Магнитная передача

Иллюстрация внутреннего и внешнего роторов шестерен второго порядка с ферромагнитным статором между роторами.

Магнитная передача по геометрии и функциям напоминает традиционную механическую передачу , в которой вместо зубьев используются магниты. Когда два противоположных магнита приближаются друг к другу, они отталкиваются; при размещении на двух кольцах магниты будут действовать как зубы. В отличие от обычного люфта при жестком контакте в прямозубой передаче, где шестерня может свободно вращаться до тех пор, пока не соприкоснется со следующей шестерней, магнитная передача имеет пружинящий люфт. В результате магнитные шестерни способны оказывать давление независимо от относительного угла. Хотя они обеспечивают передаточное число, как и традиционная передача, такие шестерни работают без соприкосновения, невосприимчивы к износу сопрягаемых поверхностей, не шумят и могут проскальзывать без повреждений.

Редуктор с магнитной связью можно использовать в вакууме без смазки или в операциях с герметично закрытыми барьерами. Это может быть преимуществом во взрывоопасных или других опасных средах, где утечки представляют реальную опасность.

Дизайн

В системах магнитной передачи обычно используются постоянные магниты . В особых случаях они также могут использовать электромагниты , включая изменяемое передаточное число. Магнитная зубчатая муфта может быть сконфигурирована несколькими способами.

Параллельные входная и выходная оси , подобно прямозубым шестерням, имеют магнитное притяжение или отталкивание между зубцами, например, магниты северного полюса на ведущей шестерне притягивают магниты южного полюса ведомой шестерни или зубцы северного полюса на ведущей шестерне, стремящиеся к центру между севером. полюсные зубцы ведомой шестерни. Зубцы могут быть переплетены между собой для улучшения сцепления.

Другая конфигурация — это линейные оси , в которых используется «магнитная связь». Стационарный промежуточный ферромагнитный цилиндр обеспечивает соотношение движения благодаря гармоническому соотношению между количеством входных и выходных полюсов. Эквивалентной механической системы зубчатых передач не существует, поскольку две вращающиеся шестерни физически изолированы друг от друга и взаимодействуют только магнитно.

Кроме того, существуют передачи « циклоидальной передачи » с передаточным числом, аналогичным планетарным передачам, также называемые « эпициклическими » или «эксцентриковыми» передачами.

Преимущества магнитных передач:

Герметичная механическая муфта
Механическая муфта, устойчивая к сдвигу/перегрузке
Износ ограничивается подшипниками, не сопрягающимися контактными поверхностями шестерен.
Взаимозаменяемые передаточные числа электронным или механическим способом за считанные минуты, а не часы.

Магнитная передача представляет собой магнитное соединительное устройство, которое обеспечивает механическое соотношение между двумя магнитно-связанными устройствами такое, что:

Они имеют соотношение вращения или поступательного движения между входом и выходом, которое может быть равно единице в случае чисто магнитной муфты или одному из многих передаточных чисел в магнитной коробке передач .
Они имеют коэффициент ограничения крутящего момента или тяги, основанный на силе магнитной муфты.
У них нет физического контакта между главными ведущими и ведомыми элементами.

Магнитная передача состоит из магнитов постоянного, электромагнитного или иного магнитно-индуцированного 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 пары полюсов являются магнитами NS и SN по своей природе. Чтобы на соотношение повлияло, должно быть как минимум два элемента. с парами магнитных полюсов.

Такие устройства были изобретены Армстронгом К.Г., 1901 г., «Устройство передачи энергии», пат. № 0,687,292 ^[1] и получил дальнейшее развитие с 1940-х гг. ^[2]^[3]

Режимы передачи

Существует четыре основных режима магнитной передачи.

Устройство первого порядка

Определенное соотношение магнитов на одном ведущем элементе и одном ведомом элементе, как и в обычных зубчатых передачах. Передачи первого порядка могут быть реализованы под углом и через немагнитные барьеры, поскольку для них не требуется соединительный компонент.

