магнитная муфта

Формула изобретения

1. Магнитная муфта, содержащая первый ротор, состоящий из двух дисков, жестко скрепленных с соответствующими полувалами и друг с другом по их периферии, например, с помощью обечайки из немагнитного материала, образующими первый вал, второй ротор в виде диска из немагнитного материала с установленными на нем по окружности постоянными магнитами с намагниченностью вдоль оси муфты, образующими многополюсную магнитную систему с чередующейся полярностью полюсов, при этом диск второго ротора расположен между дисками первого ротора на одинаковом расстоянии от них, магнитосвязан с ними и жестко скреплен со вторым валом, установленным на подшипниках внутри первого вала, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит статор со втулками для размещения в них на подшипниках первого и второго валов, состоящий из двух дисков или двух плоских деталей произвольной формы из магнитомягкого материала, равноудаленных от диска второго ротора и скрепленных друг с другом по их периферии, например, с помощью обечайки, с образованием корпуса муфты, к внутренним боковым поверхностям дисков или плоских деталей произвольной формы статора по окружности прикреплены постоянные магниты с намагниченностью вдоль оси муфты, образующие две отдельные многополюсные магнитные системы с чередующейся полярностью полюсов и полюсным шагом t₁, постоянные магниты второго ротора расположены с полюсным шагом t₂, количество полюсных шагов t₁ отличается от количества полюсных шагов t₁ на целое число, диски первого ротора состоят каждый из наружного и внутреннего колец из немагнитного диэлектрического материала, между которыми вмонтирована решетка, образуемая пластинами из магнитомягкого материала, расположенными с зазором относительно друг друга так, что отношение суммарного объема зазоров между пластинами к суммарному объему пластин находится в пределах 0,8-1,5, пластины вставлены в пазы, выполненные по ободу каждого из внутренних колец дисков первого ротора, и в пазы, выполненные по внутреннему ободу каждого из наружных колец дисков первого ротора, угол между смежными пластинами в их средней части одинаков по периметру решетки, каждая из решеток имеет одну либо несколько зон, в пределах которых угол между каждой пластиной и одним из краев наружного либо внутреннего кольца дисков первого ротора постепенно возрастает от центра зоны до одного из ее краев в пределах от 90 до 140^o (и постепенно уменьшается в пределах от 90 до 40^o в противоположном направлении до второго края зоны с образованием соответственно одного либо нескольких стыковых участков, где крайние пластины на стыке расположены под углом друг к другу, составляющем от 80 до 100^o, причем tg /2= t₂/h, где h - ширина решетки, пластины решеток, а также противолежащие пары магнитов статора, являются зеркальным отражением друг друга относительно плоскости, проходящей через центр диска второго ротора параллельно его боковым поверхностям.

2. Магнитная муфта по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная система второго ротора образована постоянными магнитами, прикрепленными к диску второго ротора попарно с обеих сторон.

3. Магнитная муфта по п. 1, отличающаяся тем, что пластины решеток дисков первого ротора залиты самоотверждающимся немагнитным материалом, например компаундом с диэлектрическим наполнителем или керамическим материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к магнитным муфтам, предназначенным для передачи вращения от одного вала к другому, и может найти применение в качестве не только муфты, но и редуктора в электрических транспортных средствах, в автомобилестроении, судостроении, авиастроении, тракторостроении и других отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Известны торцовые магнитные муфты (см., например, [1-3]), содержащие соосно расположенные первый ротор с постоянными магнитами (ПМ), жестко скрепленный с первым валом (первая полумуфта), и второй ротор с ПМ, жестко скрепленный со вторым валом (вторая полумуфта). ПМ обоих роторов намагничены вдоль оси муфты и установлены по окружности, образуя две многополюсные магнитные системы (МС) с равным (как правило) числом полюсов с чередующейся полярностью.

Благодаря силам взаимного притяжения ПМ обоих роторов при принудительном вращении одного из валов второй вал вращается в том же направлении и с той же угловой скоростью, что и первый вал.

