электропривод с редуктором повышенной эффективности (варианты)

Формула изобретения

1. Электропривод с редуктором, содержащий корпус с крышкой, электромотор, содержащий магнитопроводящий ротор, редуктор, закрепленный на валу электромотора и через подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, отличающийся тем, что магнитопроводящий ротор имеет по внутренней цилиндрической периферии круговинтовые вогнутые пазы и находится в постоянном зацеплении с магнитопроводящим колесом, выполненным в виде пружины, предусматривающей ее соединение в замкнутую конструкцию в виде тора сваркой, или пайкой, или простым фиксируемым механическим соединением или разомкнутой, при этом круговинтовые вогнутые пазы магнитопроводящего ротора повторяют круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса, а вращение ротора со значительным усилением преобразуется в сложное движение пружинного колеса - в продольное вдоль оси ротора и одновременно во вращение пружинного колеса вокруг оси ротора.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет установленный в нем по плотной посадке магнитопроводящий вкладыш, а круговинтовые вогнутые пазы, повторяющие круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса, выполнены на внутренней поверхности цилиндра вкладыша.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет в сборе с магнитопроводящим колесом шариковый сепаратор с металлическими шариками.

4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводящее пружинноеколесо установлено в роторе центрально по скользящей посадке.

5. Электропривод с редуктором, содержащий корпус с крышкой, электромотор, содержащий статор, магнитопроводящий ротор, редуктор, закрепленный на валу электромотора и через подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, отличающийся тем, что статор неподвижно закреплен на основании электропривода, ротор выполнен в виде магнитопроводящего пружинного колеса с круговыми выпуклыми витками, взаимодействующими с магнитопроводящими вогнутыми пазами статора, профиль пазов которого повторяет профиль витков магнитопроводящего пружинного колеса.

6. Электропривод по п.1 или 5, отличающийся тем, что магнитопроводящее пружинное колесо выполнено скруткой и размещено внутри трубки из нескольких проволок из различных металлов или материалов, при этом проводниковая обмотка ротора или статора выполнена медной или алюминиевой, а магнитопроводящая проволока пружинного колеса - из электротехнических или магнитных сталей, сплавов.

7. Электропривод по п.1 или 5, отличающийся тем, что редуктор выполнен многоэтажным за счет выполнения профиля шестерни выходного вала вогнутым по круговинтовой линии по этажам в зеркальном отображении выпуклого профиля витков пружинного колеса, причем если пружинное колесо находится на первом этаже, то обеспечивается постоянное зацепление по всему периметру шестерни выходного вала.

8. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что в редукторе последовательное рабочее зубчатое зацепление пружинного колеса и шестерни выходного вала образуют полторы ступени передачи.

9. Электропривод п.1, отличающийся тем, что он выполнен линейным, а круговинтовое магнитопроводящее пружинное колесо - разомкнутым.

10. Электропривод по п.1 или 5, отличающийся тем, что магнитопроводящее пружинное колесо выполнено из металлической упругодеформируемой тонкостенной трубки с внутренним наполнением ее упругодеформируемым магнитным материалом и изготовлением ее гофрированием с резьбовой накаткой и с закрепленной на ней наружной резьбовой стальной пружиной, круговинтовой выпуклый профиль которой может быть однозаходным или многозаходным, и взаимодействующей с круговинтовым вогнутым профилем ротора, статора, при этом внутренний объем гофрированной резьбовой круговинтовой трубки наполнен магнитопроводящими упругодеформируемыми проволочками из магнитного сплава 49КФ 0,1 мм, либо магнитным порошком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мотор-редукторам и предназначено для использования в электроприводах роботов и манипуляторов, в прецизионных наземной, космической и подводной навигациях, в станкостроении, в электромобилях, на транспорте, в грузоподъемных механизмах, в электролебедках, для передачи вращения в герметичное пространство, в нефтегазовой промышленности. В последнее время находят все большее применение мотор-редукторы (речь идет здесь и ниже об электроприводах), которые монтируются в едином корпусе, характеризуются меньшими габаритными размерами, небольшим числом деталей, низким уровнем шума в процессе работы и используются в основном в грузоподъемных механизмах и при такелажных работах.

