RU2654656C1

RU2654656C1 - Stator magnetic gearbox of uzyakov with inside gearing

Info

Publication number: RU2654656C1
Application number: RU2017100759A
Authority: RU
Inventors: Рафаэль Наильевич Узяков; Эдуард Леонидович Греков; Николай Александрович Манаков; Александр Анатольевич Горбань; Дмитрий Вячеславович Сурков
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-05-21

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, and more particularly to magnetic gear units. Out of alignment stator magnetic gearbox with internal enmeshment contains two shafts – fast- and slow-speed. Rotators on constant magnets are fixed rotors on shafts. Rotor of high-speed shaft has even number of poles 2n on outer surface. Rotor of slow-speed shaft has even number of poles on inner surface, which is gear transmission ratio times greater than a high-speed rotor. Stator, made of ferromagnetic elements installed with a clearance spaces, is located between the poles of high- and low-speed rotors. Magnetic flow created by all constant magnets of high-speed rotor closes with magnetic flow created by the part of constant magnets of the slow-speed rotor, the number of which is equal to 2n, in zone of pitch point, and through the multi-element ferromagnetic magnetic core – stator.

EFFECT: it is possible to increase transmitted drive.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и электротехнике, оно может быть использовано в качестве редуктора - механизма для понижения угловой скорости и повышения вращающего момента, а также в качестве мультипликатора - механизма для повышения угловой скорости с понижением вращающего момента, с передаточным отношением большим, меньшим и равным единице.The invention relates to mechanical engineering and electrical engineering, it can be used as a reducer - a mechanism for lowering angular velocity and increasing torque, and also as a multiplier - a mechanism for increasing angular velocity with decreasing torque, with a gear ratio greater than, less than and equal to unity .

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.)A variety of magnetic gearboxes are known that operate on the principle of mechanical gearboxes - the direct interaction of the teeth of the driving gear with the teeth of the driven wheel, but through magnetic interaction. At the same time, kinematic characteristics similar to mechanical gearboxes are preserved (see, for example, Ganzburg LB, Fedotov AI Design of electromagnetic and magnetic mechanisms. Reference book. L., Machine building, 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.A common disadvantage of the known devices is that the magnitude of the torques of the magnetic gears is much less than mechanical. In this connection, these mechanisms have not found wide practical application.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является редуктор цилиндрический одноступенчатый с внутренним зацеплением, содержащий установленный консольно быстроходный вал с быстроходным звеном - шестерней, тихоходный вал с тихоходным звеном - зубчатым колесом с внутренним зацеплением, опоры валов (подшипники) и корпус (см. например, рис. 42, Цехнович Л.И., Петриченко И.П. Атлас конструкций редукторов. - Учебное пособие для вузов. Киев: «Вища школа». 1979. - 128 с.).Close in technical essence to the present invention is a single-stage cylindrical gearbox with internal gearing, comprising an installed cantilever high-speed shaft with a high-speed link - gear, a low-speed shaft with a low-speed link - a gear wheel with internal gearing, shaft bearings (bearings) and a housing (see, for example, Fig. 42, Tsekhnovich LI, Petrichenko IP Atlas of constructions of reducers. - Textbook for universities. Kiev: “Vishcha school. 1979. - 128 p.).

К недостаткам устройства можно отнести высокую точность изготовления, отказы, связанные с механическим контактом зубьев в зоне зацепления, и необходимость смазывания.The disadvantages of the device include high precision manufacturing, failures associated with mechanical contact of the teeth in the engagement zone, and the need for lubrication.

Близким по физической сущности к предлагаемому изобретению является синхронная активная многополюсная цилиндрическая муфта с магнитом «звездочка» (см. например, Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л., Машиностроение, 1980). Эта муфта обычно выполняется с явно выраженными полюсами обеих полумуфт. При холостом ходе муфты относительное смешение полумуфт отсутствует, существуют лишь силы их взаимного притяжения, действующие радиально. При приложении движущего момента и момента сопротивления возникает рассогласование полюсов полумуфт, изменение магнитной проводимости зазора и перераспределение магнитного потока в нем. В результате этого возникают касательные силы, стремящиеся вернуть систему в исходное взаимное положение и уменьшить угол рассогласования. Вследствие чего при вращении одной полумуфты синхронно вращается и вторая полумуфта.Close in physical essence to the present invention is a synchronous active multi-pole cylindrical coupling with an asterisk magnet (see, for example, Gansburg LB, Fedotov AI Design of electromagnetic and magnetic mechanisms. Handbook. L., Engineering, 1980). This coupling is usually made with the pronounced poles of both coupling halves. When the clutch is idling, there is no relative mixing of the coupling halves, there are only forces of their mutual attraction acting radially. When a driving moment and a moment of resistance are applied, a mismatch of the poles of the coupling halves occurs, a change in the magnetic conductivity of the gap, and redistribution of the magnetic flux in it. As a result of this, tangential forces arise, striving to return the system to its initial mutual position and reduce the angle of mismatch. As a result, during rotation of one coupling half, the second coupling half rotates synchronously.