К недостаткам торцовых магнитных муфт следует отнести сравнительно невысокий передаваемый крутящий момент, сравнительно невысокую скорость вращения, ограниченную значением порядка 10 тыс. об/мин [2, с.120], низкую надежность.

Причиной этого являются осевые силы взаимного магнитного притяжения роторов, которые вызывают повышенный износ подшипников и изменение рабочего зазора муфты, что нарушает его работу в целом. Кроме того, указанные магнитные муфты не способны обеспечить передачу вращения от одного вала к другому с редукцией.

Многие из отмеченных недостатков позволяет устранить магнитная муфта по изобретению [4] , наиболее близкая по совокупности существенных признаков к предлагаемой муфте и потому выбранная в качестве прототипа.

Магнитная муфта [4] содержит первый ротор, состоящий из двух дисков, снабженных каждый расположенными по окружности ПМ, образующими две отдельные многополюсные МС с чередующейся полярностью полюсов, и второй ротор в виде диска из немагнитного материала с установленными в нем по окружности ПМ, так же образующими многополюсную МС с чередующимися по полярности полюсами. Диски первого ротора жестко скреплены с первым валом и по их периферии друг с другом (например, посредством обечайки из немагнитного материала) с образованием корпуса муфты. Диск второго ротора жестко скреплен со вторым валом и расположен между дисками первого ротора на одинаковом расстоянии от них.

В магнитной муфте-прототипе осевые силы, возникающие при взаимодействии ПМ первого и второго роторов, взаимно уравновешиваются вследствие того, что диск второго ротора равноудален от дисков первого ротора. Благодаря этому происходит взаимокомпенсация осевых магнитных сил, что позволяет увеличить передаваемый крутящий момент на 90-95%, увеличить скорость вращения, уменьшить износ подшипников, повысить надежность муфты.

Недостаток прототипа, как и известных торцовых муфт, состоит в том, что передача с их помощью вращения от одного вала к другому не может быть осуществлена с редукцией скорости вращения. Это ограничивает сферу применения прототипа и других известных торцовых муфт.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности передачи вращения от одного вала к другому с редукцией скорости вращения при постоянном высоком крутящем моменте.

Эта задача решается тем, что магнитная муфта, содержащая первый ротор, состоящий из двух дисков, жестко скрепленных с соответствующими полувалами и друг с другом по их периферии, например, с помощью обечайки из немагнитного материала, образующими первый вал, второй ротор в виде диска из немагнитного материала с установленными на нем по окружности ПМ с намагниченностью вдоль оси муфты, образующими многополюсную МС с чередующейся полярностью полюсов, причем диск второго ротора расположен между дисками первого ротора на одинаковом расстоянии от них, магнитосвязан с ними и жестко скреплен со вторым валом, установленным на подшипниках внутри первого вала, дополнительно содержит статор со втулками для размещения в них на подшипниках первого и второго валов, состоящий из двух дисков либо двух плоских деталей произвольной формы из магнитомягкого материала, равноудаленных от диска второго ротора и скрепленных друг с другом по их периферии, например, посредством обечайки, с образованием корпуса муфты, к внутренним боковым поверхностям дисков или плоских деталей произвольной формы статора по окружностям прикреплены ПМ с намагниченностью вдоль оси муфты и полюсным шагом t₁, образующие две отдельные многополюсные МС с чередующейся полярностью полюсов, ПМ второго ротора расположены с полюсным шагом t₁, количество полюсных шагов t₂ отличается от количества полюсных шагов t₁ на целое число, диски первого ротора состоят каждый из внешнего и внутреннего кольца из немагнитного диэлектрического материала, между которыми вмонтирована решетка, образуемая пластинами из магнитомягкого материала, расположенными радиально с зазором друг относительно друга так, что отношение суммарного объема зазоров между пластинами к суммарному объему пластин находится в пределах 0,8 - 1,5, пластины вставлены в пазы, выполненные по ободу каждого из внутренних колец дисков первого ротора, и в пазы, выполненные по внутреннему ободу каждого из наружных колец дисков первого ротора, угол между смежными пластинами в их средней части одинаков по периметру решетки, каждая из решеток имеет одну или несколько зон, в пределах которых угол между каждой пластиной решетки и одним из краев внешнего либо внутреннего кольца дисков первого ротора постепенно возрастает от центра зоны до одного из ее краев в пределах от 90 до 140^o и постепенно уменьшается в пределах от 90 до 140^o в противоположном направлении до второго края с образованием соответственно одного либо нескольких стыковых участков, где крайние пластины на стыке смежных зон расположены под углом друг к другу, составляющем от 80 до 100^o, причем tg/2= t₂/h, где h - ширина решетки, пластины решеток, а также пары ПМ статора являются зеркальным отражением друг друга относительно плоскости, проходящей через центр диска второго ротора параллельно его боковым поверхностям.

