Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2451382

(19)

RU

(11)

2451382

(13)

C1

(51) МПК H02K49/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011114545/07, 14.04.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

14.04.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 14.04.2011

(45) Опубликовано: 20.05.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1406698 А1, 30.06.1988. SU 1282276 А1, 07.01.1987. SU 190158 А1, 01.01.1967. RU 2216662 С1, 20.11.2002. US 5834872 А, 10.11.1998. US 5668424 А, 16.09.1997. GB 1510010 А, 10.05.1978. GB 882657 А, 15.11.1961.

Адрес для переписки:

121165, Москва, Г-165, а/я 15, ООО "ППФ-ЮСТИС", пат.пов. Л.С.Пилишкиной, рег. 895

(72) Автор(ы):

Андрианов Александр Васильевич (RU),

Гузельбаев Яхия Зиннатович (RU),

Страхов Геннадий Павлович (RU),

Хисамеев Ибрагим Габдулхакович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" (RU)

(54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МУФТА-РЕДУКТОР С ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИМ ЭКРАНОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как устройство, осуществляющее сочленение валов с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов и передачу вращения с передаточным отношением, большим, меньшим или равным единице. Электромагнитная муфта-редуктор содержит связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении. Электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с, по меньшей мере, одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним. Техническим результатом являются высокие удельные характеристики, повышение технологичности. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, осуществляющим сочленение валов с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов и передачу вращения с передаточным отношением, большим, меньшим или равным единице.

Известны разнообразные синхронные и редукторные магнитные и электромагнитные механизмы с герметизирующим экраном, в конструкциях которых герметизирующий металлический или неметаллический экран выполняют небольшой толщины, соизмеримой с зазором в электромагнитной системе механизма, причем увеличение толщины экрана приводит к увеличению эквивалентного зазора и, тем самым, к снижению эффективности передачи крутящего момента (см., например, Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов. Справочник. Л., Машиностроение, 1980).

Общим недостатком известных устройств являются ограничения, вносимые тонкостенной конструкцией герметизирующих экранов, связанные либо с их прочностью, либо с большими потерями мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является бесконтактный магнитный редуктор, содержащий ведущее звено с винтовой резьбой, обращенной к неподвижному экрану, выполненному в виде стакана из электроизоляционного материала с ферромагнитными элементами, зубчатое ведомое звено, расположенное концентрично неподвижному экрану, при этом ферромагнитный элемент выполнен в виде многогранника с винтовой образующей поверхностью и основаниями в виде параллелограммов, причем основание, обращенное к ведущему звену, развернуто относительно основания, обращенного к ведомому звену, на угол меньший 90°, вдоль оси редуктора расположено несколько изолированных друг от друга ферромагнитных элементов, образующих с одной стороны зубец, а с другой - винтовую поверхность, обращенную к ведущему звену. Выполнение неэлектропроводного экрана с армированными элементами магнитопровода принципиально позволяет увеличивать толщину стенок до величин, обеспечивающих прочность конструкции, и минимизировать потери мощности в экране (см. описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1406698 от 30.12.1986).

Недостатком устройства является технологическая сложность выполнения экрана.

Задачей изобретения является создание устройства бесконтактной передачи крутящего момента с редукцией частоты вращения от вала приводного механизма к валу исполнительного механизма с герметичным разделением полостей ведущего и ведомого механизмов для крупных роторных машин, например, для центробежных компрессорных установок большой мощности.

Поставленная задача решается тем, что электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном содержит связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении, предназначенное для связи с валом исполнительного механизма, при этом электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с по меньшей мере одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция электромагнитной муфты-редуктора с герметизирующим экраном; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечения В-В и С-С на фиг.1; на фиг.4 - вариант схемы прокладки ферромагнитных пластин в теле статора для мультипликатора с двукратным повышением частоты вращения от ведущего звена к ведомому звену; на фиг.5 - контур замыкания магнитного потока электромагнита и силы, действующие на подвижные элементы муфты-редуктора при передаче вращения.

Представленная на фиг.1-фиг.3 конструкция муфты-редуктора соответствует варианту мультипликатора с двукратным повышением частоты вращения.

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном содержит ведущий вал 1 медленного вращения, связанное с ним ведущее звено, включающее многополюсный электромагнит, выполненный в виде ферромагнитного магнитопровода 2 с двумя парами явно выраженных полюсов, выполненных, например, в виде зубцов, между которыми в соответствующих пазах (не показаны) размещены катушки обмотки 3 возбуждения, соединенные между собой и с расположенными на ведущем валу 1 приводного механизма контактными кольцами 4 посредством токоподводов 5, выполненных в виде скользящих контактов-щеток. Соединение обмоток 3 возбуждения между собой и с контактными кольцами 4 осуществляется таким образом, что при протекании электрического тока обеспечивается чередование полярностей полюсов магнитопровода 2.

