СООСНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР-МУЛЬТИПЛИКАТОР УЗЯКОВА
UZYAKOV(S COAXIAL MAGNETIC REDUCING MULTIPLIER

Изобретение относится к электротехнике и машиностроению, оно может быть использовано в качестве редукторов - механизмов для понижения угловой скорости и повышения вращающего момента, а также в качестве мультипликаторов - механизмов для повышения угловой скорости с понижением вращающего момента, с передаточным отношением большим, меньшим и равным единице.
Известны разнообразные магнитные редукторы, которые работают по принципу механических редукторов - непосредственного взаимодействия ведущего зубчатого колеса с ведомым колесом, но только через магнитное взаимодействие, а не механическое. При этом сохраняются кинематические характеристики, аналогичные механическим редукторам (см. например, Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л.: Машиностроение. 1980.)
Общим недостатком известных устройств является то, что величина вращающих моментов магнитных редукторов значительно меньше, чем механических. В связи с чем данные механизмы не нашли широкого практического применения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трехфазный синхронный электродвигатель с ротором на постоянных магнитах, содержащий вал, установленный на подшипниках, на котором закреплен ротор на постоянных магнитах с явно выраженными магнитными полюсами и статор с явно выраженными зубцами, причем зубцы статора имеют три группы (элемента) для трех фаз, в котором индуцируется вращающееся магнитное поле в результате прохождения трехфазного переменного тока по обмоткам, намотанным вокруг зубцов статора. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора (см., например, Н.И. Волков. Электромашинные устройства автоматики: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1986).
Недостатком устройства является, по определению, необходимость подключения к сети переменного тока, сложность пуска и невозможность редуцирования механической энергии.
Вторым наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном, содержащая ведущее звено в виде электромагнита с одной или большим числом пар полюсов ,расположенное в цилиндрической полости неподвижного экрана, имеющего встроенные ферромагнитные элементы - статор и ведомое звено - ферромагнитный якорь, имеющий два зубца, расположенный во внутренней полости экрана-статора. Ферромагнитные элементы статора на стороне ведущего звена имеют восемь пар полюсов, а на стороне ведомого - четыре пары полюсов, в результате чего ведомое звено вращается в два раза быстрее ведущего звена (см. описание изобретения к патенту RU №2451382 от 20.05.2012).
Недостатком устройства является энергозависимость, сложность конструкции статора и сцепление звеньев замыканием магнитного потока через один-два ферромагнитных зубца.
Задачей изобретения является, используя принципы работы синхронных электродвигателей с роторами на постоянных магнитах, создать энергонезависимое устройство преобразования параметров механической энергии - редуктор-мультипликатор для практического использования в машиностроении.
Поставленная задача решается тем, что соосный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова содержит установленные на подшипниках два вала - быстроходный и тихоходный, на которых закреплены роторы на постоянных магнитах с явно выраженными полюсами, трехэлементный ферромагнитный магнитопровод-статор, имеющий две цилиндрические соосные поверхности с явно выраженными зубцами и корпус из немагнитного материала. Ротор быстроходного вала имеет четное число полюсов - два и более. Ротор тихоходного вала имеет также четное число полюсов - два и более, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора. Цилиндрическая поверхность статора со стороны быстроходного ротора имеет число зубцов, кратное трем, - по три на каждые два полюса быстроходного ротора, а со стороны тихоходного ротора цилиндрическая поверхность статора имеет также число зубцов, кратное трем, - по три на каждые два полюса тихоходного ротора. Между роторами и статором имеется зазор минимально возможной величины. Магнитные потоки всех полюсов быстроходного ротора сцепляются со всеми полюсами тихоходного ротора через ферромагнитный магнитопровод-статор. Принудительное вращение любого из роторов приводит к повороту магнитного поля в статоре и соответствующему повороту второго ротора. Сила одновременного сцепления магнитных потоков всех полюсов роторов на постоянных магнитах значительно больше, чем сила сцепления при замыкании магнитного потока через один-два ферромагнитных зубца, в большинстве известных магнитных редукторах, благодаря чему передаваемые вращающие моменты будут больше при одинаковых габаритно-весовых показателях.
Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена принципиальная схема соосного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова (корпус и валы не показаны), а на фигуре 2 представлена схема сечения Α-A (корпус не показан).
Представленная на фигуре 1 и фигуре 2 схема изобретения состоит из следующих основных элементов: быстроходного ротора 1, установленного на быстроходном валу 6, содержащего две пары полюсов, тихоходного ротора 2, установленного на тихоходном валу 7, содержащего восемь пар полюсов, и статора, состоящего из трех ферромагнитных магнитопроводов 3, 4 и 5 (выделены различной штриховкой), установленных соосно, между которыми имеется значительный осевой зазор (заполненный немагнитным материалом не показан). Каждый ферромагнитный магнитопровод имеет со стороны быстроходного ротора зубцы, число которых равно числу пар полюсов быстроходного ротора (для представленной схемы два), а со стороны тихоходного ротора зубцы, число которых равно числу пар полюсов тихоходного ротора (для представленной схемы восемь).
Магнитный редуктор-мультипликатор Узякова работает следующим образом. При вращении любого из роторов происходит поворот магнитного поля в статоре и соответствующий поворот второго ротора. Если ведущим звеном будет быстроходный ротор, мы получаем редуктор (для представленной на фигуре 1 и фигуре 2 схемы с передаточным отношением i=4). Если ведущим звеном будет тихоходный ротор, мы получаем мультипликатор (для представленной на фигуре 1 и фигуре 2 схемы с передаточным отношением i=0,25). Таким образом, наличие постоянных магнитов в быстроходном и тихоходном роторах увеличивает магнитный момент сцепления роторов. В передаточное число раз большее число полюсов тихоходного ротора, чем у быстроходного ротора, обеспечивает соответствующее изменение угловых скоростей. Трехэлементный статор, цилиндрические поверхности которого, обращенные к роторам, имеющие число зубцов, кратное трем, - по три на каждые два полюса ротора, обеспечивает плавное направленное вращение магнитного поля (как в трехфазном электродвигателе) и одновременное сцепление через статор магнитных потоков всех полюсов быстроходного и тихоходного ротора, при этом одни полюса быстроходного ротора (например, S) сцепляются с противоположными полюсами тихоходного ротора (N) через один ферромагнитный элемент статора, а вторые полюса быстроходного ротора (например, Ν) сцепляются с противоположными полюсами тихоходного ротора (S) через два ферромагнитных элемента статора, при вращении сцепление полюсов через один или два ферромагнитных элемента статора поочередно меняется.
Потери мощности предложенного магнитного редуктора-мультипликатора определяются как сумма потерь мощности в подшипниках и в статоре от перемагничивания и от вихревых токов, для снижения последних статор изготавливается методом порошковой металлургии, так как столь сложную геометрическую форму трудно изготовить шихтованной.
Компьютерное моделирование в программах комплексного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов «FEMM 4.2» и «ansoft maxwell 16» показало работоспособность и высокую эффективность предлагаемого изобретения.