В предлагаемой магнитной муфте пластины решеток дисков первого ротора могут быть залиты самоотверждающимся немагнитным материалом, например, компаундом, композиционным немагнитным материалом либо керамическим материалом.

МС второго ротора может быть образована ПМ, прикрепленными попарно с обеих сторон диска второго ротора.

Технический результат изобретения состоит в возможности передачи вращения от первого вала магнитной муфты ко второму с уменьшением числа оборотов последнего либо от второго вала к первому с увеличением числа оборотов последнего при одновременном обеспечении постоянного крутящего момента.

В основе технического результата изобретения лежит разработанный авторами новый принцип передачи вращения от одного вала магнитной муфты к другому. Суть этого принципа состоит в создании вращающегося магнитного поля с помощью решетки, состоящей из пластин магнитомягкого материала с особой ориентацией этих пластин, вращающейся между двумя круговыми МС из ПМ с чередующейся полярностью полюсов, одна из которых (расположенная на статоре) неподвижна. Благодаря разному числу ПМ в этих МС передача вращения осуществляется с редукцией подобно тому, как это имеет место в зубчатых передачах.

Причинно-следственная связь между признаками изобретения и достигаемым техническим результатом будет более понятна из рассмотрения графических иллюстраций к описанию изобретения.

Изобретение иллюстрируют: фиг. 1, на которой показана (частично в разрезе) конструкция предлагаемой муфты; фиг.2, где изображена кинематическая схема муфты; фиг.3, на которой в разобранном виде условно дана аксонометрия основных деталей муфты; фиг.4, на которой представлено сечение Б-Б фиг.1; фиг. 5, являющаяся разверткой по линии А-А фиг.1; фиг.6, отображающая геометрию развертки решетки с одной непрерывной зоной пластин и одним стыком между пластинами; фиг.7, отображающая геометрию развертки решетки с четырьмя зонами и четырьмя стыками между этими зонами.

Предлагаемая муфта (см. фиг.1-4) содержит:

- статор, состоящий из дисков 1 и 2, например, из стали, к внутренним поверхностям которых прикреплены по окружности магниты 3 с намагниченностью вдоль оси муфты, образующие две многополюсные МС с чередующейся полярностью полюсов с шагом t₁, из втулок 4 и 5 и обечайки 6, образующей корпус муфты совместно с дисками 1 и 2;

- первый ротор, состоящий из двух дисков 7 и 8 из немагнитного диэлектрического материала, имеющих каждый соответственно наружное кольцо 9, внутреннее кольцо 10, наружное кольцо 9", внутреннее кольцо 10" и решетки 11 и 11" из пластин 12 из магнитомягкого материала, встроенных соответственно между кольцами 9 и 10 и кольцами 9" и 10";

- обечайку 13 из немагнитного материала, соединяющую по периферии диски 7 и 8 первого ротора;

- первый вал, состоящий из полувала 14, с которым жестко скреплен диск 7 первого ротора, и полувала 15, с которым жестко скреплен диск 8 первого ротора;

- второй ротор в виде диска 16 из немагнитного материала (например, сплава алюминия или пластика) с ПМ 17, образующими круговую многополюсную МС с полюсным шагом t₂;

- второй вал 18, с которым жестко скреплен диск 16 второго ротора.

