RU2705219C1 - Magnetic gearbox - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, to contactless magnetic gearboxes, and can be used as a transmission device in mechanical systems with longer service life under impact loads. Bearing shields 2, 3 are installed on housing 1. Annular magnetic cores 10, 11 are installed on them. Shield 2 accommodates bearings 4, 5. Input shaft 8 rests on them. On it rotor-inducer disc 12 is fixed, on which permanent magnets 13 are installed, having the form of sectors and magnetized axially with alternating polarity. Stator discs 14 are arranged on housing 1. Shield 3 accommodates bearings 6, 7. Output shaft 9 rests on them. On it rotor bushing 15 is fixed, on which rotor disks 16 are installed. Stator discs 14 and rotor disks 16 are alternated in space. They have ferromagnetic and nonmagnetic elements in the form of sectors. Number of ferromagnetic elements of stator and rotor discs differs by one within one pole division. Due to separation of rotor-inductor into several annular strips, middle radii of which are referred to as integers equal to numbers of pairs of poles on these strips, and separating the stator and rotor discs into similar strips, all the strips of one disc have the same number of ferromagnetic sectors per pole division, and the radial size of the permanent magnets is equal to the width of one strip, a magnetic gear with a high torque is obtained.

EFFECT: technical result consists in increasing the output torque.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к бесконтактным магнитным редукторам, и может быть использовано в качестве передаточного устройства в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках.The invention relates to electrical engineering, and in particular to non-contact magnetic gears, and can be used as a transmission device in mechanical systems with a long service life under shock loads.

Известен магнитный редуктор, имеющий ротор быстрого вращения с постоянным магнитом, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор с магнитопроводом и с зубцами на его внутренней поверхности (Авт.свид. №280142, Н02К 51/00) - [1].Known magnetic gearbox having a fast rotation rotor with a permanent magnet, a slow rotation rotor in the form of a hollow cylinder and a stator with a magnetic circuit and with teeth on its inner surface (Autosvid. No. 280142, Н02К 51/00) - [1].

Его недостатком является сравнительно малый передаваемый момент.Its disadvantage is the relatively small transmitted moment.

Известен магнитный редуктор, имеющий ротор быстрого вращения, ротор медленного вращения в виде полого цилиндра и статор с магнитопроводом и с зубцами на его внутренней поверхности, полые цилиндры, поочередно механически связанные с ротором медленного вращения и со статором, ротор быстрого вращения содержит постоянные магниты, намагниченные тангенциально и встречно, и клинообразные полюсные наконечники, полые цилиндры имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, параллельные оси вращения, угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров одинаковые, магнитные элементы полых цилиндров, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора, причем количество ферромагнитных элементов полых цилиндров, связанных со статором и с ротором медленного вращения, отличаются в пределах одного полюсного деления на единицу (патент №2369955, Н02К51/00, опубл. 10.10.2009, бюл. №28) - [2].Known magnetic gearbox having a rotor of fast rotation, a rotor of slow rotation in the form of a hollow cylinder and a stator with a magnetic circuit and with teeth on its inner surface, hollow cylinders alternately mechanically connected with the rotor of the slow rotation and with the stator, the rotor of fast rotation contains permanent magnets, magnetized tangentially and counter, and wedge-shaped pole pieces, hollow cylinders have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements parallel to the axis of rotation, the angular dimensions of all the teeth and the magnetic elements of the hollow cylinders are the same, the magnetic elements of the hollow cylinders associated with the stator have an angular position that coincides with the angular position of the teeth of the stator magnetic circuit, and the number of ferromagnetic elements of the hollow cylinders connected with the stator and with the slow rotor differ within one pole division by unit (patent No. 2369955, Н02К51 / 00, publ. 10.10.2009, bull. No. 28) - [2].

Его недостатком является отсутствие возможности герметичного разделения полостей роторов быстрого и медленного вращения и передачи момента в герметичный объем. Кроме того, консольное расположение роторов быстрого и медленного вращения требует точного концентричного сопряжения полых цилиндров статора и ротора, что вызывает технологические сложности в обеспечении необходимых радиальных зазоров рабочих элементов ротора и статора.Its disadvantage is the lack of the ability to tightly separate the cavities of the rotors of fast and slow rotation and transfer of torque to the sealed volume. In addition, the cantilever arrangement of the rotors of fast and slow rotation requires precise concentric mating of the hollow cylinders of the stator and rotor, which causes technological difficulties in providing the necessary radial clearances of the working elements of the rotor and stator.

