Электромагнитный редуктор
ELECTROMAGNETIC GEAR

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электромагнитных механизмов, в частности бесконтактных электромагнитных редукторов, и может быть использовано в качестве передаточного устройства с регулируемым передаточным отношением в механических системах с большим ресурсом работы в условиях отсутствия смазки.
Известен электромагнитный редуктор [1] (Афанасьев А.А., Чихняев В.А. Электромагнитный редуктор. Патент РФ 2529422, МПК H02K 16/02, H02K 51/00. Опубл. 27.09.2014, Бюл. №27).
2
2
1
1
1
1
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого электромагнитного редуктора, состоит в сохранении возможности регулирования коэффициента редукции при одновременном обеспечении упрощения конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном редукторе, содержащем корпус с установленными в нем статором с многофазной обмоткой, подключенной к источнику напряжения, а также первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах, соответственно, согласно изобретению обмотка статора подключена к источнику напряжения через регулируемый преобразователь частоты и размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов, при этом первый ротор расположен коаксиально со статором, жестко связан с концом входного вала и выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой вставлены в кольца из немагнитного материала, имеют призматическую форму и образуют зубцы первого ротора, а второй ротор расположен внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнито-провода с числом зубцов z, равным z=(z-p), где z - число зубцов первого ротора; p - число пар полюсов обмотки статора; при этом статор, зубцы первого ротора и второй ротор выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали.
Недостатком известного электромагнитного редуктора является статор, представляющий собой тихоходную электрическую машину с большим моментом, близким к моменту первого ротора, что вызывает большие электрические потери в обмотке и низкие энергетические показатели.
Известен магнитный редуктор [2] (Афанасьев А. Ю., Макаров А.В., Берёзов Н.А. Магнитный редуктор. Патент РФ 2594018, МПК H02K 51/00, F16D 27/01. Опубл. 10.08.2016, Бюл. №22).
Изобретение относится к электромагнитным механизмам, а именно к бесконтактным магнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках. Технический результат заключается в улучшении технологичности конструкции и энергетических показателей. Магнитный редуктор содержит корпус и два подшипниковых щита, на которых установлены два магнитопровода. На валу быстрого вращения установлена немагнитная втулка ротора быстрого вращения с постоянными магнитами. На статоре установлены диски статора. На валу медленного вращения установлена немагнитная втулка ротора медленного вращения с дисками. Диски статора и диски ротора медленного вращения чередуются. Диски статора имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы в виде секторов. Диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, равномерно расположенными по окружности. Диски ротора медленного вращения имеют свое магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов и создающее активный электромагнитный момент.
Недостатком известного магнитного редуктора является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора или коррекции частоты вращения выходного вала.
Наиболее близким по элементам конструкции и принципу действия является синхронный электродвигатель с магнитной редукцией [3] (Афанасьев А.Ю., Берёзов Н.А., Макаров А.В., Сиразетдинов Р.Т., Деваев В.М. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией. Патент РФ 2588599. МПК H02K 19/06, H02K 49/06. Опубл. 10.07.2016, Бюл. №19).
c
p
c
p
Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например в качестве мотор-колеса экологически чистых автомобилей. Технический результат заключается в создании синхронного электродвигателя с более технологичной конструкцией и улучшенными энергетическими показателями. Синхронный электродвигатель с магнитной редукцией содержит корпус и два подшипниковых щита. На них установлены два кольца пакета статора. На первом кольце имеются шесть зубцов с коронками и с катушками, а на втором кольце имеются клиновидные выступы. Четыре постоянных магнита установлены на втулке ротора быстрого вращения. Диски статора имеют ферромагнитные и немагнитные сектора и закреплены на втулке статора. Диски ротора медленного вращения выполнены из магнитотвердого материала, имеют намагниченные сектора чередующейся полярности и установлены на втулке. Диски статора и ротора чередуются в пространстве. Число ферромагнитных секторов z дисков статора и число секторов одной полярности z дисков ротора связаны равенством z=z±р, где р - число пар полюсов обмотки статора. Валы быстрого вращения и медленного вращения опираются на подшипники, установленные в подшипниковых щитах и во втулке подшипников.
Недостатком данного синхронного электродвигателя с магнитной редукцией является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора или коррекции частоты вращения выходного вала.
Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в получении электромагнитного редуктора с возможностью регулирования выходной скорости вращения при высоких энергетических показателях.
c
p
c
p
Указанный результат достигается тем, что в электромагнитный редуктор, имеющий корпус, два подшипниковых щита, четыре подшипника, тихоходный и быстроходный валы, два магнитопровода, выполненные из ферромагнитной ленты путем навивки, первый магнитопровод установлен на первом щите и имеет клиновидные выступы, второй магнитопровод имеет зубцы с коронками и многофазную обмотку, на корпусе установлена втулка, на которой установлены диски статора, имеющие ферромагнитные секторы, разделенные немагнитными секторами, тихоходный вал опирается на подшипники, установленные на первом щите и на диске статора, быстроходный вал опирается на подшипник, установленный на втором щите, на тихоходном валу установлена втулка, на которой установлены диски ротора, выполненные из магнитотвердого материала и имеющие намагниченные сектора чередующейся полярности, диски статора и ротора чередуются в пространстве, число z ферромагнитных элементов диска статора и число z однополярных секторов диска ротора связаны равенством z=z±р, где р - число пар полюсов обмотки, введены корпус токо-подвода с тремя комплектами щеток со щеткодержателями, пружинами и проводами, изоляционная втулка, установленная на быстроходном валу и имеющая три контактных кольца, соединенных с помощью жгута с обмоткой, щетки прижаты к контактным кольцам, четвертый подшипник опирается на корпус токоподвода, второй магнитопровод установлен на быстроходном валу, который опирается на подшипник, установленный на корпусе токоподвода.
