En este artículo hablaré sobre la caja de cambios magnética desarrollada por nosotros. Esta caja de cambios está planeada para usarse junto con un motor sin escobillas. El artículo hablará sobre el posible alcance de esta caja de cambios, sus ventajas y desventajas en comparación con las cajas de cambios convencionales.
Introduccion
Los motores sin motor sin escobillas (BLDC) ofrecen una potencia extremadamente alta con un tamaño mínimo. Esto se logra gracias a los potentes imanes de tierras raras. Al crear un motor en un factor de forma pequeño, tales motores no tienen competencia.
Sin embargo, a pesar de la alta potencia, el pequeño tamaño del motor le impone muchas restricciones, tales como: un pequeño momento, altas velocidades de operación, una pequeña área de enfriamiento. Estas restricciones no le permiten utilizar todo el potencial del motor. Entonces, por ejemplo, un motor de factor de forma 540 (D = 36 mm L = 54 mm) es capaz de entregar potencia en exceso de kilovatios con una eficiencia bastante buena, pero esto solo es posible a velocidades muy altas, cuando se hace bastante difícil eliminar esta potencia del motor. En modo nominal, dicho motor sin flujo de aire forzado puede producir 200-400 vatios.
El enfoque principal de nuestro equipo de MotoChrome es el diseño y la creación de motores sin escobillas. Al diseñar el motor para uno de los clientes, nos encontramos con los problemas descritos anteriormente. El cliente necesitaba un motor con un diámetro pequeño, pero al mismo tiempo un par y una eficiencia bastante altos. Para cumplir con los requisitos, el motor resultó tener casi medio metro de largo con un diámetro de 40 mm. El motor resultó ser bastante costoso y muy difícil de ensamblar. Al mismo tiempo, para lograr los mismos parámetros de potencia, es posible hacer que el motor sea 3 veces más pequeño, pero utilizando una caja de cambios. Y al final, se eligió esta opción.
Usar una caja de cambios parece una buena solución. Pero con él hay muchos otros problemas, que no permiten su uso completo en todos los motores.
- Unidad adicional con probabilidad de rotura y vida útil limitada
- aumento en las dimensiones generales;
- ruido aumentado, que puede ser crítico en la operación de dispositivos subacuáticos;
- La mayoría de las cajas de engranajes mecánicos tienen restricciones en el par transmitido y la velocidad del eje en el eje de entrada de la caja de engranajes, lo que a su vez impone restricciones / requisitos adicionales en el motor eléctrico.
Al elegir una caja de cambios nos encontramos con dos problemas principales. 1) Para que la caja de engranajes alcance todo el potencial del motor sin escobillas, debe ser comparable en tamaño al tamaño del motor. Con él, el motor deja de ser compacto. 2) La mayoría de las cajas de engranajes mecánicos no pueden funcionar a altas velocidades (> 15000 RPM), y nos interesan las altas velocidades. Solo 1 ... 2 compañías acordaron tomar un pedido de la caja de cambios requerida y entregarla 3 meses después de recibir el pago. Lo que será su fiabilidad y durabilidad, todavía tenemos que descubrir, sin embargo, las dificultades asociadas con la búsqueda de la caja de cambios adecuada nos hicieron pensar más en este problema.
Una buena opción, desde nuestro punto de vista, era una caja de cambios magnética. Todavía no han recibido un uso generalizado y no hay suficiente información sobre ellos, por lo que decidimos profundizar en este problema y hacer la caja de cambios nosotros mismos. Esto nos permitirá elaborar un enfoque para su modelado y nos permitirá calcular sus parámetros en el futuro.
Engranaje magnético
Decidimos hacer una caja de cambios magnética de acuerdo con un esquema común, que es un análogo de una caja de cambios planetaria. Los imanes en el centro son el "engranaje solar", los imanes en el exterior son el "engranaje anular (epiciclo)", entre ellos los dientes hechos de material magnético blando actúan como el "portador".