Электромагнитная муфта-редуктор содержит неподвижный экран 6 (статор), представляющий собой корпус из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, выполненными в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин 7. Муфта-редуктор также содержит ведомое звено, выполненное в виде ферромагнитного якоря 8, размещенного на ведомом валу 9 быстрого вращения, имеющего два прямых, или винтовых, или косых в осевом направлении зубца (не показаны). Количество и длина зубцов зависит от коэффициента редукции (мультипликации) частоты вращения муфты-редуктора, а также количества и длины полюсов ведущего звена. Экран 6 имеет внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, служащие для размещения в них элементов соответственно ведущего и ведомого звеньев. Полюса магнитопровода 2 обращены к цилиндрической поверхности экрана 6 во внешней его полости и расположены вдоль ее образующей или под углом к ней. Ферромагнитные пластины 7 расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана 6 так, что продольные оси полос, образованных встроенными в экран 6 пластинами 7 при выходе на поверхности экрана 6 во внутренней и внешней его полостях, обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов ведущего звена и зубцов ведомого звена или под небольшим углом к ним. При этом порядок расположения пластин 7 зависит от конструкции элементов ведущего и ведомого звеньев и необходимого коэффициента редукции (мультипликации) частоты вращения муфты-редуктора.

Встроенные ферромагнитные пластины 7 экрана 6 (статора) выполняют функцию распределения магнитного потока, создаваемого обмоткой 3 возбуждения ведущего звена. С целью повышения эффективности муфты-редуктора зазоры между магнитопроводом 2, зубцами якоря 8 и цилиндрическими поверхностями соответствующих полостей экрана 6 должны быть минимальными.

На фиг.4 показан вариант схемы прокладки встроенных пластин 7 для рассматриваемого мультипликатора. Можно выделить две группы пластин 7, каждая из которых образует вложенные друг в друга два слоя, причем в каждом слое встроенные пластины 7 проложены так, что образуются последовательно чередующиеся по угловому положению зоны минимального магнитного сопротивления для соответствующих фиксированных положений ведущего и ведомого звеньев относительно экрана 6. Угловые расположения полюсов ведущего и зубцов ведомого звеньев в зонах минимального магнитного сопротивления соответствуют положениям электромагнитного сцепления ведущего и ведомого валов 1, 9 муфты-редуктора. Для уменьшения пульсации электромагнитного момента сцепления осевое направление ферромагнитных пластин 7 при выходе на поверхность внешней полости экрана 6 может быть направлено под небольшим углом к осевому направлению полюсов магнитопровода 2 ведущего звена, а при выходе на поверхность внутренней полости экрана 6 - под небольшим углом к осевому направлению зубцов ведомого звена.

Фиг.5 иллюстрирует принцип создания электромагнитного момента сцепления муфты-редуктора. Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой 3 возбуждения электромагнита, замыкается через магнитопровод 2 ведущего звена, примыкающие ферромагнитные пластины 7 экрана 6 и ферромагнитный якорь 8 ведомого звена. При вращении ведущего звена с частотой вращения 1 происходит последовательное увеличение магнитного потока в прилегающих к полюсам набегающих ферромагнитных пластинах 7 экрана 6 и уменьшение - в убегающих пластинах 7. В результате в экране 6 происходит движение зон максимальной индукции магнитного поля, которое увлекает за собой зубцы ферромагнитного якоря 8. В рассматриваемом варианте конструкции муфты-редуктора при движении зон максимальной индукции угловое изменение полярности магнитного поля в экране 6 со стороны внешней его полости происходит через 90 угловых градусов, так как магнитопровод 2 ведущего звена имеет четыре полюса, а со стороны внутренней полости - 180 градусов, так как магнитопровод (якорь 8) ведомого звена имеет два зубца. Таким образом, частота вращения ведомого звена 2 в два раза превышает частоту вращения ведущего звена. Силы электромагнитного взаимодействия в муфте-редукторе образуются так же, как в синхронных электродвигателях, а именно: F 1 - за счет углового сдвига оси полюсов ведущего звена и оси зоны максимальной индукции внешней полости экрана 6, a F 2 - за счет углового сдвига оси зоны максимальной индукции внутренней полости экрана 6 и оси зубцов ведомого звена.