Известен магнитный редуктор-мультипликатор, содержащий индуктор, магнитопровод которого имеет зубцы, роторы быстрого и медленного вращения, а так же статор, имеющие чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, причем количества ферромагнитных элементов статора и ротора медленного вращения отличается на единицу в пределах одного полюсного деления, индуктор магнитного поля выполнен неподвижным, а ротор быстрого и ротор медленного вращения представляют собой диски, диски ротора медленного вращения чередуются с дисками статора, между диском ротора быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, количество дисков ротора медленного вращения и дисков статора один или более (патент на полезную модель №118136, Н02К 51/00, опубл. 10.07.2012, бюл. №19) - [3].Known magnetic gearbox-multiplier, containing an inductor, the magnetic circuit of which has teeth, rotors of fast and slow rotation, as well as a stator having alternating ferromagnetic and non-magnetic elements, and the number of ferromagnetic elements of the stator and rotor of slow rotation differs by one within one pole division, the magnetic field inductor is stationary, and the fast rotor and the slow rotor are disks, the disks of the slow rotation rotor alternate with the stator disks, between the disk of the rotor of fast rotation and the disk of the rotor of slow rotation is the stator disk, the number of disks of the slow rotation rotor and the stator disks is one or more (utility model patent No. 118136, Н02К 51/00, published on July 10, 2012, bull. No. 19) - [3].

Его недостатком является большая масса, что связано с внешним магнитопроводом, замыкающим магнитный поток, проходящий через активную часть редуктора. Далее, магнитный редуктор имеет потери энергии в стали секторов, магнитная индукция в которых изменяется. При совпадении угловых размеров ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения наблюдается эффект прилипания, что вызывает вибрацию ротора медленного вращения.Its disadvantage is the large mass, which is associated with an external magnetic circuit that closes the magnetic flux passing through the active part of the gearbox. Further, the magnetic gearbox has energy losses in steel sectors, the magnetic induction of which changes. When the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and the rotor of slow rotation coincide, an adhesion effect is observed, which causes vibration of the rotor of the slow rotation.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является магнитный редуктор, содержащий статор, роторы быстрого и медленного вращения, представляющие собой диски, диски ротора медленного вращения чередуются с дисками статора и имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, причем их количества отличаются на количество немагнитных элементов ротора быстрого вращения, между диском ротора быстрого вращения и диском ротора медленного вращения располагается диск статора, ротор быстрого вращения представляет собой индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, ферромагнитные элементы ротора медленного вращения и статора выполнены из электротехнической стали шихтованными, а магнитопровод статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам редуктора, причем магнитопровод, дальний от ротора быстрого вращения, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску ротора медленного вращения, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны (патент №2545166, Н02К 51/00, F16H 49/00, опубл. 27.03.2015, бюл. №9).The closest to the proposed invention in terms of technical essence and the achieved effect is a magnetic gearbox containing a stator, fast and slow rotation rotors, which are disks, slow rotation rotor disks alternate with stator disks and have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements, and their numbers differ by the number non-magnetic elements of the rotor of fast rotation, between the disk of the rotor of fast rotation and the disk of the rotor of slow rotation is the stator disk, the rotor is fast rotation is an inductor with permanent magnets, having the form of sectors and magnetized axially with alternating polarity, the ferromagnetic elements of the slow rotation rotor and the stator are made of electrical steel laden, and the stator magnetic circuit is made in the form of two rings of electrical steel tape by winding located at the ends gearbox, and the magnetic circuit, farthest from the rotor of rapid rotation, has teeth on the surface facing the disk of the rotor of slow rotation, and angular the sizes of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and the rotor of slow rotation are different (patent No. 2545166, Н02К 51/00, F16H 49/00, publ. 03/27/2015, bull. No. 9).

Его недостатком является малый выходной момент.Its disadvantage is the small output torque.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в увеличении выходного момента.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the output moment.

Технический результат достигается тем, что в магнитном редукторе, содержащем статор, ротор-индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, и ротор, его диски чередуются с дисками статора и имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, их число на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличаются на единицу, ферромагнитные элементы ротора и статора выполнены из электротехнической стали шихтованными, а магнитопроводы статора выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам редуктора, причем магнитопровод, дальний от ротора-индуктора, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора различны, ротор-индуктор имеет несколько кольцевых полос, средние радиусы которых относятся как целые числа, равные числам пар полюсов на этих полосах, диски статора и ротора разделены на аналогичные полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных и немагнитных секторов, все полосы одного диска имеют одинаковое число ферромагнитных секторов на полюсное деление, а радиальный размер постоянных магнитов равен ширине одной полосы.The technical result is achieved by the fact that in a magnetic gearbox containing a stator, a rotor inductor with permanent magnets having the form of sectors and magnetized axially with alternating polarity, and the rotor, its disks alternate with the stator disks and have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements, their number per one pole division for the stator disk and the rotor disk is different by one, the ferromagnetic elements of the rotor and stator are made of electrical steel lined, and the stator magnetic cores are made in the form of two rings of electrical steel tape by winding, located at the ends of the gearbox, and the magnetic circuit, distant from the rotor-inductor, has teeth on the surface facing the disk, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and rotor are different, the rotor-inductor has several ring bands, the average radii of which are treated as integers equal to the numbers of pole pairs in these bands, the stator and rotor disks are divided into similar bands, each of which consists of ferromagnetic and non-magnetic sectors, all bands one disk have the same number of ferromagnetic sectors per pole division, and the radial size of the permanent magnets is equal to the width of one strip.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 4):The claimed technical solution is illustrated by drawings (Fig. 1 - Fig. 4):