В конструкции предлагаемой муфты, представленной на фиг.1, многополюсная МС второго ротора образована отдельными магнитами 17, встроенными в диск 16. Альтернативным вариантом является формирование такой МС посредством пар магнитов 17, прикрепляемых к диску 16 с двух сторон к его боковым поверхностям, как это показано на фиг.2 и фиг.3.

На фиг.3 показана только часть пластин 12. Наружные и внутренние кольца дисков 7 и 8 первого ротора, между которыми вмонтированы пластины 12, изображены на фиг. 4, являющейся частичным сечением Б-Б фиг.1 плоскостью, проходящей через среднюю часть решетки 11 и среднюю часть колец 9 и 10 параллельно их боковым поверхностям.

Пластины 12 вставлены в пазы 19, выполненные во внутреннем кольце 10 с шагом ₁, и в пазы 20 в наружном кольце 9, расположенные с шагом ₂.

Решетка 11 (как и решетка 11") из пластин 12 залита самоотверждающимся немагнитным материалом 21. Угол (фиг.4) между соседними пластинами 12 в их средней части одинаков по периметру решетки 11, при этом центр O₁ является центром диска 7 первого ротора. Аналогичную конструкцию имеет и второй диск 8 первого ротора с решеткой 11". Различие между решетками 11 и 11" состоит только в том, что их пластины 12 расположены зеркально-симметрично относительно плоскости, проходящей через центр диска 16 второго ротора параллельно его боковым поверхностям.

Зеркально-симметричное расположение пластин 12 решеток 11 и 11", а также ПМ 3 дисков 1 и 2 статора видно из фиг.5, на которой дана развертка А-А фиг. 1 в варианте, когда каждая из решеток 11 и 11" с пластинами 12 имеет несколько зон, в пределах каждой из которых угол между пластиной 12 решетки и одним из краев колец 9 и 10 постепенно возрастает от центра зоны до одного ее края в интервале от 90 до 140^o в одном направлении и постепенно уменьшается в интервале от 90 до 40^o в противоположном направлении с образованием нескольких стыковых участков, где крайние пластины 12 на стыке смежных зон расположены под углом друг к другу.

Углы и показаны на фиг.6 и 7, которые иллюстрируют геометрию расположения пластин 12 в решетках 11 и 11", обеспечивающую необходимое изменение угла и создание решетками 11 и 11" вращающихся магнитных полей, в результате воздействия которых на МС 17 второго ротора последний приводится во вращение.

На фиг. 6 показана развертка "однозонной" решетки "abcd" из пластин 12, имеющая длину L и ширину h. L - это также длина окружности МС дисков 1 и 2 статора и МС второго ротора по наружному диаметру развертки А-А фиг.1. Угол между пластинами 12 и краем "ab" решетки постепенно уменьшается от 90^o в центре зоны в направлении к краю "b" решетки и возрастает от центра зоны в направлении к краю "а" решетки. Угол , образующийся на стыке между крайними пластинами "ас" и "bd" решетки, может составлять от 80 до 100^o, при этом tg/2= t₂/h определяет предельный угол наклона пластин 12, при котором решетка при заданных значениях t₂ и h создает вращающееся магнитное поле, способное передать вращение второму валу. На фиг.6 O₂ - технологический центр формирования пазов 19 и 20 соответственно во внутреннем 10 и наружном 9 кольцах дисков первого ротора (см. фиг.4), позволяющий получить изменение угла в указанных пределах от 90 до 140^o и от 90 до 40^o.

На фиг. 7 представлена решетка, имеющая, в отличие от решетки на фиг.6, не одну, а четыре зоны, в пределах которых угол изменяется в указанных выше пределах. Соответственно этому имеются четыре стыковых участка с углом между крайними пластинами смежных зон и четыре технологических центра (О₃, O₄, O₅ и О₆) для формирования пазов 19 и 20 в кольцах дисков первого ротора.

Предлагаемая магнитная муфта работает следующим образом.