Известные мотор-редукторы [1-5] представляют собой простое механическое соединение электродвигателя (ЭД) и редуктора в одном общем корпусе. При этом не происходит объединения ряда деталей по выполнению ими примерно равных операций. Общее число подшипников при этом не уменьшается, а суммируется - к подшипникам электродвигателя добавляются подшипники редуктора.

Известен также мотор-редуктор (фиг.2), который также представляет собой простое механическое соединение электродвигателя (ЭД) и редуктора в одном общем корпусе. Редуктор выполнен в виде червячной передачи, в котором обычное червячное зацепление жесткого монолитного червяка 1¹ с червячным колесом 2 ¹ только одностороннее.

Многолетние исследования показывают, что создание конструкции электропривода с редуктором невозможно при простом механическом объединения электромотора и редуктора. Наш вывод: решение возможно при коренном изменении подхода к объединению агрегатов электромотора и редуктора, основанного на слиянии и совершенствовании их функций. Т.е. электромотор должен стать частью редуктора с выполнением его функций, а редуктор должен стать частью электромотора со свойственной ему работой.

Задача изобретения: совместить воедино в одной конструкции электромагнитные и механические функции электромотора и редуктора для существенного улучшения технико-экономических параметров электропривода с редуктором повышенной энергетики и эффективности (ЭП ПЭ).

Это достигается тем, что в электроприводе с редуктором, содержащим корпус с крышкой, электромотор, содержащий магнитопроводящий ротор, редуктор, закрепленный на валу электромотора и через подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, магнитопроводящий ротор имеет по внутренней цилиндрической периферии круговинтовые вогнутые пазы и находится в постоянном зацеплении с магнитопроводящим колесом, выполненным в виде пружины, предусматривающей ее соединение в замкнутую конструкцию в виде тора, сваркой или пайкой или простым фиксируемым механическим соединением или разомкнутую, при этом круговинтовые вогнутые пазы магнитопроводящего ротора повторяют круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса, а вращение ротора со значительным усилением преобразуется в сложное движение пружинного колеса - в продольное вдоль оси ротора и одновременно во вращение пружинного колеса вокруг оси ротора.

При этом ротор имеет установленный в нем по плотной посадке магнитопроводящий вкладыш, а круговинтовые вогнутые пазы, повторяющие круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса, выполнены на внутренней поверхности цилиндра вкладыша.

Кроме того, ротор имеет в сборе с магнитопроводящим колесом шариковый сепаратор с металлическими шариками.

Магнитопроводящее пружинное колесо установлено в роторе центрально по скользящей посадке.

А также это достигается и тем, что в электроприводе с редуктором, содержащим корпус с крышкой, электромотор, содержащий статор, магнитопроводящий ротор, редуктор, закрепленный на валу электромотора и через подшипники редуктора передающий вращение на выходной вал, статор неподвижно закреплен на основании электропривода, ротор выполнен в виде магнитопроводящего пружинного колеса с круговыми выпуклыми витками, взаимодействующими с магнитопроводящими вогнутыми пазами статора, профиль пазов которого повторяет профиль витков магнитопроводящего пружинного колеса.

Магнитопроводящее пружинное колесо выполнено скруткой и размещено внутри трубки из нескольких проволок из различных металлов или материалов, при этом проводниковая обмотка ротора или статора выполнена медной или алюминиевой, а магнитопроводящая проволока пружинного колеса - из электротехнических или магнитных сталей, сплавов.

Редуктор может быть выполнен многоэтажным за счет выполнения профиля шестерни выходного вала вогнутым по круговинтовой линии по этажам в зеркальном отображении выпуклого профиля витков пружинного колеса, причем если пружинное колесо находится на первом этаже, то обеспечивается постоянное зацепление по всему периметру шестерни выходного вала.

В этом случае в редукторе последовательное рабочее зубчатое зацепление пружинного колеса и шестерни выходного вала образуют полторы ступени передачи.

Электропривод может быть выполнен линейным, а круговинтовое магнитопроводящее пружинное колесо - разомкнутым.