- на фиг. 1 - показано продольное сечение магнитного редуктора;- in FIG. 1 - shows a longitudinal section of a magnetic gear;

- на фиг. 2 - показан ротор-индуктор;- in FIG. 2 - shows a rotor inductor;

- на фиг. 3 - показан диск ротора;- in FIG. 3 - shows the rotor disk;

- на фиг. 4 - показан диск статора.- in FIG. 4 - shows the stator disk.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах.The following are presented in detail the design features of the features shown in these figures.

Магнитный редуктор на фиг. 1 имеет: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4-7 - подшипники; 8 - входной вал; 9 - выходной вал; 10, 11 - магнитопроводы; 12 - диск ротора-индуктора; 13 - постоянный магнит; 14 - диск статора; 15 - втулку ротора; 16 - диск ротора.The magnetic gear in FIG. 1 has: 1 - housing; 2, 3 - bearing shields; 4-7 - bearings; 8 - input shaft; 9 - output shaft; 10, 11 - magnetic cores; 12 - a disk of a rotor-inductor; 13 - a permanent magnet; 14 - stator disk; 15 - rotor sleeve; 16 - rotor disk.

Магнитный редуктор собран следующим образом. На корпусе 1 установлены подшипниковые щиты 2, 3. На них установлены магнитопроводы 10, 11. В щите 2 установлены подшипники 4, 5. На них опирается входной вал 8. На нем закреплен диск 12 ротора-индуктора, на котором установлены постоянные магниты 13. На корпусе 1 установлены диски 14 статора.The magnetic gearbox is assembled as follows. Bearing shields 2, 3 are installed on the housing 1. Magnetic cores 10, 11 are installed on them. Bearings 4, 5 are installed on the shield 2. The input shaft 8 is supported on them. The rotor-inductor disk 12 is mounted on it, on which permanent magnets 13 are mounted. On the housing 1, the disks 14 of the stator are installed.

В щите 3 установлены подшипники 6, 7. На них опирается выходной вал 9. На нем закреплена втулка 15 ротора, на котором установлены диски 16 ротора.Bearings 6, 7 are installed in the shield 3. The output shaft 9 is supported on them. A rotor sleeve 15 is mounted on it, on which rotor disks 16 are mounted.

Кольцевые магнитопроводы 11, 12 выполнены лентой из электротехнической стали. Ротор-индуктор разделен на три кольцевые полосы (фиг. 2). Средние радиусы полос относятся как 2:3:4. Число пар полюсов р этих полос - 2, 3, 4. Число постоянных магнитов - 4, 6, 8. Постоянные магниты 13 имеют форму секторов, намагниченных аксиально и выполненных из высококоэрцитивного материала.The annular magnetic cores 11, 12 are made of electrical steel tape. The rotor inductor is divided into three annular bands (Fig. 2). The average radii of the bands are referred to as 2: 3: 4. The number of pole pairs p of these strips is 2, 3, 4. The number of permanent magnets is 4, 6, 8. Permanent magnets 13 are in the form of sectors magnetized axially and made of highly coercive material.

Диски 14 статора и диски 16 ротора разделены на три кольцевые полосы (фиг. 3, 4). Радиусы этих полос совпадают с радиусами постоянных магнитов. Каждая полоса состоит из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов. Диск ротора имеет 5 ферромагнитных секторов на один полюс. Полосы имеют 20, 30 и 40 ферромагнитных секторов. Диск статора имеет 6 ферромагнитных секторов на один полюс. Полосы имеют 24, 36 и 48 ферромагнитных секторов.The stator disks 14 and rotor disks 16 are divided into three annular bands (Figs. 3, 4). The radii of these bands coincide with the radii of the permanent magnets. Each strip consists of ferromagnetic and non-magnetic elements in the form of sectors. The rotor disk has 5 ferromagnetic sectors per pole. The bands have 20, 30 and 40 ferromagnetic sectors. The stator disk has 6 ferromagnetic sectors per pole. The bands have 24, 36 and 48 ferromagnetic sectors.