Недостатком устройства является то, что оно позволяет реализовать только одно передаточное отношение, равное единице.The disadvantage of this device is that it allows you to implement only one gear ratio equal to one.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является конструкция с внутренним зацеплением магнитной передачи, содержащей ведомый и ведущий валы, на которых установлены, соответственно, ведомый и ведущий диски из магнитопроницаемого материала с постоянными магнитами. Постоянные магниты, по меньшей мере, одного цилиндра выполнены трапециевидной формы и установлены в трапециевидных полостях, выполненных в диске с зазором (Патент RU №2524813 от 12.02.2013).Closest to the proposed invention (prototype) is a design with internal gearing of a magnetic transmission containing driven and drive shafts, on which are installed, respectively, driven and drive disks made of magnetically permeable material with permanent magnets. Permanent magnets of at least one cylinder are made in a trapezoidal shape and installed in trapezoidal cavities made in a disk with a gap (Patent RU No. 2524813 of 02/12/2013).

Недостатком устройства является сложность конструкции и малое число зубцов (магнитов), находящихся во взаимодействии.The disadvantage of this device is the design complexity and the small number of teeth (magnets) in interaction.

Задачей изобретения является повышение передаваемого вращающего момента магнитных редукторов с внутренним зацеплением.The objective of the invention is to increase the transmitted torque of the magnetic gearboxes with internal gearing.

Поставленная задача решается тем, что несоосный статорный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова с внутренним зацеплением содержит установленные на подшипниках на межосевом расстоянии два вала - быстроходный и тихоходный, на которых закреплены роторы на постоянных магнитах и ферромагнитный магнитопровод - статор. Ротор быстроходного вала имеет на внешней поверхности четное число полюсов - два и более - 2n. Ротор тихоходного вала имеет на внутренней поверхности также четное число полюсов - два и более, в передаточное число раз большее, чем у быстроходного ротора. Статор, выполненный из ферромагнитных элементов, установленных с зазором, расположен между полюсами быстроходного и тихоходного роторов. Между роторами и статором имеются основные воздушные зазоры минимально возможной величины. Зазор между элементами статора как минимум в десять раз больше, чем основной воздушный зазор. Магнитный поток, создаваемый всеми постоянными магнитами быстроходного ротора, замыкается с магнитным потоком, создаваемым частью постоянных магнитов тихоходного ротора, число которых равно 2n, в зоне полюса зацепления, а также через многоэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор. Результирующий момент касательных сил в воздушных зазорах полюсов роторов и статора будет больше, чем момент, возникающий при замыкании магнитного потока в зоне полюса зацепления без статора, как в большинстве известных магнитных редукторах, благодаря чему передаваемые вращающие моменты будут больше при одинаковых габаритах.The problem is solved in that the non-coaxial stator magnetic gearbox-multiplier Uzyakova with internal gearing contains two shafts mounted on bearings at an interaxial distance - high-speed and low-speed, on which rotors are mounted on permanent magnets and a ferromagnetic magnetic circuit - stator. The rotor of the high-speed shaft has an even number of poles on the outer surface - two or more - 2n. The rotor of a low-speed shaft also has an even number of poles on its inner surface - two or more, a gear ratio more than that of a high-speed rotor. A stator made of ferromagnetic elements installed with a gap is located between the poles of high-speed and low-speed rotors. Between the rotors and the stator there are basic air gaps of the smallest possible size. The gap between the stator elements is at least ten times larger than the main air gap. The magnetic flux generated by all the permanent magnets of the high-speed rotor is closed with the magnetic flux generated by the part of the permanent magnets of the slow-moving rotor, the number of which is 2n, in the zone of the pole of engagement, as well as through a multi-element ferromagnetic magnetic circuit - stator. The resulting tangential moment in the air gaps of the poles of the rotors and stator will be greater than the moment that occurs when the magnetic flux closes in the area of the engagement pole without a stator, as in most known magnetic gearboxes, due to which the transmitted torques will be larger with the same dimensions.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена принципиальная схема несоосного статорного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова с внутренним зацеплением, без нагрузки (корпус, валы и опоры не показаны), а на фигуре 2 представлена принципиальная схема несоосного статорного магнитного редуктора-мультипликатора Узякова с внутренним зацеплением, под нагрузкой. Стрелками показаны направления сил притяжения магнитов тихоходного ротора к элементам статора и магнитам быстроходного ротора.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic diagram of a non-coaxial stator magnetic gearbox-multiplier Uzyakov with internal gearing, without load (housing, shafts and bearings are not shown), and figure 2 shows a schematic diagram of a non-coaxial stator magnetic gearbox-multiplier Uzyakov with internal gearing, under load. The arrows show the directions of the attractive forces of the low-speed rotor magnets to the stator elements and the high-speed rotor magnets.