Магнитопроводящее пружинное колесо может быть выполнено из металлической упругодеформируемой тонкостенной трубки с внутренним наполнением ее упругодеформируемым магнитным материалом и изготовлением ее гофрированием с резьбовой накаткой и с закрепленной на ней наружной резьбовой стальной пружиной, круговинтовой выпуклый профиль которой может быть однозаходным или многозаходным, и взаимодействующий с круговинтовым вогнутым профилем ротора, статора, при этом внутренний объем гофрированной резьбовой круговинтовой трубки наполнен магнитопроводящими упругоспрессованными проволочками из магнитного сплава 49КФ 0.1 мм, либо магнитным порошком.

Предлагаемые чертежи, включенные в описание изобретения и образующие его часть, иллюстрируют предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения.

На фиг.1а - ротор ЭД в сборе с магнитопроводящим пружинным колесом.

На фиг.1б - ротор ЭД в сборе с магнитопроводящим пружинным колесом и шариковым сепаратором,

На фиг.2 - прототип - электропривод с червячным редуктором: 1' - червяк редуктора; 2' - червячное колесо; 3' - корпус редуктора; 4' - шарикоподшипники редуктора; 5' - электродвигатель червячного редуктора.

На фиг.3 - замкнутая конструкция электропривода.

На фиг.4 - разомкнутая конструкция ЭП ПЭ

На фиг.5 - сдвоенная разомкнутая конструкция - линейная конструкция ЭП ПЭ.

На фиг.6 - электропривод с непосредственным взаимодействием пружинного колеса с магнитопроводом статора.

На фиг.7 - конструкция электропривода с использованием промышленного вальцованного металлорукава и ротор 1р в разрезе.

В заявленном изобретении ротор 1 выполнен в сборе (фиг.1а) с магнитопроводящим вкладышем 3, который установлен в нем по плотной посадке и по внутренней поверхности имеет круговинтовые вогнутые пазы, повторяющие круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса 2. Прецизионно обработанные (шлифованием и химоэлектрополированием) пазы вкладыша 3 и витки колеса 2 находятся в постоянном центральном, объемном зацеплении и при эксплуатации со смазкой сопряжены друг с другом по скользящей посадке, обеспечивающей их оптимальный плавающий самоцентрирующий характер зацепления и повышенные полезные технико-экономические характеристики: КПД до 95%, увеличение контактной прочности и долговечности с уменьшением металлоемкости и габаритов в 2-3 раза.

Совершенство электропривода и в том, что его ротор 1(фиг.1б) выполнен в сборке с объемным круговинтовым шариковым сепаратором 4 (с металлическими шариками качения), что существенно снижает потери на трение, нагрев, охлаждение, возрастают полезность конструкции, ее оптимальность, КПД более 95%, мощность, максимальный рабочий момент на выходном валу, ресурс работы при перегрузках и при экстремальных условиях эксплуатации.