Устройство и принцип действия электромагнитного редуктора объясняются с помощью фиг. 1-5, где
фиг. 1 - продольное сечение электромагнитного редуктора;
фиг. 2 - второй магнитопровод с зубцами и катушками;
фиг. 3 - диск статора;
фиг. 4 - диск ротора;
фиг. 5 - зависимость магнитной индукции, созданной дисками ротора и статора в рабочем зазоре.
На продольном сечении на фиг. 1 обозначено: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - магнитопроводы; 6 - обмотка; 7 - втулка статора; 8 - диски статора; 9 - втулка тихоходного ротора; 10 - диски ротора; 11 - тихоходный вал; 12, 13 - подшипники; 14 - быстроходный вал; 15, 16 - подшипники; 17 - корпус токоподвода; 18 - щетки; 19 - изоляционная втулка; 20 - контактные кольца; 21 - жгут.
Подшипниковые щиты 2, 3 установлены на корпусе 1 и имеют подшипники 12, 15. На подшипниковом щите 2 установлен кольцевой магнитопровод 4, выполненный из ферромагнитной ленты путем навивки и имеющий клиновидные выступы. На корпусе установлена втулка 7 статора, на которой закреплены диски 8 статора, имеющие клиновидные ферромагнитные элементы, выполненные шихтованными и разделенные немагнитными элементами. Крайний диск 8 статора имеет подшипник 13. Тихоходный вал 11 опирается на подшипники 12, 13 и имеет втулку 9, на которой установлены диски 10 ротора, выполненные из магнитотвердого материала и имеющие сектора с чередующейся полярностью. Диски 8 статора и 10 ротора чередуются в пространстве.
Корпус токоподвода 17 установлен на подшипниковом щите 3 и имеет подшипник 16. Быстроходный вал 14 опирается на подшипники 15, 16 и имеет изоляционную втулку 19 с тремя контактными кольцами 20. Кольцевой магнитопровод 5, выполненный из ферромагнитной ленты путем навивки, установлен на быстроходном валу 14 и имеет зубцы с коронками и трехфазную обмотку 6. На корпусе токоподвода 17 установлены три комплекта щеток 18 со щеткодержателями, пружинами и проводами. Контактные кольца 20 соединены жгутом 21 с обмоткой 6. Ферромагнитные элементы дисков 8 статора и клиновидные выступы на магнитопроводе 4, а также намагниченные сектора дисков 10 ротора имеют одинаковые угловые положения.
Магнитопровод 5 показан на фиг. 2. Он имеет шесть зубцов и шесть катушек. Число пар полюсов р=2.
Диск 8 статора показан на фиг. 3. Он имеет 24 ферромагнитных элемента, выполненных шихтованными для уменьшения магнитных потерь.
c
p
c
p
Диск 10 ротора показан на фиг. 4. Он выполнен из магнитотвердого материала, имеет на одной торцевой поверхности 22 северных полюса и 22 южных полюса. Здесь z=z+р; z=24; z=22; р=2.
На фиг. 5 показан график магнитной индукции, созданной дисками 10 ротора и дисками 8 статора. На фиг. 5, а показан график магнитной индукции при постоянном зазоре для диска ротора. Дана развертка цилиндрического сечения диска статора. Темным цветом показаны ферромагнитные элементы. На фиг. 5, 6 показан график магнитной индукции с учетом магнитных проводимостей ферромагнитных элементов. Показана первая пространственная гармоника.
1
2
1
p
1
3
3
3
4
1
p
3
Электромагнитный редуктор работает следующим образом. Тихоходный вал 11 приводится во вращение со скоростью ω, например, ветродвигателем или гидротурбиной. При этом первая пространственная гармоника магнитной индукции вращается с угловой скоростью ω=ω⋅z/p=11ω. На зажимы А, В, С токоподвода подводится трехфазная система напряжений с угловой частотой ω, которая создает магнитное поле, вращающееся относительно магнитопровода 5 с угловой частотой ω/p=ω/2. Это поле неподвижно относительно первой пространственной гармоники магнитной индукции, созданной дисками статора и ротора. В результате магнитопровод 5 с быстроходным валом 14 вращаются с угловой частотой ω=ω⋅z/p±ω/р. Знак "+" или "-" определяется порядком чередования фаз системы напряжений.
p
Момент быстроходного вала 14 меньше входного момента, приложенного к валу 11, в z/p=11 раз. Соответственно масса меди обмотки и мощность потерь, выделяемая в ней, значительно меньше, чем в случае электромагнитного редуктора по патенту [1], где дополнительная скорость и мощность добавляются на стороне тихоходного вала и большого момента.
Таким образом, благодаря введению корпуса токоподвода с тремя комплектами щеток со щеткодержателями, пружинами и проводами, изоляционной втулки, установленной на быстроходном валу и имеющей три контактных кольца, соединенных с помощью жгута с обмоткой, и установке второго магнитопровода на быстроходном валу, который опирается на подшипник, установленный на корпусе токоподвода, получен электромагнитный редуктор с возможностью регулирования выходной скорости вращения при высоких энергетических показателях.