СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР-МУЛЬТИПЛИКАТОР УЗЯКОВА
UZYAKOV'S SYNCHRONOUS REACTIVE MAGNETIC GEARBOX-MULTIPLIER

Изобретение относится к машиностроению и электротехнике, 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, в обычном исполнении и для передачи энергии с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого валов.
Известны разнообразные магнитные редукторы, которые работают по принципу механических редукторов - непосредственного взаимодействия зубцов ведущего зубчатого колеса с зубцами ведомого колеса, но через магнитное взаимодействие. 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 одноступенчатый редуктор, содержащий быстроходный вал с быстроходным звеном - шестерней, тихоходный вал с тихоходным звеном - зубчатым колесом, опоры валов (подшипники) и корпус (см., например, Д.Н. Решетов. Детали машин: Учебник для вузов. - М.: «Машиностроение», 1974).
К недостаткам устройства можно отнести высокую точность изготовления и отказы, связанные с механическим контактом зубьев в зоне зацепления.
Наиболее близкой по физической и технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является синхронная одноименно-полюсная реактивная магнитная цилиндрическая муфта, содержащая два звена (полумуфты) с зубцами: ведущее и ведомое, установленные на валах. В одном звене (полумуфте) установлен магнит, а вторая изготавливается из ферромагнитного материала. Данная муфта передает вращающий момент за счет разности магнитной проводимости при согласованном и рассогласованном положении зубцов (см., например, Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л., Машиностроение. 1980).
Недостатком устройства является то, что оно позволяет реализовать только одно передаточное отношение, равное единице.
Задачей изобретения является, используя принципы работы синхронных реактивных магнитных цилиндрических муфт, создать устройство преобразования параметров механической энергии - редуктор-мультипликатор для практического использования в машиностроении.
Поставленная задача решается тем, что синхронный реактивный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова с соосными или параллельными или пересекающимися или перекрещивающимися осями валов содержит установленные на подшипниках два вала - быстроходный и тихоходный, на которых закреплены роторы, один из которых выполнен на постоянных магнитах с явно выраженными полюсами, а второй выполнен из ферромагнитного материала с зубцами, трехэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор, имеющий две цилиндрические непересекающиеся поверхности с зубцами и корпус из немагнитного материала. Ротор быстроходного вала имеет четное число полюсов (зубцов) - два и более. Ротор тихоходного вала имеет также четное число зубцов (полюсов) - два и более, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора. Внутренняя цилиндрическая поверхность статора, в которую устанавливается быстроходный ротор, имеет число зубцов, кратное трем - по три на каждые два полюса (зубца) быстроходного ротора, а цилиндрическая поверхность статора, с которой взаимодействует тихоходный ротор, имеет так же число зубцов кратное трем - по три на каждые два полюса (зубца) тихоходного ротора. Между роторами и статором имеется основной воздушный зазор. Зазоры между элементами статора как минимум в десять раз больше, чем основной воздушный зазор. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами одного ротора, замыкается через трехэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор и второй ферромагнитный ротор.
Вращение любого из роторов приводит к изменению магнитного поля в элементах статора с зубцами. При этом полюса (зубцы) второго ротора стремятся ориентироваться относительно поля (статора) так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было бы минимальным, что приводит к синхронному повороту второго ротора. При приложении момента сопротивления возникает рассогласование осей полюсов (зубцов) роторов и зубцов статора, изменение магнитной проводимости воздушных зазоров и перераспределение магнитных потоков в них. В результате чего возрастают касательные силы, стремящиеся уменьшить угол рассогласования. Результирующий момент касательных сил в воздушных зазорах всех полюсов (зубцов) роторов, предлагаемого изобретения, аналогичен моменту синхронной одноименно-полюсной реактивной магнитной цилиндрической муфты и будет больше, чем момент, возникающий при замыкании магнитного потока через один - два ферромагнитных зубца, как в большинстве известных магнитных редукторах, благодаря чему передаваемые вращающие моменты будут больше при одинаковых габаритно-весовых показателях.