Преимущества пружинного зацепления

Так, если для обычного червячного зацепления (фиг.2) жесткий монолитный червяк (1') взаимодействует с червячным колесом (2') только односторонне (с одной ограниченной стороны), то в предлагаемом зацеплении ротор 1 охватывает пружинное колесо 2 по всему объему пружинного зацепления. В результате поверхность взаимодействия зацепления ротора 1 и колеса 2 (фиг.1a, 1б) на порядок превосходит поверхность взаимодействия червяка 1' и колеса 2' (фиг.2) обычного червячного редуктора. При этом соответственно значительно возрастают передаваемый рабочий момент и мощность на пружинное колесо 2 (фиг.1а, 1б) и соответственно на выходной вал ЭП Р ПЭ. Причем новейшие технологии производства и обработки ротора 1 и колеса 2 позволяют получить при этом значительный эффект. Так, сама технология получения пружинного профиля (волочение, протяжка, упрочняющая обработка и химоэлектрополирование) позволяют достигнуть более высоких прочностных характеристик и значительно понизить трение при работе пары 1 и 2 по сравнению с обычной конструкцией прототипа между червяком 1' и колесом 2' обычного червячного зацепления. Так, в обычном червячном зацеплении для снижения потерь на трение приходится изготавливать червячное колесо из бронзовых сплавов Бр.ОФ, БР.ОФН, БР.ОЦС, БР.АЖ и др., а червяк - из стальных сплавов 45, 40Х, 45Г2, и тем не менее из-за тепловых потерь и потерь на трение КПД червячных передач не превышает 30-40% [5] при сложной технологии по изготовлению червяка, колеса-прототипа (термообработка, шлифование, полирование) все же наблюдаются заедание, нагрев и выкрашивание зубьев колеса. В то время, как у предлагаемого ЭП ПЦР ПЭ изготавливаемое колесо по вышеуказанной технологии является идеальным звеном в зацеплении по минимуму потерь на трение и тепловые потери. Изготавливаемый вкладыш ротора ЭД (червяка 1 по фиг.1а, 1б) по своим минимальным габаритам изготавливается из антифрикционных материалов с совершенной технологией современной обработки объемных винтовых поверхностей зацепления и с применением современных смазочных масел при эксплуатации. А использование в зоне зацепления ЭП ПЦР ПЭ объемного прецизионного шарикового сепаратора (с шариковыми телами качения) вовсе сводит на нет потери на трение, при возрастании КЦД зацепления до и более 95%. В реальных условиях использование сепаратора-вкладыша (по фиг.1а, 1б) ротора в виде конструкции скольжения или объемного шарикового сепаратора по принципу взаимодействующих тел качения с минимальными потерями на трение зависит от условий эксплуатации всего электропривода в целом. Для начальных условий исследований и испытаний целесообразно использовать сепаратор в виде тела скольжения с низким коэффициентом трения f (по фиг.1а), например, из спецсплавов и пластмасс типа фторопластов и им подобных. Очевидно, что объемное зацепление ротора ЭП ПЭ в виде сепаратора скольжения и тем более объемного шарикового сепаратора не вносит магнитных потерь при прохождении (деформации) магнитных потоков от статора ЭП ПЭ через ротор 1 и магнитопроводящее колесо 2 (по фиг.1а, 1б). Существенным является и то, что червяк обычного червячного редуктора односторонне прижат с усилием к червячному колесу по допуску тугой посадки, в то время как у предлагаемой конструкции соединение пружинного колеса 2 с сепаратором ротора 16 (с шариками качения, в особенности) происходит по скользящей посадке А/С-А ₃/С₃ при ручной их сборке, чем достигается объемное круговинтовое скользящее зацепление пружинного колеса и ротора 1.

Объемное же зацепление ЭП ПНР ПЭ не обладает односторонним прижимным действием, а ее объемное зацепление по скользящим посадкам А/С-А₃/С ₃ между сборным ротором ЭД-1 и колесом 2 ЭП ПЭ создает оптимальные условия их взаимодействия и эксплуатации при минимальных потерях на трение и нагрев всего привода ЭП ПЭ в целом.

На фиг.3 представлена замкнутая конструкция электропривода. Электропривод с редуктором содержит корпус с крышкой (не показаны), основание 5, объект регулирования 4, электромотор 3, который включает магнитопроводящий ротор 1, который имеет по внутренней цилиндрической периферии круговинтовые вогнутые пазы и находится в постоянном зацеплении с магнитопроводящим колесом 2, выполненным в виде пружины, предусматривающей ее соединение в замкнутую конструкцию в виде тора, сваркой или пайкой или простым фиксируемым механическим соединением. При этом круговинтовые вогнутые пазы магнитопроводящего ротора 1 повторяют круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса 2. Шестерня 6 выходного вала взаимодействует с пружинным колесом 2, который охватывает шестерню 6 выходного вала однократно.

