RU205849U1

RU205849U1 - Magnetic gear transmission

Info

Publication number: RU205849U1
Application number: RU2021112639U
Authority: RU
Inventors: Денис Даутказыевич Закиев; Ольга Николаевна Стародубцева; Николай Алексеевич Крутских; Ольга Михайловна Большова; Сергей Якубович Алибеков; Вадим Владимирович Локшин
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-08-11

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для бесконтактной передачи вращательного движения/крутящего момента в различных механизмах, в т.ч. в условиях вакуума или в средах с высокими требованиями к чистоте рабочей среды.Техническим результатом полезной модели является снижение металлоемкости, повышение надежности работы, точности позиционирования и крепления магнитов с одновременным увеличение КПД магнитной передачи.Магнитное колесо состоит из вала 1, верхней и нижней крышек 2, с расположенными между ними магазинами 3, жестко связанными с валом 1, которые служат для крепления и точного позиционирования постоянных магнитов 4 в отверстиях прямоугольной формы 5, при этом магниты 4, намагниченные по толщине, образуют по периметру магнитного колеса однополярное магнитное поле, состоящее из набора магнитных полей 6.The utility model relates to the field of mechanical engineering and can be used for contactless transmission of rotational motion / torque in various mechanisms, incl. in vacuum conditions or in environments with high requirements for the purity of the working environment. The technical result of the utility model is a decrease in metal consumption, an increase in the reliability of operation, the accuracy of positioning and fastening of magnets with a simultaneous increase in the efficiency of the magnetic transmission. The magnetic wheel consists of shaft 1, upper and lower covers 2 , with magazines 3 located between them, rigidly connected to the shaft 1, which serve for fastening and precise positioning of permanent magnets 4 in rectangular holes 5, while magnets 4, magnetized in thickness, form a unipolar magnetic field along the perimeter of the magnetic wheel, consisting of set of magnetic fields 6.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для бесконтактной передачи вращательного движения/крутящего момента в различных механизмах, в т.ч. в условиях вакуума или в средах с высокими требованиями к чистоте рабочей среды. The utility model relates to the field of mechanical engineering and can be used for contactless transmission of rotational motion / torque in various mechanisms, incl. in vacuum conditions or in environments with high requirements for the cleanliness of the working environment.

Известна передача с магнитным зацеплением SU № 1551888 от 28.09.1987, содержащая ведущий и ведомый элементы, выполненные из магнитомягкого материала соответственно в виде одного и двух дисков с торцевыми зубьями, которые образованы сверлением отверстий по окружности, оси которых параллельны осям элементов. Зубья образованы на кольцевых выступах, обращенных торцевыми поверхностями друг к другу. В центре между дисками ведомого элемента размещен источник магнитного поля. Магнитный поток, замыкаясь в зоне зацепления через зубья, приводит во вращение ведомый элемент при вращении ведущего элемента в том и другом направлении.Known transmission with magnetic gear SU No. 1551888 dated 09/28/1987, containing the driving and driven elements made of soft magnetic material, respectively, in the form of one and two disks with end teeth, which are formed by drilling holes in a circle, the axes of which are parallel to the axes of the elements. The teeth are formed on annular protrusions facing each other with their end surfaces. A magnetic field source is located in the center between the disks of the driven element. The magnetic flux, closing in the engagement zone through the teeth, drives the driven element into rotation when the driving element rotates in both directions.

Недостатком приведенной выше передачи с магнитным зацеплением является обязательное наличие для ее работы источника питания, что усложняет конструкцию, снижает надежность и безотказность в работе, сужая области ее эксплуатации, делая затруднительным ее применение в различных автономных устройствах, уменьшая энергоэффективность системы в целом.The disadvantage of the above transmission with magnetic engagement is the mandatory presence of a power source for its operation, which complicates the design, reduces reliability and reliability in operation, narrowing the area of its operation, making it difficult to use it in various autonomous devices, reducing the energy efficiency of the system as a whole.

Известны различные конструкции (например патент SU № 1272031 от 09.08.1983, RU № 107308 от 11.03.2011), предназначенные для бесконтактной передачи вращательного движения с помощью зацепления создаваемого силами притяжения разноименных полюсов постоянных магнитов.Various designs are known (for example, patent SU No. 1272031 dated 08/09/1983, RU No. 107308 dated 11.03.2011), designed for contactless transmission of rotary motion by means of engagement created by the attraction forces of opposite poles of permanent magnets.