Магнитный редуктор работает следующим образом.Magnetic gear works as follows.

При вращении входного вала 8 происходит вращение постоянных магнитов 13. При этом благодаря эффекту муара диски 16 ротора вместе с втулкой 15 ротора и выходным валом 9 вращаются так, что области минимального магнитного сопротивления совпадают с полюсами постоянных магнитов. Передаточное отношение магнитного редуктора имеет значение 5, т.е. равно числу ферромагнитных секторов дисков ротора на одно полюсное деление одной из полос.When the input shaft 8 is rotated, the permanent magnets 13 rotate. Moreover, due to the moire effect, the rotor disks 16 together with the rotor bushing 15 and the output shaft 9 rotate so that the areas of minimum magnetic resistance coincide with the poles of the permanent magnets. The gear ratio of the magnetic gearbox is 5, i.e. equal to the number of ferromagnetic sectors of the rotor disks by one pole division of one of the bands.

Два ферромагнитных сектора, разделенные зазором δ и имеющие радиальную длину

взаимодействуют с силойTwo ferromagnetic sectors separated by a gap δ and having a radial length

interact with force

и создают моментand create the moment

М₁=RF₁.M ₁ = RF ₁ .

Здесь U_m - магнитное напряжение между секторами, A; ε₀ - магнитная постоянная, Ф/м; R - средний радиус секторов.Here U _m is the magnetic voltage between sectors, A; ε ₀ is the magnetic constant, f / m; R is the average radius of the sectors.

Для увеличения суммарного момента желательно выполнять сектора минимальной ширины, которая ограничивается толщиной сектора. Благодаря разделению площади дисков на несколько полос возможно выполнение дисков с большой суммарной радиальной длиной секторов.To increase the total moment, it is desirable to perform sectors of minimum width, which is limited by the thickness of the sector. By dividing the disk area into several bands, it is possible to make disks with a large total radial length of sectors.

Таким образом, благодаря разделению ротора-индуктора на несколько кольцевых полос, средние радиусы которых относятся как целые числа, равные числам пар полюсов на этих полосах, и разделению дисков статора и ротора на аналогичные полосы с одинаковым числом ферромагнитных секторов на полюсное деление, а радиальный размер постоянных магнитов равен ширине одной полосы, получен магнитный редуктор с увеличенным моментом.Thus, due to the division of the rotor-inductor into several ring strips, the average radii of which are integers equal to the numbers of pole pairs in these strips, and the separation of the stator and rotor disks into similar strips with the same number of ferromagnetic sectors per pole division, and the radial size of permanent magnets is equal to the width of one strip, a magnetic gearbox with an increased moment is obtained.

Claims (1)

Магнитный редуктор, содержащий статор, ротор-индуктор с постоянными магнитами, имеющими вид секторов и намагниченными аксиально с чередующейся полярностью, и ротор, его диски чередуются с дисками статора и имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, их число на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличается на единицу, ферромагнитные элементы ротора и статора выполнены из электротехнической стали шихтованными, а магнитопроводы статора выполнены в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам редуктора, причем магнитопровод, дальний от ротора-индуктора, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора различны, отличающийся тем, что ротор-индуктор имеет несколько кольцевых полос, средние радиусы которых относятся как целые числа, равные числам пар полюсов на этих полосах, диски статора и ротора разделены на аналогичные полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных и немагнитных секторов, все полосы одного диска имеют одинаковое число ферромагнитных секторов на полюсное деление, а радиальный размер постоянных магнитов равен ширине одной полосы.A magnetic gearbox containing a stator, a rotor-inductor with permanent magnets having the form of sectors and magnetized axially with alternating polarity, and the rotor, its disks alternate with the stator disks and have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements, their number is one pole division for the stator disk and the rotor disk differs by one, the ferromagnetic elements of the rotor and stator are made of electrical steel laden, and the stator magnetic circuits are made in the form of two rings of electrical steel tape by windings located at the ends of the gearbox, and the magnetic circuit, distant from the rotor-inductor, has teeth on the surface facing the disk, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and rotor are different, characterized in that the rotor-inductor has several annular bands, middle radii which are treated as integers equal to the numbers of pole pairs in these bands, the stator and rotor disks are divided into similar bands, each of which consists of ferromagnetic and non-magnetic sectors, all the bands of one disk have one kovoe number of ferromagnetic sectors per pole pitch, and the radial dimension of the permanent magnets is equal to the width of one stripe.

Images