Шестерня 6 выходного вала Z_в/в при передаче вращения на выходной вал привода имеет объемный профиль зацепления, т.е. вогнутый профиль зеркального отображения выпуклого объемного профиля пружинного колеса 2 (по фиг.1а). При этом необходимо отметить, что в обычном зубчатом эвольвентном зацеплении находятся во взаимодействии одна-две пары зубьев шестерни и колеса, что приводит к поломке зубьев в их единичном зацеплении, несмотря на технологический учет неравноценных условий эксплуатации (возникающих разрушающих сил и моментов в зубчатом зацеплении, зубьев шестерни и колеса). Так, шестерня с меньшим числом зубьев изготавливается из более прочного материала и по усложненной технологии, и при этом все же выкрашиваются зубья шестерни и колеса. В приводе ЭП ПЭ применено одно или многозаходное объемное упругодеформируемое зацепление червяка ЭД с пружинным колесом по скользящим посадкам А/С-А₃/С₃, что устраняет полностью разрушающие силы и моменты в зацеплении. Передаточное отношение предлагаемой передачи при Zч=1 может достигать значений i до 200 и более; отсюда получение значительных рабочих моментов и мощностей на выходе ЭП ПЭ.

На фиг.4 представлен разомкнутый вариант констукции электропривода. Электропривод содержит электродвигатель 3, магнитопроводящий ротор 1 которого имеет по внутренней цилиндрической периферии круговинтовые вогнутые пазы и находится в постоянном зацеплении с магнитопроводящим колесом 2, выполненным в виде разомкнутой пружины. При этом круговинтовые вогнутые пазы магнитопроводящего ротора 1 повторяют круговинтовой выпуклый профиль витков пружинного колеса 2. Электропривод также содержит объект регулирования 4 и тяги регулирования 7.

На фиг.5 представлена сдвоенная разомкнутая конструкция ЭП ПЭ. В представленном варианте электропривод выполнен линейным, пружинное колесо 2 - разомкнутым, а редуктор выполнен многоэтажным за счет выполнения профиля шестерни 6 выходного вала вогнутым по круговинтовой линии по этажам в зеркальном отображении выпуклого профиля витков пружинного колеса 2. Причем если пружинное колесо 2 находится на первом этаже, то обеспечивается постоянное зацепление по всему периметру шестерни 6 выходного вала. Таким образом, электропривод имеет 1,5 ступени: пружинное колесо 2 одновременно полностью участвует в 1-й ступени: передача с ротора - на колесо 2 и повторно колесо 2 участвует в передаче на шестерню 6 выходного вала. Первая ступень - зацепление ротора ЭД и круговинтового пружинного колеса 2 - выполнена и расположена внутри электродвигателя электропривода, вторая (условная) силовая ступень выполнена при постоянном взаимодействии зубчатых зацеплений круговинтового пружинного колеса 2 и шестерни 6 выходного вала (Z _в/в, _в/в); при этом 2-я ступень связана с нагрузкой и передает усиленные в сотни раз рабочие моменты и мощность на единый рабочий выходной вал. При этом 2-я ступень имеет многоэтажный по круговинтовым зонам характер зацепления (см. фиг.5), который обеспечивает ей высокую надежность и точность передачи информации, от а электродвигателя на его выход - рабочий выходной вал бесшумно, без потерь, без всяких люфтов и погрешностей. Многоэтажный характер работы шестерни выходного вала с равномерным распределением нагрузки по всему периметру зацепления позволяет изготавливать ее из легких сплавов В-95Т, Д16Т и из специальных пластмасс. Это позволяет использовать электропривод в бесшумных прецизионных силовых передачах подводных лодок и в других средствах навигаций.

Так, если у обычных редукторов передача зона зубчатого зацепления не превышает 1-10°, то у данного электропривода с упругодеформируемым пружинным многоэтажным характером зона зубчатого зацепления кратно, на порядок и более превосходит зону обычных редукторов и может достигать 360-720°.

Кроме того, такая разомкнутая конструкция электропривода при необходимости может быть просто и эффективно собрана в замкнутый электропривод. Соединение в тор разомкнутой конструкции упругодеформируемой пружины 2 производится с помощью сварки или пайки. Сварка, пайка могут быть выполнены контактной, точечной с помощью сварочного аппарата, газовой горелки. Сварочным материалом может быть металл самой пружины, присадочный твердосплавный, медный, легкосплавный либо специальный из разных его компонентов. Соединение разомкнутой пружины в замкнутую может быть выполнено просто и эффективно механически с помощью нарезных, разрезных, подпружиненных втулок, трубок, фиксируемых сваркой, пайкой, штифтами и т.п.