Este diseño tiene un momento de retención máximo en un volumen mínimo y se adapta bien a nuestra tarea. Como resultado, diseñamos y fabricamos la siguiente muestra.
El diámetro de esta muestra es de 36 mm. La parte de entrada de la caja de engranajes está hecha de acuerdo con el estándar NEMA 17. En lugar del eje de salida, hicimos una placa frontal universal, que permite unir una carga diferente en trabajos experimentales, pruebas y experimentos y, si es necesario, instalar el eje, gracias al orificio de montaje de la base en el centro de la placa frontal. Por cierto, aplicamos el concepto de monturas universales a nuestro motor Electron, que estamos preparando para la producción en serie y las ventas en la Federación de Rusia (escribiremos un artículo separado al respecto).
Los parámetros de la caja de cambios resultante estaban bastante cerca de los calculados. Tiene una disminución de 1:10 y es capaz de mantener un momento de 0,53 Nm en el eje de salida bajo carga estática. Este es un indicador suficientemente bueno para tales dimensiones. A modo de comparación, un motor en las mismas dimensiones dará ese momento con una eficiencia por debajo del 50%, y un sistema con esta caja de cambios tendrá una eficiencia del 80%.
Además, la caja de cambios resultó ser muy suave y silenciosa. En él, no se sienten absolutamente sacudidas durante la rotación, el momento se transmite muy suavemente. Esta propiedad determinó el nombre que le dimos a la caja de cambios: "Más suave".
Un par de rodillos más con engranaje
Conclusiones
Después de la prueba inicial, pudimos identificar las siguientes ventajas de un engranaje magnético en comparación con uno mecánico:
- Engranaje magnético silencioso
- No teme a las altas revoluciones. El eslabón débil en él son solo los cojinetes, que también limitan el motor.
- Duradero En él, como en el motor, no hay nada que separe de los rodamientos.
- La caja de cambios puede alimentar y mantener el momento sin problemas. Por ejemplo, si agarra una caja de cambios de este tipo y sujeta un objeto frágil, un tirón del motor no lo destruirá.
- Tal caja de cambios está protegida contra sobrecargas. Si se excede la carga permitida en el eje de la caja de cambios mecánica, entonces los engranajes se derrumbarán y se atascarán, lo que también puede causar daños al motor o controlador. El engranaje magnético simplemente arrancará y no se romperá, y el motor no se detendrá.
También identificamos una serie de deficiencias:
- El par de la caja de cambios está limitado por el volumen y la fuerza máxima de los imanes. Una caja de cambios mecánica es capaz de transmitir un par mucho mayor en el mismo volumen.
- Los imanes de la caja de engranajes son sensibles a la temperatura y se pueden desmagnetizar por sobrecalentamiento.
- Dado que la caja de cambios utiliza imanes hechos de materiales de tierras raras, la creación de cajas de cambios dimensionales de este tipo es difícil.
En base a los resultados, hemos formado aplicaciones para cajas de engranajes de este tipo:
- en biología, medicina y otros procedimientos para capturar y mover objetos que requieren un posicionamiento preciso en un lado (lo que se logra por la falta de engranajes de la caja de engranajes) y existe un alto riesgo de daño a los objetos con los que está trabajando el manipulador, por ejemplo, tejidos y órganos humanos (la suavidad del engranaje de salida presente en la caja de engranajes magnética) la protección del rotor y la sobrecarga limitará la fuerza máxima ejercida sobre el artículo que se está operando).
- en dispositivos industriales en los que los motores de alta velocidad (eléctricos o neumáticos) funcionan en espacios confinados, cuyo par debe aumentarse y la velocidad debe reducirse al valor permitido requerido.
- en instrumentos subacuáticos, donde se imponen altas exigencias a los productos de bajo ruido
Por el momento, la prueba de la caja de cambios continúa. Lo probamos en dinámica a diversas cargas y velocidades. Si todo va bien, entonces podemos introducir este desarrollo en un proyecto real.