磁性齿轮
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磁性齿轮(英语:Magnetic Gear,简称MG)基本上是一个不具有传统齿轮齿型的传动装置,利用磁耦合力相吸相斥达到传动的目的,称乎其为磁性齿轮仅仅只是构型相似、传动目的一致,本质上不隶属传统齿轮。在以平行为传动方式的MG发展快速,与传统齿轮相比,其不管在传动效率、传动比、加工方面都大幅领先,该装置已经实用在工业界多年,学术界也在持续发展。
发展史
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MG的最早出现于1901年的美国专利[1],不过当时未被重视。虽然1941年Faus提出与传统齿轮有相似型态的MG[2]后,不过当时市面上仅有铁氧体,其在磁性齿轮上使用率低并且效能差,发展又逐渐落寞。1980年代后,钕铁硼磁铁(NdFeB)的发明虽然再次让研究开展,不过由于传动时的扭矩密度仍低,无法应用在工业界,仅停留在学术发展阶段。后来有学者于2001年针对共轴式MG(Coaxial-MG,CMG)提出磁场调变(magnetic field modulation )[3]大幅改善扭矩传送密度低的缺点,甚至证实MG在传送扭矩密度以及角速度可高达97%的效率[4];此后针对CMG不断有进一步改善的研究成果出现,并且开始大量出现整合MG于其它装置中的研究发表,至今为止研究仍然不断开展。
MG传动基本上为两个结构体互相靠著磁耦合力传动,一般可分为平行轴传动和共交轴传动,共交轴传动的发展首先由1987年Tsurumoto, K.提出内旋(Involute)传动式MG[5], 该构型上所带有之磁铁型态、分布排列相当复杂,学术界改分析磁铁排列较简单的MG,1991年S. Arimoto提出类似这种型态的传动解析[6]之后陆续有学者对于平行轴传动发表各式各样的研究。1993到1994年,垂直传动型态问世, K. Tsurumoto提出磁性螺旋齿轮(magnetic worm gear)[7],和磁性歪齿轮(magnetic skew gear)[8],不过构型过于复杂难以解析,多数学者仍改投入研究平行轴传动;但于1996年时,Yao, Y. D.发表磁性斜齿轮(magnetic bevel gear)[9],但学术界多数对于电磁学领域的构装难有解析解,更别说要解析垂直传动,故该篇期刊仅采用实验法验证,到了2012年,Muruganandam, G.提出改善磁性斜齿轮的扭矩密度之数学模型[10],但使用了许多假设或近似。
由于平行轴传动MG的发展已逐渐成熟与完备,目前学术界开始有解析共交轴传动MG的趋势,最新的研究整合了磁性斜齿轮与磁场调变技术[11],发表在IEEE International Conference,不过尚未将内文公开。
研究课题
[编辑]- 解析MG的传动扭矩
- 解析MG的最大拖动扭矩
- MG传动稳定度分析
- MG材料创新选用
- MG整合应用
- MG传动效率分析
- 新型MG的开发
几何类型
[编辑]- 以转动轴平行与否分类
- 转动轴互为平行
- 磁性正齿轮
- 转动轴互为垂直
- 磁性螺旋齿轮
- 磁性歪齿轮
- 磁性斜齿轮
机构优点
[编辑]齿轮机构若利用无接触式传动机构,将较传统接触式齿轮具有下列优点:
- 由超距力完成传动,降低机械能损耗
- 圆弧形表面,不需加工齿形与计算模数,使加工成本与难度降低;
- 传动为无接触式,无需润滑接触面使保养简易,亦抑制噪音产生;
- 设备中因摩擦皆处所产生的粉尘与油污不会对超距接触产生影响,并具备防水特性;
- 具有扭矩过载保护特性
一般传统接触式耦合齿轮于扭矩大于安全上限时,会产生崩齿现象,将永久破坏齿轮并产生碎屑,影响其他 部分的齿轮耦合,反之磁性齿轮在扭矩过载时将会产生失步现象,使磁极转动至下一个对 应之磁极并相吸,继续恢复机械传动,使机械恢复运作,且具有过载保护的功能。
机构应用
[编辑]MG已被大量使用在工业上,随著其类型的不同,使用面向亦不同,以下举出当前的应用领域数个:
(1)风力发电机
(2)马达
(3)混合动力车辆飞轮机构
(4)齿轮箱
(5)无尘室
几何参数
[编辑]磁极(又称磁铁)数:
磁极展开角:
半径: R
速比:
- 因为多数情况都是使用两个磁性齿轮为一组,所以可以区分为主动轮AMG以及被动轮PMG,上式中下标A及P的意义就在于此。
- 注意速比的定义跟传统接触齿轮一模一样。
- 一般来说,磁性齿轮需满足以下公式:
- 若考虑两轮转动顺畅问题,AMG与PMG的单极耦合路径长需相同,即有:
机构特性
[编辑]传统机械主动轮方施加扭矩因而能驱动从动轮,当承载扭矩超过结构安全负荷时就会产生崩齿,而MG由于是无接触式传动,所以扭矩过大时仅会发生所谓的失步,即AMG空转,但无法完整带动PMG的现象,所以不对结构整体造成破坏,因而具有过载保护功能。
至于MG的磁铁装配方式、磁铁总数须为偶数,还有相邻磁铁磁化向量方向必须相反,否则会因为磁铁同性相斥的特性造成无法组装各个磁铁成为一个MG。
解析方式
[编辑]由于最简单的MG仅由永久磁铁构成,所以如何用数学解析磁场便为首要重点。 一般求解磁场的方法主要有四种,皆从马克士威方程组推广而来,分别为安培电流模型(Amperian Current Model)、库伦模型(Coulombian Model)、磁位能法(Magnetic Potential Method)、必欧-沙伐定律(Biot-Savart Law),尤以前两个最为常用,兹简介其概念如下:
