51/00, опубл. 10.07.2012, бюл. №19) - [3].
Его недостатком является большая масса, что связано с внешним магнитопроводом, замыкающим магнитный поток, проходящий через активную часть редуктора. Далее, магнитный редуктор имеет потери энергии в стали секторов, магнитная индукция в которых изменяется. При совпадении угловых размеров ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения наблюдается эффект прилипания, что вызывает вибрацию ротора медленного вращения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является магнитный редуктор, содержащий статор, роторы быстрого и медленного вращения, представляющие собой диски, диски ротора медленного вращения чередуются с дисками статора и имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, причем их количества отличаются на количество немагнитных элементов ротора быстрого вращения, между диском ротора быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, ротор быстрого вращения представляет собой индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, ферромагнитные элементы ротора медленного вращения и 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, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны (патент №2545166, H02K 51/00, F16H 49/00, опубл. 27.03.2015, бюл. №9).
Его недостатком является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в возможности изменения передаточного отношения редуктора.
Технический результат достигается тем, что в магнитный редуктор, содержащий статор, ротор-индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, и ротор, его диски чередуются с дисками статора и имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, ферромагнитные элементы ротора и 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-индуктора, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, введены вал переключения, ведущее коническое зубчатое колесо, ведомые конические зубчатые колеса, винты, втулки винтов, кольцо, клинья и направляющие, вал переключения проходит внутри вала ротора-индуктора, на котором установлено ведущее колесо, зацепленное с ведомыми колесами, установленными на винтах, проходящих сквозь втулки винтов, на которых установлены постоянные магниты с направляющими, скользящими по клиньям, связанным с кольцом, диски статора и ротора имеют несколько кольцевых полос, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов, число которых на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличаются на единицу, а радиальный размер постоянных магнитов равен ширине одной полосы.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 4):
- на фиг. 1 - показано продольное сечение магнитного редуктора;
- на фиг. 2 - показано поперечное сечение магнитного редуктора;
- на фиг. 3 - показан диск статора;
- на фиг. 4 - показан диск ротора.
Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.
Магнитный редуктор на фиг. 1 имеет: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4-7 - подшипники; 8 - входной вал; 9 - вал переключения; 10 - выходной вал; 11, 12 - магнитопроводы; 13 - постоянный магнит; 14 - ведущее колесо; 15 - ведомое колесо; 16 - втулку входного вала; 17 - винт; 18 - втулку винта; 19 - кольцо; 20 - диск статора; 21 - диск ротора; 22 - втулку ротора.
На фиг. 2 показано поперечное сечение магнитного редуктора. Здесь 23 - клин; 24 - направляющая.
Магнитный редуктор собран следующим образом. На корпусе 1 установлены подшипниковые щиты 2, 3. В щите 2 установлены подшипники 4, 5. На них опирается входной вал 8, в котором расположен вал 9 переключения на скользящей посадке. На входном валу 8 закреплена втулка 16 входного вала, на которой установлены восемь клиньев 23, охваченных кольцом 19.
На валу 9 переключения установлено коническое зубчатое колесо 14, зацепленное с восемью коническими зубчатыми колесами 15, закрепленными на восьми винтах 17, проходящих сквозь втулки 18 винтов и имеющих цилиндрические концы, входящие в отверстия кольца 19 на скользящей посадке. На втулках 18 винтов установлены восемь высококоэрцитивных постоянных магнитов 13 в виде секторов, намагниченных аксиально с чередующейся полярностью. На постоянных магнитах 13 установлены шестнадцать направляющих 24, скользящих по клиньям 23 в радиальном направлении.
На подшипниковых щитах 2, 3 установлены кольцевые магнитопроводы 11, 12, выполненные лентой из электротехнической стали. На корпусе 1 установлены диски 20 статора. На выходном валу 10 установлена втулка 22 ротора, на которой закреплены диски 21 ротора, чередующиеся с дисками 20 статора.
Диск статора имеет четыре кольцевых полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов (на фиг. 3 темные) и немагнитных секторов (на фиг. 3 светлые). Средние радиусы четырех полос относятся как 3:4:5:6. На одно полюсное деление приходится 4-5-6-7 ферромагнитных секторов. Всего полосы имеют соответственно 32-40-48-56 ферромагнитных секторов.
c
p
c
p
Диск ротора имеет четыре кольцевых полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов (на фиг. 4 темные) и немагнитных секторов (на фиг. 4 светлые). Их радиусы совпадают с радиусами полос статора. На одно полюсное деление на четырех полосах приходится 3-4-5-6 ферромагнитных секторов. Всего полосы имеют соответственно 24-32-40-48 ферромагнитных секторов. Число таких секторов на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличаются на единицу. Числа ферромагнитных секторов статора z и секторов ротора z соответствуют равенству z=z±2р, р - число пар полюсов ротора-индуктора. Здесь р=4. Радиальный размер постоянных магнитов 13 совпадает с радиальной шириной одной полосы дисков.
Магнитный редуктор работает следующим образом. При неподвижном входном вале 8 поворачивают вал 9 переключения. Зубчатое колесо 14 вращает зубчатые колеса 15, которые вращают винты 17. Втулки 18 винтов с постоянными магнитами 13 и с направляющими 24 перемещаются в радиальном направлении между клиньями 23 и устанавливаются в пределах требуемой полосы. Механическая передача "винт - гайка" является самотормозящейся.
При вращении входного вала 8 вместе с валом 9 переключения происходит вращение постоянных магнитов 13. При этом благодаря эффекту муара диски 21 ротора вместе с втулкой 22 ротора и выходным валом 10 вращаются так, что области минимального магнитного сопротивления совпадают с полюсами постоянных магнитов. Передаточное отношение магнитного редуктора может иметь значения 3-4-5-6, т.е. равно числу ферромагнитных секторов дисков ротора на одно полюсное деление одной из полос.
Таким образом, благодаря введению клиньев 23, связанных с кольцом 19 ротора-индуктора, вала переключения 9, расположенного внутри входного вала на скользящей посадке, ведущего 14 и 2р ведомых 15 конических зубчатых колес, связанных с винтами 17 и втулками 18 винтов, установленных внутри постоянных магнитов, связанных с направляющими 24, скользящими в радиальном направлении по клиньям 23, диски статора и ротора разделены на несколько кольцевых полос, средние радиусы которых пропорциональны целым натуральным числам, равным числам ферромагнитных секторов ротора на одно полюсное деление, а радиальный размер постоянного магнита равен радиальной ширине полосы, получен магнитный редуктор с расширенными функциональными возможностями в виде переключения передаточного отношения.