ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР
ELECTROMAGNETIC GEAR

Изобретение относится к общему машиностроению, к электротехнике, к электромагнитным механизмам, а конкретно к бесконтактным электромагнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства с регулируемым передаточным отношением в механических системах с большим ресурсом работы в условиях отсутствия смазки.
Известен двухступенчатый редуктор, являющийся мультипликатором (статья Дергачев П.А., Кирюхин В.П., Кулаев Ю.В., Курбатов П.А., Молоканов О.Н. «Анализ двухступенчатого магнитного мультипликатора», ж. «Электротехника», №5, 2012 г., с. 39-45), имеющий три вращающихся ротора, внешний статор и внутреннее модулирующее кольцо, наружный ротор и наружные магниты промежуточного ротора образуют первую ступень мультипликатора. Второй (промежуточный) ротор имеет радиально намагниченные магниты на наружной и внутренней сторонах. Статор, наружный ротор и наружные магниты промежуточного ротора образуют первую ступень мультипликатора. Третий (внутренний) ротор жестко связан с выходным валом. Внутренние магниты промежуточного ротора, вторая беличья клетка и внутренний ротор образуют вторую (выходную) ступень мультипликатора. Недостатком этого магнитного редуктора является большое число ступеней. Магнитная система содержит четыре воздушных зазора. Современные высокоэнергетические постоянные магниты из редкоземельных элементов имеют высокую стоимость. Гармоники магнитного поля во втором воздушном зазоре, взаимодействуя с наружными магнитами, создают переменные электромагнитные моменты - источник вибрации и шума. Существенным недостатком мультипликатора является отсутствие возможности регулирования частоты вращения выходного вала в широких пределах.
2
2
1
1
1
1
Наиболее близким к заявляемому устройству является электромагнитный редуктор (патент RU №2529422 Н02K 16/00, Н02K 51/00), содержащий 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, причем обмотка статора подключена к источнику напряжения через регулируемый преобразователь частоты и размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов, при этом первый ротор, расположенный коаксиально со статором и жестко связанный с концом входного вала, выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой, вставленные в кольца из немагнитного материала, образуют зубцы этого ротора, а второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнитопровода с числом зубцов z, равным z=(z-p), где z - число зубцов первого ротора; p - число пар полюсов обмотки статора; причем статор, зубцы первого ротора и второй ротор выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали.
Недостатком этого электромагнитного редуктора является малая нагрузочная способность в установившемся и динамическом режиме работы при сохранении регулируемого коэффициента редукции. Такое устройство менее надежно.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи создания несложной и недорогой конструкции электромагнитного редуктора, который может использоваться в качестве мультипликатора, с регулируемым коэффициентом редукции.
Техническим результатом заявляемого устройства является увеличение передаваемой мощности в установившемся и динамическом режиме при сохранении возможности регулирования коэффициента редукции.
2
1
1
Этот технический результат достигается тем, что в электромагнитном редукторе, содержащим корпус с установленными в нем статором с многофазной обмоткой, подключенной к источнику напряжения регулируемой частоты, а также первым и вторым роторами, жестко установленными на входном и выходном валах, соответственно, причем первый ротор, расположенный коаксиально со статором и жестко связанный с концом входного вала, выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой, вставленные в кольца из немагнитного материала, образуют зубцы этого ротора, а второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнитопровода, а на щитах редуктора установлены дополнительные обмотки возбуждения, подключенные к источнику постоянного напряжения с возможностью создания однонаправленных магнитных потоков в статоре и роторах, а второй ротор выполнен с числом зубцов, равным разности между числом зубцов первого ротора и числом пар полюсов статора z=(z-p), причем, статор, зубцы первого и второго роторов, выполнены шихтованными из ферромагнитной тонколистовой стали.
На рис. 1 и рис. 2 представлена принципиальная конструктивная схема заявляемого электромагнитного редуктора.
1
1
2
1
1
В электромагнитном редукторе входной вал 1 установлен с возможностью вращения в щите 2 корпуса 3. Неподвижно установленный в корпусе 3 статор 4 выполнен из шихтованных листов электротехнической холоднокатаной стали с пазами на его внутренней поверхности. В пазах статора 4 расположена многофазная обмотка 16, образующая пары полюсов статора, число которых равно р. Обмотка 16 подсоединена к регулируемому преобразователю частоты 15. Коаксиально статору установлен жестко связанный с концом входного вала 1 с возможностью вращения вместе с ним в подшипниках первый ротор 5. Ротор 5 выполнен в виде беличьей клетки, магнитно и гальванически изолированные между собой стержни которой выполнены из шихтованных тонких ферромагнитных прямоугольных пластин электротехнической стали и имеют форму прямоугольной призмы, причем стержни закреплены в кольцах 6 и 7 из немагнитного материала. Эти стержни образуют зубцы ротора 5, число которых равно z. Безобмоточный зубчатый внутренний по отношению к ротору 5 второй ротор 6 с числом зубцов z=(z-p) выполнен из шихтованной электротехнической стали, жестко установлен на выходном валу 9, вращающемся в подшипнике щита 10 корпуса 3 и подшипнике, установленном в кольце 6. На щитах 2 и 10 установлены обмотки возбуждения 11 и 12, подключенные параллельно к источнику постоянного напряжения 17 с возможностью создания однонаправленных магнитных потоков в статоре 4 и роторах 5 и 8.
