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磁铁提供机械齿轮的替代品

发布时间:2017/02/18 技术资料 浏览次数:265

磁性部件是电动机和非接触式驱动联轴器中的标准,但是新的发展可以看到磁体取代了动力传动系统中的机械齿轮。Paul Stevens报告了新的基于磁体的电力传输部件及其为设计者提供的优势。

传动装置,联轴器和阻尼器,以及电机和执行器,都能很好地满足现有技术,但这些技术都有其局限性和缺点。例如,齿轮需要润滑,产生噪声并且遭受固有摩擦,这降低了它们的机械无效性。

从玩具和门捕捉到电动机和医学成像系统的一切中使用的磁性是商业组织和学术机构正在进行的研究的主题。改进的场强和设计技术意味着更小和更轻的磁体可以代替更大的复合磁体或创造新的机会。

领导研究的学术机构之一是英国谢菲尔德大学。Magnomatics公司成立于2006年,是谢菲尔德大学的一家分公司,旨在将磁传动系统,高扭矩电机,机电执行器和阻尼器的突破性研究商业化。这项工作由Kais Atallah博士和David Howe教授在大学的电机和驱动实验室进行。今天,Magnomatics与大学保持密切联系,利用现有的技术专长和研究设施。Atallah博士原来的研究小组成员现在成为Magnomatics技术团队的核心。

Magnomatics的活动中心在于 – 但不限于 – 磁性齿轮传动,其中部件通过非接触磁耦合而不是啮合的机械齿轮齿传递扭矩。根据实施例,Magnomatics说可能的传动比为1.01:1至1000:1。

与机械齿轮相比,他的发明声称提供的优点包括减少维护,提高可靠性,不需要润滑剂,更高的效率,精确的峰值扭矩传递,固有的过载保护,降低的传动系统脉动,不对准公差和低噪声。在一些应用中,输入和输出轴物理隔离也是有益的。

磁力齿轮使用永磁体传递扭矩

磁性齿轮使用永磁体在输入轴和输出轴之间传递扭矩。该公司表示,与机械齿轮相比,扭矩密度可达到99%或更高的效率,在部分负载条件下比机械齿轮能够实现更高的效率。此外,对于更高的额定功率,磁性齿轮可以比机械齿轮更小,更轻和成本更低。由于移动部件之间没有接触,因此没有磨损,不需要润滑(图1)。如果施加过大的扭矩,磁性齿轮也可以防止过载,如果过度扭矩被移除,则自动和安全地重新啮合。

低比磁齿轮使用一系列钢极靴来调制由具有不同数量磁极的两个永磁转子产生的磁场。在这种布置中,磁体阵列以不同的速度旋转,其中齿轮比由每个阵列中的磁体的比率确定。输入和输出轴之间的运动传递通过使用强大的永磁体和中间调制元件(图2)被动地实现。转子之间的高度磁耦合允许实现与机械齿轮相当的转矩密度。具有几乎零转矩波动的50:1到1.01:1的传动比是容易实现的。有趣的是,当需要薄“煎饼”设计时(图3),低比率磁齿轮可以在常规径向场或轴向布置中实现。Magnomatics的低比率磁齿轮是公司的新型永磁电机(伪直接驱动(PDD))的一个组成部分,它提供比传统电机齿轮箱组合(见下文)高得多的转矩密度。

Magnomatics高比磁齿轮使用旋转的发散气隙来调制由输入和输出转子上的永磁体阵列产生的场。与低速比齿轮一样,转子之间的高度耦合允许实现非常高的扭矩密度。高比率磁齿轮的简单而坚固的结构使得在单个同轴级中可以实现高达1000:1的比率。因此,该系统为复杂,高成本,多级机械齿轮提供了优雅,无摩擦的替代方案。

与传统的机械系统不同,磁齿轮概念的多功能性允许以非常高的力密度实现线性变体。线性变体是完全可逆的,并且可以用作行程放大器或作为力放大器以适合目标应用 – 其可以是流量控制阀致动器,可伸缩机器人臂或直接驱动波动力发电系统。

