RU2707731C1

RU2707731C1 - Magnetic gearbox

Info

Publication number: RU2707731C1
Application number: RU2019114330A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Юрьевич Афанасьев; Николай Алексеевич Березов; Артур Рафаэлевич Каримов; Евгения Евгеньевна Студнева
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2019-11-29

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, namely to contactless magnetic gearboxes, and can be used as a transmission device in mechanical systems with longer service life under impact loads. Magnetic gear has housing 1, bearing shields 2, 3 with bearings 4–7, inlet 8 and output 10 shafts, annular magnetic conductors 11, 12 installed on bearing shields and made of ferromagnetic tape. Rotor-inductor is mechanically connected to input shaft 8 and has high-coercive permanent magnets 13 in the form of sectors magnetized axially with alternating polarity. Stator alternating disks 20 and rotor disks 21 have ferromagnetic and nonmagnetic sectors and are located between rotor-inductor and annular magnetic conductor. Rotor disks 21 are fitted on rotor bush 22 engaged with output shaft 10. Number of ferromagnetic sectors of stator z_c and rotor sectors z_p correspond to equality z_c=z_p±2p, p is number of pole pairs of rotor-inductor. Wedges 23 are connected with ring 19 of rotor-inductor. Shift shaft 9 is located inside the input shaft on a sliding fit. Stator and rotor disks are divided into several circular strips the average radii of which are proportional to the whole natural numbers equal to the ferromagnetic sectors of the rotor per one pole division. Radial dimension of the permanent magnet is equal to the radial width of the strip.

EFFECT: technical result is the possibility of changing gear ratio.

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, H02K 51/00) - [1].A known magnetic gearbox having a fast rotor with a permanent magnet, a slow rotor in the form of a hollow cylinder and a stator with a magnetic circuit and with teeth on its inner surface (Auth. Certificate. No. 280142, H02K 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, H02K 51/00, 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, H02K 51/00, 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 accurate 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, H02K 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, H02K 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, H02K 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, H02K 51/00, F16H 49/00, publ. 03/27/2015, bull. No. 9).

Его недостатком является отсутствие возможности изменения передаточного отношения редуктора.Its disadvantage is the inability to change the gear ratio of the gearbox.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в возможности изменения передаточного отношения редуктора.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in the possibility of changing the gear ratio of the gearbox.

Технический результат достигается тем, что в 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, ферромагнитные элементы ротора 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-индуктора, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, введены вал переключения, ведущее коническое зубчатое колесо, ведомые конические зубчатые колеса, винты, втулки винтов, кольцо, клинья и направляющие, вал переключения проходит внутри вала ротора-индуктора, на котором установлено ведущее колесо, зацепленное с ведомыми колесами, установленными на винтах, проходящих сквозь втулки винтов, на которых установлены постоянные магниты с направляющими, скользящими по клиньям, связанным с кольцом, диски статора и ротора имеют несколько кольцевых полос, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов, число которых на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличаются на единицу, 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, ferromagnetic rotor elements and the stator are made of electrical steel laden, and the stator magnetic circuit is made in the form of two rings of tape electrical steel by winding, located at the ends of the gearbox, Why does the magnetic circuit farthest from the inductor rotor have teeth on the surface facing the disk, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the stator disks and the slow rotation rotor are different, a switching shaft, a bevel gear, driven bevel gears, screws, screw bushings, are introduced, ring, wedges and guides, the switching shaft passes inside the rotor-inductor shaft, on which the drive wheel is mounted, engaged with the driven wheels mounted on the screws passing through the screw bushings on which Permanent magnets are installed with guides sliding along wedges connected with the ring, the stator and rotor disks have several ring strips, each of which consists of ferromagnetic sectors, the number of which per pole division for the stator disk and rotor disk is different by one, and the radial size 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 - показано поперечное сечение магнитного редуктора;- in FIG. 2 - shows a cross section of a magnetic gear;

- на фиг. 3 - показан диск статора;- in FIG. 3 - shows the stator disk;

- на фиг. 4 - показан диск ротора.- in FIG. 4 - shows the rotor 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 - вал переключения; 10 - выходной вал; 11, 12 - магнитопроводы; 13 - постоянный магнит; 14 - ведущее колесо; 15 - ведомое колесо; 16 - втулку входного вала; 17 - винт; 18 - втулку винта; 19 - кольцо; 20 - диск статора; 21 - диск ротора; 22 - втулку ротора.The magnetic gear in FIG. 1 has: 1 - housing; 2, 3 - bearing shields; 4-7 - bearings; 8 - input shaft; 9 - a switching shaft; 10 - output shaft; 11, 12 - magnetic cores; 13 - a permanent magnet; 14 - a driving wheel; 15 - driven wheel; 16 - input shaft sleeve; 17 - screw; 18 - the sleeve of the screw; 19 - ring; 20 - stator disk; 21 - rotor disk; 22 - rotor sleeve.