Недостатком всех конструкций передач, работающих по данному принципу, является низкая эффективность передачи вращательного движения, вызванная стремлением каждой из участвующих в зацеплении пар постоянных магнитов, работающих на притяжение, создаваемое силами разноименных полюсов постоянных магнитов, занять равновесное положение, при котором силы взаимодействия магнитных полей имели бы максимальное значение, что соответствует статическому состоянию зацепления при полной остановке магнитной передачи. Каждая из взаимодействующих пар магнитов, работающих на притяжение и стремящаяся остановить зубчатые колеса, будет оказывать подтормаживающий эффект на работу магнитной передачи в целом, уменьшая как ее инерционную составляющую, так и создавая дополнительный момент страгивания в начале работы, что отрицательно сказывается на работе в таких устройствах как механические накопители энергии или в высокочувствительных системах ветроколес, выполненных на магнитном подвесе и работающих с низкопотенциальными ветровыми потоками.The disadvantage of all designs of gears operating on this principle is the low efficiency of the transmission of rotational motion, caused by the tendency of each of the pairs of permanent magnets participating in the engagement, working on the attraction created by the forces of opposite poles of permanent magnets, to take an equilibrium position in which the forces of interaction of magnetic fields had would be the maximum value, which corresponds to the static state of engagement at a complete stop of the magnetic transmission. Each of the interacting pairs of magnets, working on attraction and striving to stop the gear wheels, will have a braking effect on the operation of the magnetic transmission as a whole, reducing both its inertial component and creating an additional moment of starting at the beginning of work, which adversely affects the operation in such devices as mechanical energy storage or in highly sensitive wind wheel systems made on a magnetic suspension and operating with low-potential wind flows.

Наиболее близким по технической сущности прототипом является зубчатая передача (SU № 1097845, от 19.10.82), содержащая зубчатые колеса, зубья которых выполнены в виде постоянных магнитов, установленных параллельно оси вращения колес, соседние магниты каждого из колес направлены одноименными полюсами навстречу друг другу и колеса установлены таким образом, что магниты на обращенных друг к другу поверхностях в направлении движения от магнита ведущего колеса имеют одноименные полюса.The closest prototype in technical essence is a gear train (SU No. 1097845, dated 19.10.82), containing gear wheels, the teeth of which are made in the form of permanent magnets installed parallel to the axis of rotation of the wheels, adjacent magnets of each of the wheels are directed by the same poles towards each other and the wheels are installed in such a way that the magnets on the surfaces facing each other in the direction of travel from the drive wheel magnet have the same poles.

При вращении ведущего зубчатого колеса крутящий момент передается ведомому зубчатому колесу как за счет сил отталкивания, возникающего в магнитном зазоре между одноименными полюсами магнитов, так и за счет сил притяжения в соседнем магнитном зазоре между разноименными полюсами магнитов.When the driving gear rotates, the torque is transferred to the driven gear both due to the repulsive forces arising in the magnetic gap between the magnet poles of the same name, and due to the attraction forces in the adjacent magnetic gap between the opposite magnet poles.

Недостатком приведенной конструкции является низкая надежность и низкий коэффициент полезного действия. The disadvantage of this design is low reliability and low efficiency.

Обязательное условие однонаправленности передаваемого вращательного движения/крутящего момента накладывает ограничения на области применения описанного выше механизма. The prerequisite for the unidirectionality of the transmitted rotational motion / torque imposes restrictions on the scope of the mechanism described above.

При замедлении или наличии неравномерности в работе ведущего зубчатого колеса, вследствие возникающей инерционности, неизбежны «залипания» передней поверхности ведомого и задней поверхности ведущего зубьев зубчатых колес, вызванные силами притяжения разноименных магнитных полей постоянных магнитов с одной стороны и силами отталкивания с другой стороны, возникающих на противолежащих поверхностях входящих в зацеплении зубьев вследствие взаимодействия одноименных полюсов постоянных магнитов. «Залипание» поверхностей зубьев будет отрицательно сказываться как в процессе работы зубчатой пары, наличием фрикционного контакта и необходимостью приложения дополнительного усилия для преодоления возникающей силы притяжения магнитных полей постоянных магнитов, так и в начале, обязательным наличием дополнительного момента страгивания. Описанные процессы будут вызывать соударения и повышенный износ поверхностей зубьев и в дальнейшем частичное выкрашивание или их полное разрушение, т.к. известно, что магнитные материалы обладают низкими прочностными и износостойкими характеристиками. При резком пуске, (аварийном) торможении, заклинивании и т.д. вероятность разрушения зубьев значительно возрастает. When slowing down or the presence of unevenness in the operation of the driving gear, due to the resulting inertia, "sticking" of the front surface of the driven and rear surfaces of the driving teeth of the gear wheels is inevitable, caused by the attraction forces of opposite magnetic fields of permanent magnets on the one hand and repulsive forces on the other hand, arising on the opposite surfaces of the engaging teeth due to the interaction of the like poles of permanent magnets. "Sticking" of the surfaces of the teeth will adversely affect both during the operation of the gear pair, the presence of frictional contact and the need to apply additional force to overcome the resulting attractive force of the magnetic fields of permanent magnets, and at the beginning, the obligatory presence of an additional moment of starting. The described processes will cause collisions and increased wear of the surfaces of the teeth and, in the future, partial chipping or their complete destruction, because It is known that magnetic materials have low strength and wear-resistant characteristics. With a sudden start, (emergency) braking, jamming, etc. the likelihood of tooth breakage increases significantly.