- Amperian Current Model:
又称等效电流法(Equivalent Current Method),其概念为将磁铁近似成一带有分布电流的相同体积大小之模型,即以电学的理论求解磁学问题。
- Coulombian Model:
又称等效电荷法(Equivalent Charge Method),其概念为将磁铁近似成一带有分布电荷的相同体积大小之模型,一样是以电学的理论求解磁学问题。
附注:不管是哪种方法都不能处理MG拥有厄铁(或称为钢铁)的情况。
至于在电脑模拟上,一般皆采用以有限元素理论基础的FEA软体,例如Maxwell、ANSYS、Flux、Comsol、MagNet...等。
材料选用
[编辑]一般选用稀土金属,除了其磁性强健以外,其物理特性对应到元素周期表的过渡金属(Tranistion metal)类,满足解析方式的前两种方法的初始假设,尤以钕磁铁(neodymium或简称NdFeB)最为常用。
磁铁特性
[编辑]磁铁的材料特性可由磁滞现象描述,该现象是以曲线来阐述,又称磁滞曲线(hysteresis loop),横坐标为磁场强度,纵座标为磁化强度,该曲线上任一点为磁通量密度,若单位系统采用国际单位制,该曲线上任一点可由以下公式描述:
B=(H+M)
其中称为真空磁导率,其值为4π×10−7 N·A−2。
参考文献
[编辑]- ^ C. G. ARMSTRONG, "Power-transmitting device.," 美国 Patent US 687292 A, 1901/11/26, 1901.
- ^ H. T. Faus, "Magnet gearing," USA Patent, 1941
- ^ K. Atallah and D. Howe, "A novel high-performance magnetic gear," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 37, pp. 2844-2846, 2001.
- ^ K. Atallah, S. D. Calverley, and D. Howe, "Design, analysis and realisation of a high-performance magnetic gear," Electric Power Applications, IEE Proceedings -, vol. 151, pp. 135-143, 2004.
- ^ K. Tsurumoto and S. Kikuchi, "A new magnetic gear using permanent magnet," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 23, pp. 3622-3624, 1987.
- ^ K. Ikuta, S. Makita, and S. Arimoto, "Non-contact magnetic gear for micro transmission mechanism," in Micro Electro Mechanical Systems, 1991, MEMS '91, Proceedings. An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Robots. IEEE, 1991, pp. 125-130.
- ^ S. Kikuchi and K. Tsurumoto, "Design and characteristics of a new magnetic worm gear using permanent magnet," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 29, pp. 2923-2925, 1993.
- ^ S. Kikuchi and K. Tsurumoto, "Trial construction of a new magnetic skew gear using permanent magnet," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 30, pp. 4767-4769, 1994.
- ^ Y. D. Yao, D. R. Huang, C. C. Hsieh, D. Y. Chiang, S. J. Wang, and T. F. Ying, "The radial magnetic coupling studies of perpendicular magnetic gears," Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 32, pp. 5061-5063, 1996.
- ^ K. S. Jayakumar and G. Muruganandam, "Design and Simulation Analysis of a Perpendicular
- ^ S. L. H. Yulong Liu1 , W. N. Fu1. (2014). A Novel Magnetic Gear with Intersecting Axes.