Представленная на фигурах 1 и 2 схема изобретения состоит из следующих основных элементов: быстроходного ротора 1, содержащего пять пар полюсов, тихоходного ротора 2, содержащего десять пар полюсов, и статора 3, состоящего из ферромагнитных магнитопроводов, между которыми имеется значительный зазор (заполненный немагнитным материалом не показан).The scheme of the invention shown in figures 1 and 2 consists of the following main elements: high-speed rotor 1, containing five pairs of poles, low-speed rotor 2, containing ten pairs of poles, and stator 3, consisting of ferromagnetic magnetic circuits, between which there is a significant gap (filled with non-magnetic material not shown).

Несоосный, статорный магнитный редуктор-мультипликатор Узякова с внутренним зацеплением работает следующим образом. Без нагрузки (в условиях отсутствия момента сопротивления на ведомом роторе) быстроходный 1 и тихоходный 2 роторы занимают положение сцепления, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению магнитной цепи. При этом силы притяжения направлены перпендикулярно поверхностям роторов. Магнитный поток, создаваемый всеми постоянными магнитами быстроходного ротора 1, замыкается с магнитным потоком, создаваемым частью постоянных магнитов тихоходного ротора 2, число которых равно 2n (на представленной схеме - 10), в зоне полюса зацепления, и через многоэлементный ферромагнитный магнитопровод - статор 3.Unbalanced, stator magnetic gearbox-multiplier Uzyakova with internal gearing works as follows. Without load (in the absence of a moment of resistance on the driven rotor), high-speed 1 and low-speed 2 rotors occupy the clutch position corresponding to the minimum magnetic resistance of the magnetic circuit. In this case, the attractive forces are directed perpendicular to the surfaces of the rotors. The magnetic flux generated by all the permanent magnets of the high-speed rotor 1 closes with the magnetic flux generated by the part of the permanent magnets of the slow-moving rotor 2, the number of which is 2n (10 in the presented diagram), in the zone of the engagement pole, and through the multi-element ferromagnetic magnetic circuit - stator 3.

Под нагрузкой при повороте на небольшой угол ведущего ротора (например, быстроходного 1) происходит смещение оси зон максимальной магнитной индукции в полюсе зацепления и ферромагнитных магнитопроводах статора, что приводит к появлению касательных сил магнитного взаимодействия, под действием которых ведомый ротор 2 поворачивается, стремясь занять положение сцепления. При непрерывном вращении ведущего ротора 1 вращение ведомого ротора 2 происходит с частотой в два раза меньше. Для представленной на чертежах конструкции передаточное отношение i=2. Если ведущим звеном будет тихоходный ротор, мы получаем мультипликатор с передаточным отношением i=0,5.Under load, when turning a small angle of the driving rotor (for example, high-speed 1), the axis of the zones of maximum magnetic induction is displaced in the engagement pole and stator ferromagnetic magnetic circuits, which leads to the appearance of tangential magnetic interaction forces, under the influence of which the driven rotor 2 rotates, trying to occupy a position clutch. With continuous rotation of the leading rotor 1, the rotation of the driven rotor 2 occurs with a frequency of half that. For the design shown in the drawings, the gear ratio i = 2. If the leading link is a slow-moving rotor, we get a multiplier with a gear ratio i = 0.5.

Максимальный момент, передаваемый несоосным статорным магнитным редуктором-мультипликатором Узякова с внутренним зацеплением, определяется конструктивными характеристиками элементов устройства и величиной магнитной индукции в зазорах.The maximum moment transmitted by the non-coaxial stator magnetic reducer-multiplier Uzyakov with internal gearing is determined by the design characteristics of the elements of the device and the magnitude of the magnetic induction in the gaps.

Компьютерное моделирование в программах комплексного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов показало, что введение в конструкцию магнитного редуктора с внутренним зацеплением статора, состоящего из ферромагнитных магнитопроводов, между которыми имеется зазор, повышает передаваемый момент.Computer simulation in the programs of complex modeling of the electromagnetic field by the finite element method showed that the introduction of a magnetic gearbox with an internal stator mesh, consisting of ferromagnetic magnetic circuits with a gap between them, increases the transmitted moment.

Claims

Non-coaxial stator magnetic gear reducer-multiplier with internal gearing, containing two shafts mounted on bearings - high-speed and low-speed, on which rotors are mounted on permanent magnets, the high-speed shaft rotor has an even number of poles 2n on the outer surface, and the low-speed shaft rotor also has an even number the number of poles, a gear ratio times greater than that of a high-speed rotor, characterized in that the stator, made of ferromagnetic elements installed with a gap, is located between the poles of a high-speed and low-speed rotor, and the magnetic flux generated by all the high-speed permanent magnet rotor, is closed with the magnetic flux generated by the permanent magnet part of the low speed rotor, the number of which is equal to 2n, in the engagement pole area, and by the ferromagnetic yoke multielement - stator.