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., c.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.
Наиболее близким к заявляемому устройству является электромагнитный редуктор (патент RU 2012980, H02K 16/00, H02K 51/00), содержащий статор с двумя многофазными обмотками, первичный ротор с системой возбуждения, вторичный ротор с обмоткой, выпрямитель и инвертор, причем вход выпрямителя и выход инвертора подключены соответственно к двум обмоткам статора, выход выпрямителя и вход инвертора соединены между собой, причем статор и роторы выполнены торцевыми, обмотки статора размещены на двух его торцах, напротив которых установлены роторы. На входном валу этого редуктора закреплен один из роторов, на котором располагаются магнитопровод и обмотка возбуждения; на выходном валу закреплен другой ротор, имеющий другой магнитопровод и короткозамкнутую обмотку. Между роторами коаксиально им и друг другу расположены статоры со своими магнитопроводами и многофазными (например, трехфазными) обмотками. Статоры закреплены в корпусе с подшипниками с помощью щитов. Каждый из валов вращается в двух подшипниках. Обмотки статоров соединены посредством полупроводникового преобразователя с выпрямителем и зависимым инвертором.
Изменение направления вращения выходного вала (задний ход) обеспечивается изменением алгоритма управления инвертором.
Для удобства управления режимами электромагнитного редуктора используется микропроцессорное устройство, которое может обеспечить автоматическое регулирование по заданному закону.
Недостатком этого электромагнитного редуктора является наличие двух многофазными обмоток на статоре и двух роторов с обмотками. Управление осуществляется по двум каналам: по частоте напряжения, подаваемого на статор, и току, подаваемому в обмотку возбуждения ротора. Это усложняет конструкцию, усложняет регулирование, приводит к излишним потерям. Недостаток прототипа связан с его сложностью и соответственно с низкой надежностью при использовании в силовых передачах.
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 упрощение конструкции при сохранении возможности регулирования коэффициента редукции.
2
Этот 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, 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, имеют призматическую форму и образуют зубцы этого ротора, а второй ротор, расположенный внутри первого, выполнен в виде зубчатого магнитопровода с числом зубцов z, равным
2
1
1
z=(z-p),
1
1
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.
1
1
1
1
1
1
Применение многофазной обмотки на статоре позволяет создать трансмиссионное бесступенчатое устройство с регулируемым коэффициентом редукции. Магнитное поле статора с числом пар полюсов p, поступающее на одну сторону ферромагнитной «беличьей» клетки, имеющей z ферромагнитных стержней, на выходе с другой стороны клетки образует основную гармонику с небольшим числом пар полюсов, равным разности (z-p). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с зубцами внутреннего ротора, число которых равно (z-р).
На рис.1 представлена принципиальная конструктивная схема заявляемого электромагнитного редуктора.
1
1
2
1
1
В электромагнитном редукторе входной вал 1 установлен с возможностью вращения в щите 9 корпуса 8. Неподвижно установленный в корпусе 8 статор 3 выполнен из шихтованных листов электротехнической холоднокатаной стали с пазами на его внутренней поверхности. В пазах статора 3 расположена многофазная обмотка 4, образующая пары полюсов статора, число которых равно p. Обмотка 4 подсоединена к регулируемому преобразователю частоты 5. Коаксиально статору установлен жестко связанный с концом входного вала с возможностью вращения вместе с ним в подшипниках первый ротор 2. Ротор 2 выполнен в виде беличьей клетки, стержни которой выполнены из шихтованных тонких ферромагнитных прямоугольных пластин электротехнической стали и имеют форму прямоугольной призмы, причем стержни закреплены в кольцах 11, 12 из немагнитного материала. Эти стержни образуют зубцы ротора 2, число которых равно z. Безобмоточный зубчатый внутренний, по отношению к ротору 2, второй ротор 6 с числом зубцов z=(z-p) выполнен из шихтованной электротехнической стали, жестко установлен на выходном валу 7, вращающемся в подшипниках щитов корпуса 9 и 10.
1
1
1
2
1
1
Электромагнитный редуктор работает следующим образом. На выводы обмотки 4 статора 3 подают напряжение от регулируемого преобразователя частоты 5. Образующееся при этом магнитное поле статора взаимодействует с внешней стороной ротора 2 с z ферромагнитными стержнями, образуя с внутренней стороны ротора 2 магнитное поле с числом пар полюсов, равным разности (z-p). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с зубцами второго ротора 6, число которых равно z=(z-p). Происходит синхронное вращение ротора 6 с магнитным полем.
1
2
Если подаваемое напряжение частотой ω=0 (магнитное поле постоянное), то при вращении входного вала 1 со скоростью Ω угловая скорость Ω выходного вала 7 будет пропорциональна коэффициенту редукции i
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>Ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>Ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
1
1
1
2
1
1
2
<mrow><mi>Ω</mi><mo>=</mo><mo>±</mo><mfrac><mi>ω</mi><mrow><msub><mi>p</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 при смене следования фаз) и взаимодействует с внешней стороной ферромагнитного ротора 2. С внутренней стороны ротора 2 образуется магнитное поле с числом пар полюсов, равным разности (z-p). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с зубцами z=(z-p) второго ротора 6, при этом угловая скорость Ω
<mrow><msub><mi>Ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>ω</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
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
<mrow><msub><mi>Ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>Ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>ω</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
2
2
1
В этом случае второй ротор 6 с выходным валом 7 синхронно вращается со скоростью Ω. Скорость вращения выходного вала Ω прямо пропорциональна скорости вращения входного вала Ω и угловой частоте ω напряжения статора 3.
Для изменения (регулирования) коэффициента редукции плавно или ступенчато необходимо плавно или ступенчато менять частоту ω питающего напряжения статора 3.
Такой электромагнитный редуктор отличается упрощенной конструкцией за счет выполнения безобмоточных роторов и одного статора с одной многофазной, например трехфазной, обмоткой. При этом заявляемый редуктор обладает высоким удельным моментом, 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. 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.