Магнитная передача - Magnetic gear

Иллюстрация внутреннего и внешнего роторов шестерен второго порядка с ферромагнитным статором между роторами.
Чертежи патента US687292, показывающие двигатель первого порядка с электромагнитами на одной из шестерен.

А магнитная передача напоминает традиционный механический передача по геометрии и функциям, используя магниты вместо зубцов. Когда два противоположных магнита приближаются друг к другу, они отталкиваются; будучи помещенными на два кольца, магниты будут действовать как зубцы. В отличие от обычного люфта с жестким контактом в прямозубой шестерне, где шестерня может свободно вращаться до контакта со следующей шестерней, магнитная шестерня имеет пружинящий люфт. В результате магнитные шестерни могут оказывать давление независимо от относительного угла. Хотя они и обеспечивают передаточное отношение традиционных шестерен, они работают без касания и невосприимчивы к износу сопрягаемых поверхностей, не имеют шума и могут проскальзывать без повреждений.

Зубчатая передача с магнитной муфтой может использоваться в вакууме без смазки или при работе с герметичными барьерами. Это может быть преимуществом во взрывоопасных или других опасных средах, где утечки представляют реальную опасность.


дизайн

Магнитные зубчатые передачи обычно используют постоянные магниты. Они также могут использовать электромагниты для специализированных случаев, включая изменяемое передаточное число. Магнитную зубчатую муфту можно настроить несколькими способами. Параллельные оси ввода и выводаподобно цилиндрическим зубчатым колесам, имеют магнитное притяжение или отталкивание между зубьями, например, магниты северного полюса на ведущей шестерне, притягивающие магниты южного полюса ведомой шестерни или зубцы северного полюса на ведущей шестерне, стремящиеся к центру между зубцами северного полюса ведомой шестерни . Зубья могут быть взаимно зацеплены для улучшения сцепления. Другая конфигурация Линейные оси которые используют «магнитную муфту». Стационарный промежуточный ферромагнитный цилиндр допускает передаточное отношение из-за гармонической связи между числом полюсов на входе и на выходе. Эквивалентной механической зубчатой ​​передачи не существует, поскольку две вращающиеся шестерни физически изолированы друг от друга и взаимодействуют только магнитно.

Кроме того, есть "циклоидный драйв «шестерни с передаточным числом, аналогичным планетарным передачам, также называемые»эпициклический "или" эксцентриковые "шестерни.

Преимущества магнитных передач:

  1. Герметичная механическая муфта
  2. Механическое соединение с защитой от сдвига / перегрузки
  3. Износ ограничивается подшипниками, не соприкасающимися с контактными поверхностями шестерен.
  4. Взаимозаменяемость электронным или механическим способом за считанные минуты, а не часы.

Магнитная передача представляет собой устройство магнитной связи, которое обеспечивает механическое соотношение между двумя устройствами с магнитной связью, такое что:

  1. У них есть отношение вращения или поступательного движения между входом и выходом, которое может равняться единице в случае чисто магнитной муфты или одному из многих передаточных чисел в магнитной муфте. коробка передач.
  2. У них есть фактор ограничения крутящего момента или тяги, основанный на силе магнитной муфты.
  3. У них нет физического контакта между основными ведущими и ведомыми элементами.

Магнитная передача состоит из магнитов постоянного, электромагнитного или иного магнитного поля. Он состоит из двух или более элементов, которые обычно вращаются, но могут быть линейными или криволинейными по своей природе.

Классическая передача определяется как соотношение пар полюсов. Где полюсные пары по своей природе являются магнитами N-S и S-N. Чтобы соотношение было затронуто, должно быть как минимум два элемента. с магнитными полюсными парами.

Такие устройства были изобретены Армстронгом, C.G., 1901, «Power Transmitting Device», US Pat. № 0,687,292[1] и развился с 1940-х годов[2][3]

Режимы передачи

Существует четыре основных режима магнитной передачи.

Устройство первого порядка

Определенное соотношение магнитов на одном приводном элементе и одном ведомом элементе, как в обычных шестернях. Шестерни первого порядка могут быть реализованы под углом и через немагнитные барьеры, поскольку для них не требуется соединительный элемент.