Устройство второго порядка

В магнитных передачах второго порядка используется соотношение пар магнитных полюсов между внутренним и внешним магнитными роторами, при котором ротор с меньшим количеством магнитов вращается с более высокой скоростью, чем ротор с большим количеством магнитов. Промежуточный ферромагнитный полюс «статора» обычно удерживается неподвижно между кольцами, чтобы направить концентрацию магнитных линий между высокоскоростным ротором и низкоскоростным ротором.Передаточное число между роторами равно количеству пар магнитных полюсов на высокоскоростном роторе к числу пар магнитных полюсов на низкоскоростном роторе. Поскольку количество пар полюсов в два раза превышает количество магнитов, на обоих роторах должно быть четное количество магнитов.Ферромагнитный статор допускает два альтернативных режима. В первом используется сумма количества пар полюсов двух роторов в качестве количества ферромагнитных стержней статора, которые будут приводить вторичный ротор в противоположное направление вращения первичного. Во втором режиме количество частей статора равно разнице между количеством пар полюсов роторов, что приводит во вращение 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 сигнала для пары воображаемых двигателей.

Низкоскоростные магниты	Низкоскоростные пары	Высокоскоростные магниты	Высокоскоростные пары	Железные детали статора	Передаточное число	Направление
20	10	14	7	17	10:7	Напротив ввода
20	10	14	7	3	10:7	То же, что ввод

Устройство третьего порядка

Вращающееся устройство, в котором устройство режима 2 модифицировано и имеет катушку(и) внешнего возбуждения. Внешние катушки создают гармонический поток при питании от многофазного переменного тока, который ведет себя как переменное количество стержней статора, что обеспечивает переменную передачу или магнитную передачу с переменным передаточным числом. Этот тип редуктора потребляет примерно 25% входной мощности, вызывая ток во внешних катушках. Это приводит к тому, что КПД регулируемой магнитной коробки передач составляет менее 75%, что ниже типичного КПД большинства зубчатых передач. Однако более низкие эксплуатационные расходы и характеристики ограничения крутящего момента могут оказаться пригодными в некоторых приложениях.

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, оно потребляет примерно 25% энергии для питания переменного входа, однако, если переменный вход удерживается неподвижным, устройство функционирует как устройство режима 2. Такое устройство можно назвать мультипликатором крутящего момента .