Технологическая сложность изготовления прототипа, заключающаяся в трудоемкости изготовления сложных фасонных поверхностей зубьев из магнитотвердого материала и их надежного и точного крепления на базовой поверхности.The technological complexity of manufacturing a prototype, which consists in the laboriousness of manufacturing complex shaped surfaces of the teeth from a magnetically hard material and their reliable and accurate attachment to the base surface.

Техническим результатом полезной модели является снижение металлоемкости, повышение надежности работы, точности позиционирования и крепления магнитов с одновременным увеличение КПД магнитной передачи, уменьшение износа поверхностей зубьев за счет исключения непосредственного механического контакта.The technical result of the utility model is a decrease in metal consumption, an increase in the reliability of operation, the accuracy of positioning and fastening of magnets with a simultaneous increase in the efficiency of the magnetic transmission, and a decrease in wear on the surfaces of the teeth by eliminating direct mechanical contact.

Технический результат достигается за счет того, что передача с магнитным зацеплением, состоящая из двух магнитных колес, каждое из которых состоит из вала, магазинов с постоянными магнитами и дисковых крышек, согласно полезной модели, каждое из двух находящихся в одной плоскости магнитных колес выполнено пустотелым, состоящим из верхнего и нижнего дисковых магазинов, жестко связанных с валом, с выполненными вдоль их периметров сквозными отверстиями прямоугольной формы, расположенными симметрично на равноудаленном расстоянии друг от друга и относительно центра вращения магнитного колеса, в которых установлены постоянные магниты, образующие по периметрам магнитных колес, направленные при зацеплении друг к другу, равномерно чередующиеся зоны с минимальной и максимальной плотностью однополярного магнитного поля, при этом магазины закрыты сверху и снизу дисковыми крышками.The technical result is achieved due to the fact that a transmission with magnetic engagement, consisting of two magnetic wheels, each of which consists of a shaft, magazines with permanent magnets and disc covers, according to the utility model, each of the two magnetic wheels located in the same plane is hollow, consisting of upper and lower disk magazines, rigidly connected to the shaft, with rectangular through holes made along their perimeters, located symmetrically at an equidistant distance from each other and relative to the center of rotation of the magnetic wheel, in which permanent magnets are installed, forming magnetic wheels along the perimeters, directed when engaging to each other, uniformly alternating zones with a minimum and maximum density of a unipolar magnetic field, while the magazines are closed from above and below with disc covers.

На фиг.1 изображено магнитное колесо, общий вид с разнесенными частями. На фиг.2 изображены магнитные колеса, находящиеся в зацеплении с маркировкой полюсов и условным изображением формы их магнитных полей.Figure 1 shows a magnetic wheel, General view with the spaced apart parts. Figure 2 shows magnetic wheels engaged with the marking of the poles and a symbolic representation of the shape of their magnetic fields.

Магнитное колесо состоит из вала 1, верхней и нижней крышек 2, с расположенными между ними магазинами 3, жестко связанными с валом 1, которые служат для крепления и точного позиционирования постоянных магнитов 4 в отверстиях прямоугольной формы 5, при этом магниты 4, намагниченные по толщине, образуют по периметру магнитного колеса однополярное магнитное поле, состоящее из набора магнитных полей 6.The magnetic wheel consists of a shaft 1, upper and lower covers 2, with magazines 3 located between them, rigidly connected to the shaft 1, which serve for fastening and precise positioning of permanent magnets 4 in rectangular holes 5, while magnets 4 are magnetized in thickness , form a unipolar magnetic field along the perimeter of the magnetic wheel, consisting of a set of magnetic fields 6.

Известно, что разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются. Характерной особенностью взаимодействия разноименных полюсов постоянных магнитов является их стремление к равновесному положению, соответствующему минимальной величине магнитных силовых линий. Т.е. они стремятся соединиться (слипнуться). В результате при работе таких передач возникают дополнительные силы сопротивления вращению - силы, затрачиваемые на «разрыв» пар магнитов, выходящих из зацепления (расцепление их разноименных полюсов), которые лишь частично компенсируются силами притяжения входящих вслед за ними в зацепление пары магнитов. В магнитной передаче предлагаемой нами, основанной на взаимодействии одноименных полюсов постоянных магнитов, такие силы отсутствуют. It is known that opposite poles of magnets attract, and like poles repel. A characteristic feature of the interaction of opposite poles of permanent magnets is their tendency to an equilibrium position corresponding to the minimum value of the magnetic field lines. Those. they tend to connect (stick together). As a result, during the operation of such gears, additional forces of resistance to rotation arise - the forces spent on "breaking" the pairs of magnets that come out of engagement (disengagement of their opposite poles), which are only partially compensated by the attraction forces of the pair of magnets that follow them into engagement. In the magnetic transmission proposed by us, based on the interaction of the poles of the same name of permanent magnets, such forces are absent.