На фиг.6 представлен вариант электропривода с редуктором, в котором статор 11 неподвижно закреплен на корпусе 13 электропривода, ротор 12 выполнен в виде магнитопроводящего пружинного колеса с круговыми выпуклыми витками, взаимодействующими с магнитопроводящими вогнутыми пазами статора 11, профиль пазов которого повторяет профиль витков магнитопроводящего пружинного колеса 12. Обмотка статора 14, направляющие ступицы 15.

На фиг.7 представлено магнитопроводящее пружинное колесо, выполненное из металлической упругодеформируемой тонкостенной трубки 8 (металлорукав) с внутренним наполнением ее упругодеформируемым магнитным материалом. Трубка 8 изготовлена гофрированием с резьбовой накаткой и с закрепленной на ней наружной резьбовой стальной пружиной, круговинтовой выпуклый профиль которой может быть однозаходным или многозаходным, и взаимодействующий с круговинтовым вогнутым профилем ротора, статора. Внутренний объем гофрированной резьбовой круговинтовой трубки 8 наполнен магнитопроводящими упругоспрессованными проволочками из магнитного сплава 49КФ 0.1 мм, либо магнитным порошком. Трубка 8 может быть выполнена в виде вальцованного металлорукава с пластиковым покрытием, которое по наружной периферии имеет круговинтовой вогнутый профиль.

Электропривод работает следующим образом.

Круговое магнитопроводящее пружинное колесо 2 выполнено целым или сборным, в виде круговинтовой пружинной конструкции горообразной формы. Внутри статора с электрообмотками на подшипниках расположен и взаимодействует с электромагнитным статором ротор в сборе с пружинным колесом. Конструкция ротора в сборе с пружинным колесом позволяет регулировать за счет разных чисел захода (от 1 до 4) колеса передаточные отношения на выходе. Круговой ротор ЭД в сборе совмещает две функции: магнитопроводящую при включении обмоток статора и механическую при передаче вращения на пружинное колесо. Ротор ЭД с вогнутыми круговыми пазами, или его сепаратор, - при включении обмоток статора совершает обкатывание - вращение, передаваемое на пружинное колесо. Отказ от дополнительных вращающихся подшипников редуктора и электродвигателя повышает ресурс, КПД предлагаемой конструкции, уменьшает и компенсирует инерционность вращения ротора при его обкатывании и вызывает своим обкатыванием замедленное вращение вокруг оси O ₁O₁ пружинного колеса.

Таким образом, конструкционно ЭП ПЭ выполнен совершенно надежной электрической машиной с устранением рабочих сборочных зазоров, всевозможных видов люфтов с бесшумным характером работы и т.п. Заметим, что по принципу обратимости электрических машин указанный электропривод может выполнять функции электрогенератора - ЭГ. Так, если рабочее усилие по касательной приложено к пружинному колесу, например от ветряка, то ее перемещение без вращения вызывает ускоренный разгон и вращение ротора. Вращение ротора вызывает деформацию магнитных потоков, пронизывающих магнитопровод ротора и статора ЭД, в обмотках которого и образуется ЭДС. Из условий работы электропривода в качестве генератора ЭГ - его пружинное колесо изготавливается многозаходным, например трехзаходным.

Необходимо отметить, что существует класс электрических машин, у которых вращающийся ротор ЭД находится снаружи неподвижного статора, закрепленного на неподвижном корпусе. При небольшом изменении конструкции она работоспособна и при взаимодействии пружинного колеса с наружным вращающимся ротором указанного класса электродвигателей.

Источники информации

1. Mecanisme de transmission a demultiplication (Umberto Baldanello). France. Pat, №1440594, 1966.

2. Dispositifde transmission a reduction mecanique entre un arbre de commande et un arbre asservi (A.B.Hogglimd and Soner). France. Pat, №1452099, 1966.

3. Corfin Alex. M. Speed changing device. United States Letters. Pat, №3258994, 1966.

4. Moinufacture Francaise d'Appareils Electro-Mecanigues MFR. France, Pat. №1477772, 1967.

5. Проспекты фирм Японии, ФРГ, США, Венгрии, СССР, журнал "Техника машиностроения", 1996, №3 (9), с.80.