Ссылки

Красильников, А.Я. Красильников А.А., 2008, “Расчет поперечной силы высококоэрцитивных постоянных магнитов в магнитных системах с учетом принадлежности к определенной группе по остаточной индукции”, Химическое и нефтяное машиностроение, Vol. 44, №№ 7-8, с. 362-65
Фурлани, Е.П., 2001, «Постоянный магнит 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, № 5, сентябрь 1997 г.
Армстронг, К.Г., 1901 г., «Устройство передачи энергии», патент США. № 0,687,292
Нейланд, А.Х., 1916 г., «Устройство для передачи энергии», патент США. № 1171351
Фаус, Х.Т., 1940, «Магнитная передача», патент США. № 2243555
Риз, Джорджия, 1967, «Устройство магнитной передачи», патент США. № 3301091
Шлеппи, HP, 1968 г., «Магнитные шестерни», патент США. № 3382386
Лян Н., 1972, «Магнитная трансмиссия», патент США. № 3645650
Мэйб-младший, WJ, 1991, «Магнитная трансмиссия», патент США. № 5013949
Стораасли, AG, 2016 г., «Эксцентрическая система магнитной передачи, основанная на отталкивании», патент США. № 9337712
Акерманн, Б., Хондс, Л., 1997, «Устройство магнитного привода, содержащее множество магнитно взаимодействующих частей, которые подвижны относительно друг друга», патент США. № 5633555
Яо Ю., Ли К., Ван С., Хуанг Д., 2000 г., «Способ проектирования оптимальных двухосных магнитных передач и их системы», патент США. № 6047456
Фурлани, Е.П., 2000, «Аналитический анализ магнитно-связанных многополюсных цилиндров», J. Phys. Д: Прил. Физ., Том. 33, № 1, с. 28-33.
Йоргенсен Ф.Т., Андерсен Т.О., Расмуссен П.О., 2005 г., «Двумерная модель прямозубой шестерни с постоянными магнитами», Конф. Протокол конференции IEEE Industry Applications Conference 2005 г., стр. 261-5
Красильников, А.Я. Красильников А.А., 2009, «Определение крутящего момента цилиндрической магнитной муфты», Российские инженерные исследования, Том. 29, № 6, стр. 544–47.
Кюнг-Хо Ха, Ён-Джин О, Юнг-Пё Хонг, 2002 г., «Проектирование и анализ характеристик бесконтактного магнитного механизма для конвейера с использованием постоянного магнита», Конф. Протокол конференции IEEE Industry Applications Conference 2002 г., стр. 1922–27
Редуктор ветряной турбины General Electric DP 2.7, http://www.gedrivetrain.com/insideDP27.cfm , ссылка на июнь 2010 г.
Neugart PLE-160, Одноступенчатый планетарный редуктор, http://www.neugartusa.com/ple—160_gb.pdf , ссылка на июнь 2010 г.
Boston Gear 221S-4, одноступенчатый винтовой редуктор, http://www.bostongear.com/pdf/product_sections/200_series_helical.pdf , ссылка на июнь 2010 г.
Аталлах К., Хоу Д. 2001, «Новый высокопроизводительный магнитный механизм», IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 37, № 4, июль 2001 г., с. 2844–46
Шарпантье, Дж. Ф., Лемарканд, Г., 2001, «Механическое поведение аксиально намагниченных шестерен с постоянными магнитами», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 37, № 3, май 2001 г., с. 1110–17
Синьхуа Лю, К. Т. Чау, Дж. З. Цзян, Чуан Юй, 2009 г., «Проектирование и анализ концентрических магнитных передач внешнего ротора с внутренним магнитом», Журнал прикладной физики, Vol. 105
Мезани С., Аталлах К., Хоу Д., 2006, «Высокоэффективная магнитная передача 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. «Циклоидный механизм с постоянным магнитом», Транзакции IEEE по отраслевым приложениям, Vol. 44, № 6, ноябрь/декабрь 2008 г., с. 1659–65
Аталлах, К., Калверли, С.Д., Д. Хоу, 2004 г., «Проектирование, анализ и реализация высокопроизводительного магнитного редуктора», IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 151, № 2, март 2004 г.
Цзян Л., Чау К.Т., 2010, «Коаксиальная магнитная передача с матрицами постоянных магнитов Хальбаха», Транзакции IEEE по преобразованию энергии, Том. 25, № 2, июнь 2010 г., с. 319-28
Линни Цзянь, К. Т. Чау, Ю Гонг, Дж. З. Цзян, Чуан Ю, Вэньлун Ли, 2009 г., «Сравнение коаксиальных магнитных передач с различными топологиями», Транзакции IEEE по магнетизму, Vol. 45, № 10, октябрь 2009 г., с. 4526-29
Исследование коррелированного магнитного поля, 2010 г., веб-сайт компании, http://www.correlated Magnetics.com.
Чжэ Сок Чой, Чонхун Ю, Синдзи Нишиваки и Казухиро Изуи, 2010, «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 г., «Анализ переходных процессов в коаксиальных магнитных передачах с использованием сомоделирования методом конечных элементов», Журнал прикладной физики, Vol. 103
Фурлани, Е.П., 1996, «Анализ и оптимизация синхронных магнитных муфт», J. Appl. Физ., Том. 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 магнитной передачи с использованием постоянного магнита», Журнал перевода IEEE по магнетизму в Японии, том 7, № 6, июнь 1992 г., стр. 447-52

Внешние ссылки

Коррелированные исследования магнетизма, 2009 г., онлайн-видео «Инновационные исследования магнетизма в Хантсвилле», https://www.youtube.com/watch?v=m4m81JjZCJo.
Исследование коррелированного магнитного поля, 2009 г., онлайн-видео «Бесконтактное крепление с использованием постоянных магнитов», https://www.youtube.com/watch?v=3xUm25CNNgQ

[1] «Устройство передачи энергии» .

[2] «Магнитные шестерни» .

[3] «Устройство привода кулачка с магнитной передачей» .

[1]

[2]

[3]