1
1
1
2
1
1
Электромагнитный редуктор работает следующим образом. На выводы обмотки 16 статора 3 подают напряжение от регулируемого преобразователя частоты 15. Образующееся при этом магнитное поле статора взаимодействует с внешней стороной ротора 5, то есть с z ферромагнитными стержнями, образуя с внутренней стороны ротора 5 магнитное поле с числом пар полюсов, равным разности (z-р). Одновременно на выводы обмоток 11 и 12 подают постоянный ток от источника постоянного напряжения 17. В результате дополнительно возникают магнитные потоки, протекающие по замкнутому пути через статор 4, роторы 5, 8, которые замыкаются через корпус 3, подшипниковые щиты 2, 10 и вал 9. Причем через статор 4 и роторы 5, 8 магнитные потоки протекают в одном направлении. Суммарное магнитное поле от обмоток - статора 4 и обмоток возбуждения 11 и 12, создают малополюсное магнитное поле в зазоре между роторами 5, 8, которое взаимодействует с зубцами второго ротора 8, число их равно z=(z-p). Происходит синхронное вращение ротора 8 с магнитным полем.
1
2
Если подаваемое напряжение от источника 15 частотой ω=0 (магнитное поле постоянное), то при вращении входного вала 1 со скоростью Ω, угловая скорость Ω выходного вала 9 будет пропорциональна коэффициенту редукции i.
1
1
1
2
1
1
2
<mrow><mi>Ω</mi><mo>=</mo><mo>±</mo><mfrac><mi>ω</mi><mrow><msub><mi>р</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Если угловая скорость входного вала 1 равна нулю Ω=0 и подаваемое напряжение частотой ω>0, магнитное поле статора вращается с угловой скоростью
(знак минус реализуется преобразователем 15 при смене следования фаз) и взаимодействует с внешней стороны ферромагнитного ротора 5. С внутренней стороны ротора 5 образуется магнитное поле с числом пар полюсов, равным разности (z-р). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с зубцами z=(z-p) второго ротора 8, при этом угловая скорость Ω.
1
2
1
Если задана угловая скорость Ω входного вала 1 и частота питающего напряжения статора 3 ω>0, то угловая скорость Ω выходного вала 5 зависит от частоты ω и угловой скорости Ω входного вала 1 согласно формуле:
2
2
1
В этом случае второй ротор 8 с выходным валом 9 синхронно вращается со скоростью Ω. Скорость вращения выходного вала Ω прямо пропорциональна скорости вращения входного вала Ω и угловой частоте ω напряжения статора 4. Для изменения (регулирования) коэффициента редукции плавно или ступенчато, необходимо плавно или ступенчато менять частоту ω питающего напряжения статора 4.
2
1
В заявляемой конструкции электромагнитные моменты роторов 5 и 8 создаются не только за счет роторов с помощью обмоток возбуждения 11 и 12, расположенных на подшипниковых щитах 2 и 10 и обтекаемых постоянным током. Этот поток будет иметь z пар полюсов во внутреннем воздушном зазоре между роторами 5, 8 и р пар полюсов (благодаря ферромагнитной беличьей клетке) во внешнем зазоре между ротором 5 и обмоткой статора 4. В результате, на роторы редуктора будут воздействовать, кроме реактивных моментов, активные моменты, которые обычно в несколько раз больше реактивных моментов. Сумма моментов при этом существенно увеличивает нагрузочную способность редуктора при сохранении возможности регулирования передаточного отношения редуктора.
Такой электромагнитный редуктор отличается упрощенной конструкцией за счет выполнения безобмоточных роторов, одного статора с одной многофазной, например, трехфазной обмоткой, и двух обмоток постоянного тока. Применение многофазной обмотки на статоре позволяет создать трансмиссионное бесступенчатое устройство с плавно регулируемым коэффициентом редукции. При этом заявляемый редуктор обладает более высоким удельным моментом, а следовательно, большей передаваемой мощностью в установившемся и динамическом режимах, плавным изменением частоты вращения выходного вала редуктора по отношению к частоте вращения входного вала (если менять частоту напряжения статора), простотой и удобством эксплуатации, отсутствием постоянных магнитов. Ток возбуждения обмоток постоянного тока может быть, в случае необходимости, кратковременно увеличен для предотвращения аварийных ситуаций (опрокидывания) редуктора при несанкционированном росте внешних механических моментов на его валах.
Редуктор может найти применение в различных транспортных системах, в ветроэнергетике в качестве мультипликатора. Ветроколеса в рабочем режиме имеют относительно небольшую скорость вращения. Для снижения массы электрогенераторов, приводимых во вращение ветроколесами через редуктор, необходим мультипликатор, который позволит использовать сравнительно легкие быстроходные электрогенераторы. Есть возможность создать систему автоматического поддержания выходных параметров электрогенератора за счет плавного регулирования коэффициента редукции в функции входной скорости и кратковременного увеличения тока возбуждения.