Устройство второго порядка

Магнитные шестерни второго порядка используют соотношение пар магнитных полюсов между внутренним и внешним магнитными роторами, при этом ротор с меньшим количеством магнитов вращается с большей скоростью, чем ротор с большим количеством магнитов. Промежуточный ферромагнитный полюс «статор» обычно удерживается неподвижно между кольцами, чтобы направлять концентрацию магнитных линий между высокоскоростным ротором и низкоскоростным ротором. Передаточное число между роторами - это количество пар магнитных полюсов на высоком скорость ротора зависит от количества пар магнитных полюсов на тихоходном роторе. Поскольку количество пар полюсов в два раза больше количества магнитов, на обоих роторах должно быть четное количество магнитов. Ферромагнитный статор допускает два альтернативных режима. Первый использует сумму количества пар полюсов двух роторов как количество ферромагнитных стержней статора, которые будут приводить вторичный ротор в противоположное направление вращения первичному. Во втором режиме количество частей статора равно разнице между количеством пар полюсов роторов, что приводит в движение вторичный ротор в том же направлении, что и первичный. В таблице ниже показано соотношение между магнитами в роторах, количеством пар, количеством железных стержней статора, передаточным числом и направлением выходного вала для пары воображаемых двигателей.

Низкоскоростные магнитыНизкоскоростные парыВысокоскоростные магнитыВысокоскоростные парыДетали железного статораПередаточное числоНаправление
20101471710:7Напротив ввода
2010147310:7Так же, как вход

Устройство третьего порядка

Вращающееся устройство, в котором устройство режима 2 модифицируется, чтобы иметь катушку (катушки) внешнего поля. Внешние катушки создают гармонический поток при питании от многофазного переменного тока, который ведет себя как переменное количество стержней статора, тем самым влияя на переменную передачу или магнитную передачу с переменным передаточным числом. Этот тип механизма потребляет примерно 25% входной мощности, вызывая ток во внешних катушках. Это снижает КПД регулируемого магнитного редуктора менее 75%, что ниже типичного КПД большинства зубчатых передач. Однако более низкие эксплуатационные расходы и характеристики ограничения крутящего момента могут оказаться подходящими для некоторых приложений.

Устройство четвертого порядка

Устройство режима 4 представляет собой модификацию устройства режима 3, в котором вход переменной скорости с низким крутящим моментом, механический вход с высоким крутящим моментом и механический выход с высоким крутящим моментом. Как и в случае с устройством режима 3, он потребляет приблизительно 25% энергии для обеспечения переменного входа, однако, если переменный вход удерживается в неподвижном состоянии, устройство функционирует как устройство режима 2. Такое устройство можно назвать множитель крутящего момента.

