In diesem Artikel werde ich über das von uns entwickelte Magnetgetriebe sprechen. Dieses Getriebe soll in Verbindung mit einem bürstenlosen Motor eingesetzt werden. Der Artikel wird über den möglichen Umfang dieses Getriebes, seine Vor- und Nachteile im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben sprechen.
Einführung
Bürstenlose motorlose Motoren (BLDC) bieten extrem hohe Leistung bei minimaler Größe. Dies wird durch leistungsstarke Seltenerdmagnete erreicht. Bei der Herstellung eines Motors mit kleinem Formfaktor haben solche Motoren keine Konkurrenz.
Trotz der hohen Leistung unterliegt die geringe Größe des Motors vielen Einschränkungen, wie z. B.: Einem kleinen Moment, hohen Betriebsgeschwindigkeiten und einem kleinen Kühlbereich. Diese Einschränkungen ermöglichen es Ihnen nicht, das volle Potenzial des Motors auszuschöpfen. So kann beispielsweise ein Motor mit 540 Formfaktor (D = 36 mm L = 54 mm) eine Leistung von mehr als einem Kilowatt mit einem ziemlich guten Wirkungsgrad liefern. Dies ist jedoch nur bei sehr hohen Drehzahlen möglich, wenn es ziemlich schwierig wird, diese Leistung vom Motor zu entfernen. Im Nennmodus kann ein solcher Motor ohne erzwungenen Luftstrom 200 bis 400 Watt erzeugen.
Das Hauptaugenmerk unseres MotoChrome-Teams liegt auf dem Design und der Entwicklung bürstenloser Motoren. Bei der Entwicklung des Motors für einen der Kunden sind wir gerade auf die oben beschriebenen Probleme gestoßen. Der Kunde brauchte einen Motor mit kleinem Durchmesser und gleichzeitig relativ hohem Drehmoment und Wirkungsgrad. Um den Anforderungen gerecht zu werden, war der Motor fast einen halben Meter lang und hatte einen Durchmesser von 40 mm. Der Motor erwies sich als ziemlich teuer und sehr schwer zu montieren. Um die gleichen Leistungsparameter zu erreichen, ist es gleichzeitig möglich, den Motor dreimal kleiner zu machen, jedoch mit einem Getriebe. Und am Ende wurde diese Option gewählt.
Die Verwendung eines Getriebes scheint eine gute Lösung zu sein. Aber damit gibt es viele andere Probleme, die nicht bei allen Motoren ihre volle Nutzung ermöglichen.
- zusätzliches Gerät mit Bruchwahrscheinlichkeit und begrenzter Lebensdauer
- Erhöhung der Gesamtabmessungen;
- erhöhtes Geräusch, das beim Betrieb von Unterwassergeräten kritisch sein kann;
- Die meisten mechanischen Getriebe haben Einschränkungen hinsichtlich des übertragenen Drehmoments und der Wellendrehzahl auf der Eingangswelle des Getriebes, was wiederum zusätzliche Einschränkungen / Anforderungen an den Elektromotor auferlegt.
Bei der Auswahl eines Getriebes stießen wir auf zwei Hauptprobleme. 1) Damit das Getriebe das volle Potenzial des bürstenlosen Motors ausschöpfen kann, muss es in seiner Größe mit der Größe des Motors vergleichbar sein. Damit ist der Motor nicht mehr kompakt. 2) Die meisten mechanischen Getriebe können nicht mit hohen Geschwindigkeiten (> 15000 U / min) arbeiten, und wir sind an hohen Geschwindigkeiten interessiert. Nur 1 ... 2 Unternehmen stimmten zu, eine Bestellung für das erforderliche Getriebe aufzunehmen und es 3 Monate nach Zahlungseingang zu liefern. Was seine Zuverlässigkeit und Haltbarkeit sein wird, müssen wir noch herausfinden. Die Schwierigkeiten, die mit der Suche nach dem richtigen Getriebe verbunden sind, haben uns jedoch dazu veranlasst, weiter über dieses Problem nachzudenken.
Eine aus unserer Sicht gute Option war ein Magnetgetriebe. Sie sind noch nicht weit verbreitet und es gibt nicht genügend Informationen über sie. Deshalb haben wir uns entschlossen, uns eingehender mit diesem Thema zu befassen und das Getriebe selbst herzustellen. Auf diese Weise können wir einen Ansatz für die Modellierung erarbeiten und die Parameter für die Zukunft berechnen.
Magnetgetriebe
Wir haben uns entschlossen, ein Magnetgetriebe nach einem gemeinsamen Schema herzustellen, das einem Planetengetriebe entspricht. Die Magnete in der Mitte sind das „Sonnenrad“, die Magnete an der Außenseite sind das „Hohlrad (Epizyklus)“, zwischen ihnen dienen die Zähne aus magnetisch weichem Material als „Träger“.