这种磁齿轮拓扑结构被认为非常适合于否则可能依赖于无效的旋转 – 线性转换技术(例如球螺杆或导螺杆)的致动系统; 它也作为液压致动器的潜在替代品吸引了人们的兴趣。如果需要,线性齿轮装置可以与无刷永磁直线电动机组合以产生具有超高力密度的线性伪直接驱动致动器。

虽然线性非接触“齿轮传动”变速器离旋转非接触齿轮一步远,但一个侧向思维很快就揭示了其他可能性。Magnomatics已经开发的一种这样的发展是磁性,非接触式无级变速器(CVT)或无限变速器(IVT),其提供可控的比率和功率传递。磁性CVT是高效且紧凑的,不需要冷却或润滑,并且适合于多种应用,例如混合动力车辆和风力涡轮机。解决大多数CVT设计中固有的摩擦学挑战可能证明是困难的,因此非接触概念听起来非常有吸引力。

通常机器设计需要电机直接或通过齿轮箱驱动负载。因此,Magnomatics开发了一个将低比率磁齿轮与永磁电动机相结合的单元。被称为伪直接驱动(PDD)机,据说这种开发提供的扭矩密度比使用具有常规齿轮箱的高性能永磁电动机(图4)时的扭矩密度大几倍。PDD机床的优点 – 在2005年推出 – 与传统的直接驱动机器相比,具有显着的尺寸和重量减少,由于超高效率,简化的机器设计,无需辅助冷却,并且与机械齿轮传动(图5)。

由于可以使用的磁应力和电应力的限制,常规电机只能实现相对低的扭矩输出。对于紧凑型系统,通常需要机械传动装置以使高速,低扭矩机器与其较低速度,较高扭矩的负载相匹配,这引起了对润滑,冷却,维修和潜在的灾难性故障和干扰的需要超载。

PDD机器的潜在应用范围从混合动力车辆驱动器到直接驱动公用事业规模的风力涡轮机和船舶推进系统。Magnomatics说,PDD机器可以配置为径向场,轴向场和线性拓扑。

PDD机器无疑是一个令人兴奋的产品,但也有其他磁铁产品,虽然不那么刺激,仍然以优雅的方式解决特定的工程问题。Magnomatics说它有专业知识和建模能力来解决这些问题。例如,磁性联接器可以将扭矩从一个系统传递到另一个系统,同时保持气密密封以防止泄漏和污染。联轴器是同步的(输出轴速度恰好等于输入速度),并且这种联轴器可以设计成具有最大100%的机械效率。磁耦合器广泛用于泵,以将电动机与液体隔离,并消除具有有限寿命且易于泄漏的动态密封; 相反,膜或密封壁位于转子之间的磁隙中。

在某些方面类似于磁耦合,涡流或感应耦合用作限制扭矩的功率传输元件,以防止在过载下的传动系故障。联接器是鲁棒的,并且当针对应用优化时,可以非常有效。如果需要,扭矩分布可以被定制为提供连接以不同速度旋转的轴并且安全地重新接合驱动器而不引入传动系冲击负载的能力。该装置可以是具有永磁体激励的纯无源的,或者具有缠绕场激励的有源的; 这允许控制负载容量并且系统快速地去耦合。

每组应用要求导致不同的设计,其中扭矩速度曲线和效率与制造复杂性和系统成本平衡。Magnomatics为诸如高性能重量优化的航空航天应用,强劲的高冲击工业驱动器和备用发电系统等领域设计了广泛的传输耦合。该公司广泛的建模能力使涡流电流耦合设计能够在转矩 – 速度特性,损耗,动态特性和热效应方面得到优化,从而在给定的工作条件下实现最紧凑的封装。

基于磁体的齿轮和联轴器的近距离,涡流阻尼器使航空航天客户能够满足诸如起落架和用于更多电动飞机的飞行控制表面致动的应用的苛刻要求。涡流阻尼器还可用于结构的隔振,用于高性能车辆的发动机支架,力反馈装置和工业运动控制。

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