В статическом состоянии муфты силовые линии магнитного поля замыкаются через пластины 12 решеток 11 и 11" между ПМ 3 МС дисков статора и ПМ 17 второго ротора. Это показано в верхней части фиг.5, где силовые линии магнитного поля обозначены стрелками. Благодаря тому, что магнитные потоки между ПМ 3 МС диска 1 статора, ПМ 17 МС диска 16 второго ротора и ПМ 3 МС диска 2 статора в параллельных ветвях поочередно направлены навстречу друг другу, имеет место (как и в прототипе) взаимная компенсация осевых магнитных сил, что повышает надежность муфты.

При работе муфты ведущим может быть как первый вал, состоящий из полувалов 14 и 15, так и второй вал 18. В первом случае ведомым является вал 18, во втором случае - первый вал. В случае, когда ведущим служит первый вал, решетка 11 с пластинами 12 вращается между МС диска 1 статора с ПМ 3 и МС второго ротора с ПМ 17, а решетка 11" - между МС диска 2 статора с ПМ 3 и МС второго ротора с ПМ 17. Поскольку пластины 12 расположены под углом (постепенно изменяющим свое значение от пластины к пластине) как к краям решеток 11 и 11", так и по отношению к диску 16 второго ротора и ПМ 17, решетки 11 и 11" создают два плавно изменяющихся по величине вращающихся магнитных поля, зеркально-симметрично воздействующих с двух сторон на ПМ 17 МС диска 16 второго ротора.

Существенную роль в создании указанных вращающихся магнитных полей играет факт изменения угла пластин 12 в пределах от 90 до 140^o от центра зоны (или зон) решеток 11 и 11" в одном направлении и от 90 до 40^o в противоположном направлении.

Такое расположение пластин позволяет создать эффект вращающегося магнитного поля, создаваемого принудительно вращаемыми дисками 7 и 8, при этом обеспечивается плавное усиление или ослабление взаимодействия магнитных систем статора (1 и 2) и ротора 16, что приводит последний во вращение с числом оборотов, определяемым передаточным отношением i, которое зависит от числа Z₁ ПМ 3 статора (или числа полюсных шагов t₁) и от числа Z₂ ПМ 17 МС второго ротора (или числа полюсных шагов t₂). Если Z₁>Z₂, диск 16 второго ротора и, соответственно, вал 18 вращаются с меньшей угловой скоростью, нежели диски 7 и 8 первого ротора и жестко скрепленный с ними первый вал.

Таким образом, передача вращения от ведущего вала к ведомому осуществляется с редукцией скорости вращения. Передаточное отношение в данном случае определяется аналогично зубчатым передачам



Приведенное выражение справедливо, если решетки 11 и 11" имеют один стыковой участок с углом между пластинами 12 на стыке. Это выражение справедливо так же в случае, если пластины 12 решеток 11 и 11" разбиты на несколько зон "n" с таким же числом стыков между ними.

Если Z₁<Z, диск 16 второго ротора и, соответственно, ведомый вал 18 будут вращаться в направлении, противоположном направлению вращения дисков 7 и 8 первого ротора с передаточным отношением в соответствии с вышеприведенной формулой.

При Z₁= Z₂ передача вращения от первого (ведущего) вала ко второму (ведомому) валу 18 происходит без редукции скорости вращения.

В случае, когда ведущим служит вал 18, а ведомым - первый вал, состоящий из полувалов 14 и 15, при вращении вала 18, жестко скрепленного с диском 16 второго ротора, магниты 17 МС второго ротора создают совместно с МС из ПМ 3 дисков 1 и 2 статора вращающиеся магнитные поля, воздействующие симметрично на пластины решеток 11 и 11", приводя во вращение диски 7 и 8 первого ротора и, следовательно, жестко скрепленные с ними полувалы 14 и 15 первого вала.

При Z₁<Z первый вал, являющийся в данном случае ведомым, вращается с большей угловой скоростью, нежели ведущий вал 18. При этом передаточное отношение определяется вышеприведенной формулой.