использованная литература

  1. ^ https://www.google.com/patents/US687292
  2. ^ https://www.google.com/patents/US3382386
  3. ^ https://www.google.com/patents/US7438035
  • Красильников, А.Я. Красильников, А.А., 2008, “Расчет силы сдвига высоко коэрцитивных постоянных магнитов в магнитных системах с учетом принадлежности к определенной группе на основе остаточной индукции”, Химическая и нефтяная инженерия, Vol. 44, №№ 7-8, стр. 362-65
  • Фурлани, Э. П., 2001, «Постоянные магниты и электромеханические устройства», Academic Press, Сан-Диего.
  • Лоример, В., Хартман, А., 1997, «Схема намагничивания для усиления связи в магнитных муфтах», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No. 5, сентябрь 1997 г.
  • Армстронг, К. Г., 1901, «Устройство передачи энергии», Патент США № 0,687,292
  • Нойланд, А. Х., 1916, «Аппарат для передачи энергии», Патент США № 1,171,351
  • Фаус, Х. Т., 1940, «Магнитная передача», Патент США № 2,243,555
  • Риз, Г. А., 1967, "Магнитная зубчатая передача", Патент США № 3 301 091
  • Шлеппи, Х. П., 1968, «Магнитные шестерни», Патент США № 3,382,386
  • Лян, Н., 1972, «Магнитная передача», Патент США № 3,645,650
  • Мейб младший, У. Дж., 1991, «Магнитная передача», Патент США № 5,013,949
  • Стораасли А.Г., 2016, "Эксцентриковая магнитная зубчатая передача, основанная на отталкивании", Патент США. Нет 9,337,712
  • Аккерманн Б., Хондс Л., 1997, «Устройство магнитного привода, содержащее множество взаимодействующих друг с другом частей, которые могут перемещаться относительно друг друга», Патент США № 5,633,555
  • Яо, Ю., Ли, С., Ван, С., Хуанг, Д., 2000, «Метод проектирования оптимальных двухосных магнитных зубчатых колес и их системы», Патент США № 6,047,456
  • Фурлани, Э. П., 2000, "Аналитический анализ многополюсных цилиндров с магнитной связью", J. Phys. D: Прил. Phys., Vol. 33, №1, с. 28-33.
  • Йоргенсен, Ф. Т., Андерсен, Т. О., Расмуссен П. О., 2005, «Двумерная модель цилиндрической зубчатой ​​передачи с постоянным магнитом», Conf. Запись конференции по промышленным приложениям IEEE 2005 г., стр. 261-5
  • Красильников, А.Я. Красильников А.А., 2009, “Определение крутящего момента для цилиндрической магнитной муфты”, Российские инженерные исследования, Том. 29, № 6, с. 544–47
  • Кён-Хо Ха, Ён-Джин О, Чжон-Пё Хонг, 2002, «Конструкция и анализ характеристик бесконтактного магнитного редуктора для конвейера с использованием постоянного магнита», Conf. Отчет о конференции по промышленным приложениям IEEE 2002 г., стр. 1922–27
  • Редуктор для ветряных турбин General Electric DP 2.7, http://www.gedrivetrain.com/insideDP27.cfm, ссылка на июнь 2010 г.
  • Neugart PLE-160, Одноступенчатая планетарная коробка передач, http://www.neugartusa.com/ple—160_gb.pdf, ссылка на июнь 2010 г.
  • Boston Gear 221S-4, Одноступенчатая цилиндрическая коробка передач, http://www.bostongear.com/pdf/product_sections/200_series_helical.pdf, ссылка на июнь 2010 г.
  • Аталлах, К., Хау, Д. 2001, «Новый высокопроизводительный магнитный механизм», IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 37, No. 4, июль 2001 г., стр. 2844–46
  • Шарпантье, Дж. Ф., Лемарканд, Г., 2001, «Механическое поведение осевых намагниченных зубчатых колес с постоянными магнитами», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 37, № 3, май 2001 г., стр. 1110–17
  • Синьхуа Лю, К. Т. Чау, Дж. З. Цзян, Чуанг Ю, 2009, «Проектирование и анализ концентрических магнитных шестерен с внутренним магнитом и внешним ротором», Журнал прикладной физики, Vol. 105
  • Мезани, С., Аталлах, К., Хоу, Д., 2006, «Высокопроизводительный магнитный редуктор с осевым полем», Journal of Applied Physics Vol. 99
  • Ченг-Чи Хуанг, Ми-Чинг Цай, Доррелл Д. Г., Бор-Дженг Линь, 2008 г., «Разработка магнитного планетарного редуктора», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, № 3, с. 403-12
  • Йоргенсен, Ф. Т., Андерсен, Т. О., Расмуссен, П. О. «Циклоидная постоянная магнитная передача», IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 44, № 6, ноябрь / декабрь 2008 г., стр. 1659–65
  • Аталлах, К., Калверли, С. Д., Д. Хоу, 2004 г., «Разработка, анализ и реализация высокопроизводительного магнитного редуктора», IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 2, март 2004 г.
  • Цзянь, Л., Чау, К. Т., 2010, «Коаксиальная магнитная передача с массивами постоянных магнитов Хальбаха», IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 25, № 2, июнь 2010 г., с. 319–28
  • Линни Цзянь, К. Т. Чау, Ю Гонг, Дж. З. Цзян, Чуанг Ю, Венлун Ли, 2009 г., «Сравнение коаксиальных магнитных передач с различными топологиями», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, № 10, октябрь 2009 г., стр. 4526-29
  • Correlated Magnetics Research, 2010, веб-сайт компании, http://www.correlatedmagnetics.com
  • Джэ Сок Чой, Чонхун Ю, Синдзи Нишиваки и Казухиро Изуи, 2010 г., «Оптимизация направлений намагничивания в трехмерной магнитной структуре», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, № 6, июнь 2010 г., с. 1603–06
  • К. Т. Чау, Донг Чжан, Дж. З. Цзян, Линни Цзянь, 2008, «Анализ переходных процессов коаксиальных магнитных шестерен с использованием моделирования методом конечных элементов», Журнал прикладной физики, Vol. 103
  • Фурлани, Э. П., 1996, «Анализ и оптимизация синхронных магнитных муфт», J. Appl. Phys., Vol. 79, № 8, с. 4692
  • Бассани, Р., 2007, «Динамическая устойчивость пассивных магнитных подшипников», Нелинейная динамика, т. 50, с. 161-68
  • Цурумото, К., 1992, «Базовый анализ передаваемой силы магнитного редуктора с использованием постоянного магнита», Журнал переводов IEEE по магнитным наукам в Японии, том 7, № 6, июнь 1992 г., стр. 447-52

внешние ссылки

  • Correlated Magnetics Research, 2009, онлайн-видео, «Инновационные магнитные исследования в Хантсвилле», https://www.youtube.com/watch?v=m4m81JjZCJo
  • Correlated Magnetics Research, 2009, онлайн-видео, «Бесконтактное приспособление, использующее постоянные магниты», https://www.youtube.com/watch?v=3xUm25CNNgQ