На фиг. 2 показано поперечное сечение магнитного редуктора. Здесь 23 - клин; 24 - направляющая.In FIG. 2 shows a cross section of a magnetic gearbox. Here 23 is a wedge; 24 - guide.

Магнитный редуктор собран следующим образом. На корпусе 1 установлены подшипниковые щиты 2, 3. В щите 2 установлены подшипники 4, 5. На них опирается входной вал 8, в котором расположен вал 9 переключения на скользящей посадке. На входном валу 8 закреплена втулка 16 входного вала, на которой установлены восемь клиньев 23, охваченных кольцом 19.The magnetic gearbox is assembled as follows. Bearing shields 2, 3 are installed on the housing 1. Bearings 4, 5 are installed in the shield 2. The input shaft 8 is supported on them, in which the switching shaft 9 is located on a sliding fit. On the input shaft 8 is fixed the sleeve 16 of the input shaft, on which there are eight wedges 23, covered by a ring 19.

На валу 9 переключения установлено коническое зубчатое колесо 14, зацепленное с восемью коническими зубчатыми колесами 15, закрепленными на восьми винтах 17, проходящих сквозь втулки 18 винтов и имеющих цилиндрические концы, входящие в отверстия кольца 19 на скользящей посадке. На втулках 18 винтов установлены восемь высококоэрцитивных постоянных магнитов 13 в виде секторов, намагниченных аксиально с чередующейся полярностью. На постоянных магнитах 13 установлены шестнадцать направляющих 24, скользящих по клиньям 23 в радиальном направлении.A bevel gear 14 is mounted on the switching shaft 9, engaged with eight bevel gears 15 mounted on eight screws 17 passing through the sleeve 18 of the screws and having cylindrical ends entering the holes of the ring 19 on a sliding fit. Eight highly coercive permanent magnets 13 are mounted on the hubs of the 18 screws in the form of sectors magnetized axially with alternating polarity. Permanent magnets 13 are equipped with sixteen guides 24, sliding along the wedges 23 in the radial direction.

На подшипниковых щитах 2, 3 установлены кольцевые магнитопроводы 11, 12, выполненные лентой из электротехнической стали. На корпусе 1 установлены диски 20 статора. На выходном валу 10 установлена втулка 22 ротора, на которой закреплены диски 21 ротора, чередующиеся с дисками 20 статора.On the bearing shields 2, 3 mounted ring magnetic cores 11, 12, made of tape made of electrical steel. On the housing 1, the stator disks 20 are installed. On the output shaft 10, a rotor sleeve 22 is mounted on which rotor disks 21 are fixed, alternating with stator disks 20.

Диск статора имеет четыре кольцевых полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов (на фиг. 3 темные) и немагнитных секторов (на фиг. 3 светлые). Средние радиусы четырех полос относятся как 3:4:5:6. На одно полюсное деление приходится 4-5-6-7 ферромагнитных секторов. Всего полосы имеют соответственно 32-40-48-56 ферромагнитных секторов.The stator disk has four annular bands, each of which consists of ferromagnetic sectors (dark in Fig. 3) and non-magnetic sectors (bright in Fig. 3). The average radii of the four bands are 3: 4: 5: 6. There are 4-5-6-7 ferromagnetic sectors per pole division. In total, the bands have 32-40-48-56 ferromagnetic sectors, respectively.

Диск ротора имеет четыре кольцевых полосы, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов (на фиг. 4 темные) и немагнитных секторов (на фиг. 4 светлые). Их радиусы совпадают с радиусами полос статора. На одно полюсное деление на четырех полосах приходится 3-4-5-6 ферромагнитных секторов. Всего полосы имеют соответственно 24-32-40-48 ферромагнитных секторов. Число таких секторов на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличаются на единицу. Числа ферромагнитных секторов статора z_c и секторов ротора z_p соответствуют равенству z_c=z_p±2р, р - число пар полюсов ротора-индуктора. Здесь р=4. Радиальный размер постоянных магнитов 13 совпадает с радиальной шириной одной полосы дисков.The rotor disk has four annular bands, each of which consists of ferromagnetic sectors (dark in Fig. 4) and non-magnetic sectors (bright in Fig. 4). Their radii coincide with the radii of the stator bands. For one pole division in four bands, 3-4-5-6 ferromagnetic sectors fall. In total, the bands have 24-32-40-48 ferromagnetic sectors, respectively. The number of such sectors per pole division for the stator disk and rotor disk differ by one. The numbers of the ferromagnetic sectors of the stator z _c and the sectors of the rotor z _p correspond to the equality z _c = z _p ± 2р, and p is the number of pairs of poles of the rotor-inductor. Here p = 4. The radial size of the permanent magnets 13 coincides with the radial width of one strip of disks.