При Z₁>Z₂ первый вал будет вращаться в направлении, противоположном направлению вращения вала 18 с передаточным отношением по вышеприведенной формуле.

При Z₁=Z₂ оба вала будут вращаться с одинаковой угловой скоростью.

Необходимыми условиями создания в предлагаемой магнитной муфте передаточного отношения, помимо разного числа магнитов Z₁ и Z₂ (т.е. разного числа полюсов) соответственно в МС статора и в МС второго ротора, являются:

- наличие одной либо нескольких зон, в пределах которых значение угла постепенно возрастает или убывает от центра зоны, с образованием одного либо нескольких стыковых участков;

- расположение крайних пластин 12 на границе окончания "однозонной" решетки или на границах зон "многозонной" решетки под углом , пределы которого составляют от 80 до 100^o, при этом tg /2=t₂/h, где h - ширина решетки, что служит одной из гарантий передачи вращения от решеток 11 и 11" второму ротору с заданным передаточным отношением;

- обеспечение отношения "k" суммарного объема зазоров между пластинами 12 в решетках 11 и 11" к суммарному объему пластин в пределах 0,8-1,5.

Если k>1,5, число пластин 12 и их толщина невелики, вследствие чего малы магнитная проводимость решеток и значения создаваемых ими вращающихся магнитных полей, которые оказываются неспособными передать вращение второму ротору из-за малого крутящего момента. При k<0,8 велики магнитные потоки рассеяния, что нарушает однородность создаваемых решетками 11 и 11" вращающихся магнитных полей и препятствует нормальной работе муфты.

Подобные нарушения вызывает изменение угла свыше 140^o и ниже 40^o, что приводит к изменению угла за пределы 80-100^o и увеличению рассеяния магнитных потоков из-за взаимного перекрытия пластин.

Предлагаемая магнитная муфта способна обеспечить передаточное отношение от ведущего вала к ведомому и обратно в пределах от 1 до 10³.

В опытном образце муфты статор и его обечайка изготовлены из стали 10. Каждый из дисков статора содержит по 100 магнитов из материала на основе сплава Nd-Fe-B длиной 40 мм и поперечным сечением 55 мм. В качестве материала диска второго ротора использован текстолит.

К внешним поверхностям диска второго ротора прикреплены попарно магниты из того же сплава, что и магниты статора, и тех же размеров. Число пар магнитов второго ротора равно 40.

Внутреннее и наружное кольца дисков первого ротора выполнены из текстолита, обечайка - из сплава алюминия Д16Т, пластины решеток толщиной 0,35 мм - из электротехнической стали. Число пластин решеток, приходящееся на один полюсный шаг t₂ второго ротора, равно 14. Решетки залиты эпоксидной смолой с наполнителем из немагнитного материала. Ширина h решетки равна 7 мм. Наружный диаметр МС дисков статора, МС второго ротора и решеток дисков первого ротора равен 368 мм, внутренний диаметр 250 мм. Пластины решеток первого ротора разделены на две зоны с двумя стыковыми участками с углом = 100^o. Угол пластин решеток в каждой из зон изменяется от центра зоны от 90 до 40^o в одном направлении и от 90 до 130^o в другом направлении. Передаточное отношение муфты составляет i=25. При крутящем моменте 40 Нм на ведущем вале, которым служит первый вал, крутящий момент ведомого вала составляет 10³ Нм, угловая скорость вращения ведущего вала 1,510³ рад/с (15 тыс. об/мин). Габариты муфты: диаметр 320 мм, ширина 60 мм.

Изготовление муфты предполагает использование известных материалов, традиционных технологических процессов и оборудования, что свидетельствует о возможности промышленной реализации изобретения.

Источники информации

1. Ганзбург Л.Б. и др. Бесконтактные магнитные механизмы, Л., 1985.

2. Ганзбург Л.Б. и др. Механизмы с магнитной связью, Л., 1973.

3. Ганзбург Л.Б. и др. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник, Л., 1980.

4. Авторское свидетельство СССР 1118813, МПК F 16 D 27/01, опубликовано 15.10.1984.