Также известно, что все магнитные материалы обладают существенным недостатком - высокой хрупкостью. Хрупкость магнитных материалов создает трудности по надежности их крепления на рабочих поверхностях. Клеевое крепление магнитов стандартной формы (выпускаемых промышленностью) на фасонные поверхности, вследствие неплотного прилегания и сил, возникающих при работе (центробежных, взаимодействия магнитных полей и т.д.), крайне не надежно. Любое термическое воздействие (пайка, сварка) на магниты исключено из-за особенностей магнитных материалов. Использование магнитов с отверстиями под крепеж, полученных промышленным способом, во-первых уменьшают их суммарный полезный объем, а, следовательно, однородность и силу магнитного поля, и во-вторых создают концентраторы напряжения в теле самого магнита. В магнитной передаче, предлагаемой нами, крепление магнитов осуществляется простым и надежным способом.It is also known that all magnetic materials have a significant disadvantage - high fragility. The fragility of magnetic materials creates difficulties in the reliability of their attachment to working surfaces. Adhesive fastening of magnets of a standard form (produced by the industry) to shaped surfaces, due to a loose fit and forces arising during operation (centrifugal, interaction of magnetic fields, etc.), is extremely unreliable. Any thermal effect (soldering, welding) on the magnets is excluded due to the nature of the magnetic materials. The use of magnets with holes for fasteners obtained by an industrial method, firstly, reduces their total useful volume, and, consequently, the uniformity and strength of the magnetic field, and secondly, they create stress concentrators in the body of the magnet itself. In the magnetic gear offered by us, the attachment of magnets is carried out in a simple and reliable way.

С учетом вышеприведенного описания принцип работы предлагаемой нами магнитной передачи, изображенной на фиг.2, строится следующим образом. Два находящихся в одной плоскости магнитных колеса, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, входят во взаимное зацепление посредством одноименных магнитных полей 6, которые образуются по периметру колес постоянными магнитами 4. Благодаря тому, что магниты установлены в магазинах 3 дискретно, по периметру колеса образуются равномерные циклические зоны (монополюсный массив) с минимальными и максимальными значениями магнитного поля одного знака. Образующиеся циклические зоны позволяют осуществить сближение магнитных колес с последующим зацеплением, вследствие взаимного вхождения более плотных магнитных полей в образующиеся «разрывы» и передачу вращающего движения за счет естественно возникающих сил отталкивания между магнитами при сближении одноименных магнитных полей по касательной траектории во время начала вращения одного из колес в ту или иную сторону. Taking into account the above description, the principle of operation of our proposed magnetic transmission, shown in figure 2, is constructed as follows. Two magnetic wheels located in the same plane, located at a certain distance from each other, come into mutual engagement by means of magnetic fields 6 of the same name, which are formed along the perimeter of the wheels by permanent magnets 4. Due to the fact that the magnets are installed in the stores 3 discretely, along the perimeter of the wheel are formed uniform cyclic zones (monopole array) with minimum and maximum values of the magnetic field of the same sign. The resulting cyclic zones make it possible to bring the magnetic wheels closer together with subsequent engagement, due to the mutual entry of denser magnetic fields into the resulting "discontinuities" and the transmission of rotating motion due to naturally occurring repulsive forces between the magnets when the magnetic fields of the same name approach along a tangential trajectory during the start of rotation of one of the wheels in one direction or another.

Величина передаваемого крутящего момента может регулироваться как коэрцитивной силой магнитов, так и величиной зазора между магнитными колесами. Передаточное отношение устанавливается диаметрами. The amount of transmitted torque can be controlled by both the coercive force of the magnets and the size of the gap between the magnetic wheels. The gear ratio is set by the diameters.

Claims

A gear with magnetic engagement, consisting of two magnetic wheels, each of which consists of a shaft, magazines with permanent magnets and disk covers, characterized in that each of the two magnetic wheels located in the same plane is hollow, consisting of upper and lower disk magazines, rigidly connected to the shaft, with rectangular through holes made along their perimeters, located symmetrically at an equidistant distance from each other and relative to the center of rotation of the magnetic wheel, in which permanent magnets are installed, forming uniformly alternating zones along the perimeters of the magnetic wheels with the minimum and maximum density of a unipolar magnetic field, while the magazines are closed at the top and bottom with disc covers.