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном 6 работает следующим образом. При подключении обмотки 3 возбуждения к источнику постоянного тока происходит возбуждение магнитной цепи устройства, в результате чего элементы ведущего и ведомого звеньев занимают положение сцепления, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению контура магнитной цепи. При повороте на небольшой угол ведущего вала 1 происходит смещение оси зон максимальной магнитной индукции в ферромагнитных пластинах 7 экрана 6, что приводит к появлению сил электромагнитного взаимодействия F 1 и F 2 , под действием которых элементы 8 и 9 ведомого звена вновь занимают положение сцепления. При непрерывном вращении ведущего вала 1 с частотой вращения 1 вращение ведомого вала 9 происходит с частотой 2 , в два раза превышающей 1 для рассматриваемой конструкции. Максимальный электромагнитный момент сцепления муфты-редуктора определяется конструктивными характеристиками элементов устройства и величиной магнитной индукции в зазорах.

Расчеты показывают, что предлагаемая конструкция обладает достаточно высокими удельными характеристиками, в том числе при использовании в установках большой мощности. Так, например, в рассмотренной конструкции муфты-редуктора мощностью 200 кВт с двукратной мультипликацией частоты вращения от 3000 об/мин ведущего вала до 6000 об/мин ведомого вала диаметр ведущего звена D=230 мм при длине 130 мм, диаметр ведомого звена d=150 мм при длине 200 мм.

Потери мощности предложенной муфты-редуктора определяются как сумма электрических потерь мощности в обмотке возбуждения и электромагнитных потерь во встроенных ферромагнитных элементах статора (потери от перемагничивания и от вихревых токов). Используя известные в электротехнике меры снижения вышеуказанных потерь, их можно свести к минимуму.

Отметим дополнительные особенности предлагаемого устройства.

Так как неподвижный экран 6 (статор) со встроенными ферромагнитными пластинами 7 выполняет функцию распределителя магнитного потока, то конструкция экрана 6 может быть выполнена с несоосными (как по высоте, так и по углу) внешней и внутренней полостями. Применительно к компрессорным установкам эта особенность муфты-редуктора в ряде случаев позволит оптимизировать конструкцию установки в целом.

Учитывая, что магнитный поток в неподвижном экране 6 замыкается через встроенные ферромагнитные пластины 7, длина которых несущественно сказывается на магнитном сопротивлении контура потока при изменении толщины стенок экрана 6, то толщина стенок экрана 6 может быть выбрана, исходя из требований обеспечения прочности, что является важным для применения в компрессорной технике.

Наличие в муфте-редукторе неподвижного экрана 6 позволяет герметизировать полость ведомого звена без применения дорогостоящих уплотнений. Это качество устройства является главным для применения в компрессорах, насосах и других технологических установках, в которых требуется передача вращения на устройства, работающие в условиях высоких или низких давлений и температур, агрессивных и взрывоопасных сред.

Благодаря такому выполнению электромагнитной муфты-редуктора, ее конструкция имеет высокие удельные характеристики, приемлемые потери мощности при высоких частотах вращения ведущего и ведомого валов, в результате чего муфта-редуктор является пригодной для применения в компрессорах, насосах и других технологических установках, в которых требуется передача вращения на устройства, работающие в условиях высоких или низких давлений и температур, агрессивных и взрывоопасных сред.

Формула изобретения

Электромагнитная муфта-редуктор с герметизирующим экраном, содержащая связанное с валом приводного механизма ведущее звено, включающее электромагнит с обмоткой возбуждения и контактные кольца со скользящими токоподводами, неподвижный экран в виде корпуса из электроизоляционного материала со встроенными ферромагнитными элементами, имеющий внешнюю и внутреннюю цилиндрические полости, в первой из которых размещено ведущее звено, а во второй - ведомое звено в виде ферромагнитного якоря с зубцами в осевом направлении, предназначенное для связи с валом исполнительного механизма, отличающаяся тем, что электромагнит ведущего звена выполнен в виде ферромагнитного магнитопровода с, по меньшей мере, одной парой полюсов, расположенных вдоль оси ведущего звена или под углом к ней и обращенных к цилиндрической поверхности неподвижного экрана во внешней полости, в пазах магнитопровода между полюсами размещены катушки обмотки возбуждения, соединенные между собой и с контактными кольцами так, чтобы при протекании электрического тока обеспечивалось чередование полярностей полюсов электромагнита, встроенные ферромагнитные элементы неподвижного экрана выполнены в виде жгутов из тонких стержней или в виде пластин и расположены внутри электроизоляционного материала корпуса экрана так, что продольные оси полос, образованных встроенными элементами при выходе на поверхности экрана во внутренней и внешней полостях и обращенных к полюсам ведущего и зубцам ведомого звеньев, расположены по направлению вдоль полюсов и зубцов или под углом к ним.

РИСУНКИ