Магнитный редуктор работает следующим образом. При неподвижном входном вале 8 поворачивают вал 9 переключения. Зубчатое колесо 14 вращает зубчатые колеса 15, которые вращают винты 17. Втулки 18 винтов с постоянными магнитами 13 и с направляющими 24 перемещаются в радиальном направлении между клиньями 23 и устанавливаются в пределах требуемой полосы. Механическая передача "винт - гайка" является самотормозящейся.Magnetic gear works as follows. When the input shaft 8 is stationary, the switching shaft 9 is rotated. The gear wheel 14 rotates the gears 15, which rotate the screws 17. The hubs 18 of the screws with permanent magnets 13 and with the guides 24 are moved in the radial direction between the wedges 23 and are installed within the required strip. The mechanical screw-to-nut transmission is self-braking.

При вращении входного вала 8 вместе с валом 9 переключения происходит вращение постоянных магнитов 13. При этом благодаря эффекту муара диски 21 ротора вместе с втулкой 22 ротора и выходным валом 10 вращаются так, что области минимального магнитного сопротивления совпадают с полюсами постоянных магнитов. Передаточное отношение магнитного редуктора может иметь значения 3-4-5-6, т.е. равно числу ферромагнитных секторов дисков ротора на одно полюсное деление одной из полос.When the input shaft 8 is rotated together with the switching shaft 9, the permanent magnets 13 rotate. Moreover, due to the moire effect, the rotor disks 21 together with the rotor bushing 22 and the output shaft 10 rotate so that the areas of minimum magnetic resistance coincide with the poles of the permanent magnets. The gear ratio of the magnetic gearbox may have a value of 3-4-5-6, i.e. equal to the number of ferromagnetic sectors of the rotor disks by one pole division of one of the bands.

Таким образом, благодаря введению клиньев 23, связанных с кольцом 19 ротора-индуктора, вала переключения 9, расположенного внутри входного вала на скользящей посадке, ведущего 14 и 2р ведомых 15 конических зубчатых колес, связанных с винтами 17 и втулками 18 винтов, установленных внутри постоянных магнитов, связанных с направляющими 24, скользящими в радиальном направлении по клиньям 23, диски статора и ротора разделены на несколько кольцевых полос, средние радиусы которых пропорциональны целым натуральным числам, равным числам ферромагнитных секторов ротора на одно полюсное деление, а радиальный размер постоянного магнита равен радиальной ширине полосы, получен магнитный редуктор с расширенными функциональными возможностями в виде переключения передаточного отношения.Thus, due to the introduction of wedges 23 associated with the ring 19 of the rotor-inductor, the switching shaft 9 located inside the input shaft on a sliding fit, leading 14 and 2p driven 15 bevel gears connected to the screws 17 and hubs 18 of the screws installed inside the permanent magnets associated with the guides 24, sliding in the radial direction along the wedges 23, the disks of the stator and rotor are divided into several ring strips, the average radii of which are proportional to integer natural numbers equal to the numbers of ferromagnetic se rotor tori one pole pitch, and the radial dimension of the permanent magnet is equal to the radial width of the strip obtained magnetic reducer with enhanced functionality in the form of a gear ratio shift.

Claims

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, ферромагнитные элементы ротора 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-индуктора, имеет зубцы на поверхности, обращенной к диску, а угловые размеры ферромагнитных элементов дисков статора и ротора медленного вращения различны, отличающийся тем, что введены вал переключения, ведущее коническое зубчатое колесо, ведомые конические зубчатые колеса, винты, втулки винтов, кольцо, клинья и направляющие, внутри вала ротора-индуктора проходит вал переключения, на котором установлено ведущее колесо, зацепленное с ведомыми колесами, установленными на винтах, проходящих сквозь втулки винтов, на которых установлены постоянные магниты с направляющими, скользящими по клиньям, связанным с кольцом, диски статора и ротора имеют несколько кольцевых полос, каждая из которых состоит из ферромагнитных секторов, число которых на одно полюсное деление для диска статора и диска ротора отличается на единицу, 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, the ferromagnetic elements of the rotor and stator are made of electrical steel lined and the stator magnetic circuit is made in the form of two rings of electrical steel tape by winding, located at the ends of the gearbox, the magnetic circuit being farthest from the inductor rotor ora has teeth on the surface facing the disk, and the angular dimensions of the ferromagnetic elements of the disks of the stator and the slow rotor are different, characterized in that the switching shaft, the leading bevel gear, the driven bevel gears, screws, screw bushes, ring, wedges and guides, inside the rotor-inductor shaft, a switching shaft passes, on which a drive wheel is mounted, engaged with driven wheels mounted on screws passing through the bushings of the screws on which are fixed f magnets with guides sliding along wedges connected with the ring, the stator and rotor disks have several annular strips, each of which consists of ferromagnetic sectors, the number of which per pole division for the stator disk and the rotor disk is different by one, and the radial size of the constants magnets is equal to the width of one strip.