Элементы ферромагнитного магнитопровода-статора могут быть плоскими, а могут иметь изгиб как в одной плоскости, так и в двух плоскостях. Поэтому синхронные реактивные магнитные редукторы-мультипликаторы Узякова, в зависимости от формы элементов статора, могут быть выполнены по следующим схемам:
- с соосными осями валов - «соосный» редуктор-мультипликатор;
- с параллельными осями валов - «цилиндрический» редуктор-мультипликатор;
- с пересекающимися осями валов - «конический» редуктор-мультипликатор;
- с перекрещивающимися осями валов - «винтовой» редуктор-мультипликатор.
Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена принципиальная схема синхронного реактивного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова с параллельными осями валов (корпус не показан), на фигуре 2 представлены схемы сечений А-А и Б-Б этого редуктора-мультипликатора (корпус не показан), а на фигуре 3 представлена принципиальная схема синхронного реактивного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова с соосными осями валов (корпус не показан), на фигуре 4 представлена схема замыкания магнитного потока в синхронном реактивном магнитном редукторе-мультипликаторе Узякова (на схеме представлена только часть магнитных линий).
Представленная на фигуре 1 и фигуре 2 схема изобретения состоит из следующих основных элементов: быстроходного явнополюсного ротора 1, установленного на быстроходном валу 6, содержащего две пары полюсов, тихоходного ферромагнитного ротора 2, установленного на тихоходном валу 7, содержащего четыре пары зубцов, и статора, имеющего две внутренние цилиндрические непересекающиеся поверхности, состоящего из трех ферромагнитных магнитопроводов 3, 4 и 5 (выделены различной штриховкой), между которыми имеются зазоры (заполненные 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 зубцов тихоходного ротора (для представленной схемы четыре). В-В - линия изгиба элементов статора для «конической» и «винтовой» схем.
Представленная на фигуре 3 соосная схема изобретения состоит из следующих основных элементов: быстроходного ферромагнитного ротора 1, установленного на быстроходном валу 6, содержащего две пары зубцов, тихоходного явнополюсного ротора 2, установленного на тихоходном валу 7, содержащего восемь пар полюсов, и кольцевого статора, имеющего внутреннюю и наружную цилиндрические поверхности состоящего из трех ферромагнитных магнитопроводов 3, 4 и 5 (выделены различной штриховкой), между которыми имеются зазоры (заполненные 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 зубцов тихоходного ротора (для представленной схемы восемь).
Синхронный реактивный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова работает следующим образом, фигура 4. В исходном положении магнитный поток входит из полюсов «N» быстроходного ротора 1 (показано стрелками), проходит основной воздушный зазор, входит в зубцы элементов статора 4 и 5, проходит по этим элементам (показано пунктирной линией), через второй основной воздушный зазор из зубцов статора входит в зубцы тихоходного ферромагнитного ротора (показано стрелками), по ротору проходит в соседние зубцы (показано тонкой сплошной линией), из них через второй основной воздушный зазор входит в зубцы элемента статора 3 (показано стрелками), проходит по элементу статора 3 (показано тонкой сплошной линией), через зубцы и основной воздушный зазор замыкается на полюса «S» быстроходного ротора (показано стрелками). При повороте быстроходного ротора по часовой стрелке на половину зубцового деления, для представленной схемы на угол 30°, полюса «S» быстроходного ротора будут взаимодействовать с тихоходным ротором через элементы статора 3 и 4, а полюса «N» быстроходного ротора будут взаимодействовать с тихоходным ротором через элемент статора 5. При этом зубцы тихоходного ферромагнитного ротора стремятся ориентироваться относительно магнитного поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было бы минимальным, что приводит к синхронному повороту тихоходного ротора по часовой стрелке на половину зубцового деления, для представленной схемы на угол 15°. Таким образом, отношение углов поворота роторов и угловых скоростей (для представленной на фигуре 1 и фигуре 4 схемы) передаточное отношение i=2. При вращении взаимодействие полюсов через один или два ферромагнитных элемента статора поочередно меняется.
Если ведущим звеном будет тихоходный ротор, мы получаем мультипликатор (для представленной на фигуре 1 и фигуре 4 схемы с передаточным отношением i=0,5).
Трехэлементный статор, внутренние 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 замыкание через статор и тихоходный ротор магнитных потоков всех полюсов быстроходного ротора.
Потери мощности предложенного магнитного редуктора-мультипликатора определяются как сумма потерь мощности в подшипниках, в статоре и ферромагнитном роторе от перемагничивания и от вихревых токов, для их снижения статор и ферромагнитный ротор могут изготавливаться методом порошковой металлургии.