Dieses Design hat ein maximales Haltemoment bei minimalem Volumen und ist für unsere Aufgabe gut geeignet. Aus diesem Grund haben wir das folgende Muster entworfen und hergestellt.
Der Durchmesser dieser Probe beträgt 36 mm. Der Eingangsteil des Getriebes wird gemäß der Norm NEMA 17 hergestellt. Anstelle der Abtriebswelle haben wir eine universelle Frontplatte hergestellt, die es ermöglicht, bei experimentellen Arbeiten, Tests und Experimenten eine andere Last daran zu befestigen und gegebenenfalls die Welle dank der Basisbefestigungsbohrung in der Mitte der Frontplatte zu installieren. Übrigens haben wir das Konzept der Universalhalterungen auf unseren Elektronenmotor angewendet, den wir für die Massenproduktion und den Verkauf in der Russischen Föderation vorbereiten (wir werden einen separaten Artikel darüber schreiben).
Die Parameter des resultierenden Getriebes lagen ziemlich nahe an den berechneten. Es hat eine Abnahme von 1:10 und kann unter statischer Belastung ein Moment von 0,53 Nm auf der Abtriebswelle aufrechterhalten. Dies ist ein ausreichend guter Indikator für solche Abmessungen. Zum Vergleich: Ein Motor mit den gleichen Abmessungen liefert ein solches Moment mit einem Wirkungsgrad von weniger als 50%, und ein System mit diesem Getriebe hat einen Wirkungsgrad von 80%.
Außerdem erwies sich das Getriebe als sehr ruhig und leise. Dabei sind während der Rotation absolut keine Rucke zu spüren, der Moment wird sehr sanft übertragen. Diese Eigenschaft bestimmte den Namen, den wir dem Getriebe gaben - "Glatter".
Noch ein paar Rollen mit Ausrüstung
Schlussfolgerungen
Nach dem ersten Test konnten wir die folgenden Vorteile eines Magnetgetriebes gegenüber einem mechanischen feststellen:
- Leises Magnetgetriebe
- Keine Angst vor hohen Drehzahlen. Das schwache Glied darin sind nur die Lager, die auch den Motor begrenzen.
- Langlebig Darin wie im Motor gibt es nichts, was von den Lagern getrennt werden könnte.
- Das Getriebe kann den Moment reibungslos vorantreiben und halten. Wenn Sie beispielsweise ein solches Getriebe in den Griff bekommen und ein zerbrechliches Objekt festklemmen, wird es durch einen Ruck des Motors nicht zerstört.
- Ein solches Getriebe ist gegen Überlast geschützt. Wenn die zulässige Belastung der Welle des mechanischen Getriebes überschritten wird, brechen und blockieren die Zahnräder darin, was ebenfalls zu Schäden am Motor oder an der Steuerung führen kann. Das Magnetgetriebe kurbelt einfach an und bricht nicht, und der Motor stoppt nicht.
Wir haben auch eine Reihe von Mängeln festgestellt:
- Das Drehmoment des Getriebes wird durch das Volumen und die maximale Stärke der Magnete begrenzt. Ein mechanisches Getriebe kann ein viel größeres Drehmoment bei gleichem Volumen übertragen.
- Die Getriebemagnete sind temperaturempfindlich und können durch Überhitzung entmagnetisiert werden.
- Da das Getriebe Magnete aus Seltenerdmaterialien verwendet, ist die Herstellung von Maßgetrieben dieses Typs schwierig.
Basierend auf den Ergebnissen haben wir Anwendungen für Getriebe dieses Typs entwickelt:
- In der Biologie, Medizin und anderen Verfahren zum Erfassen und Bewegen von Objekten, die eine präzise Positionierung auf einer Seite erfordern (was durch die Getriebelosigkeit des Getriebes erreicht wird), besteht ein hohes Risiko, dass Objekte beschädigt werden, mit denen der Manipulator arbeitet, z. B. menschliches Gewebe und Organe (die Weichheit des im Magnetgetriebe vorhandenen Ausgangsgetriebes) Der Rotor- und Überlastschutz begrenzt die maximale Kraft, die auf den zu bedienenden Gegenstand ausgeübt wird.
- in industriellen Geräten, in denen Hochgeschwindigkeitsmotoren (elektrisch oder pneumatisch) auf engstem Raum betrieben werden, deren Drehmoment erhöht und die Drehzahl auf den erforderlichen zulässigen Wert verringert werden muss.
- in Unterwasserinstrumenten, bei denen hohe Anforderungen an geräuscharme Produkte gestellt werden
Im Moment wird das Getriebe weiter getestet. Wir testen es in der Dynamik bei verschiedenen Lasten und Geschwindigkeiten. Wenn alles gut geht, können wir diese Entwicklung in ein reales Projekt einbringen.