Dans cet article, je parlerai de la boîte de vitesses magnétique développée par nous. Cette boîte de vitesses devrait être utilisée avec un moteur sans balais. L'article parlera de la portée possible de cette boîte de vitesses, de ses avantages et inconvénients par rapport aux boîtes de vitesses conventionnelles.
Présentation
Les moteurs sans moteur sans balais (BLDC) offrent une puissance extrêmement élevée avec une taille minimale. Ceci est réalisé grâce à de puissants aimants en terre rare. Lors de la création d'un moteur dans un petit facteur de forme, ces moteurs n'ont aucune concurrence.
Cependant, malgré la puissance élevée, la petite taille du moteur lui impose de nombreuses restrictions telles que: un petit moment, des vitesses de fonctionnement élevées, une petite zone de refroidissement. Ces restrictions ne vous permettent pas d'utiliser le plein potentiel du moteur. Ainsi, par exemple, un moteur à facteur de forme 540 (D = 36 mm L = 54 mm) est capable de fournir une puissance supérieure à des kilowatts avec une assez bonne efficacité, mais cela n'est possible qu'à des vitesses très élevées, lorsqu'il devient assez difficile de retirer cette puissance du moteur. En mode nominal, un tel moteur sans flux d'air forcé peut produire 200-400 watts.
L'objectif principal de notre équipe MotoChrome est la conception et la création de moteurs sans balais. Lors de la conception du moteur pour l'un des clients, nous avons rencontré les problèmes décrits ci-dessus. Le client avait besoin d'un moteur de petit diamètre, mais en même temps d'un couple et d'une efficacité assez élevés. Pour répondre aux exigences, le moteur s'est avéré être près d'un demi-mètre de long avec un diamètre de 40 mm. Le moteur s'est avéré assez cher et très difficile à assembler. Dans le même temps, pour obtenir les mêmes paramètres de puissance, il est possible de rendre le moteur 3 fois plus petit, mais en utilisant une boîte de vitesses. Et à la fin, cette option a été choisie.
L'utilisation d'une boîte de vitesses semble être une bonne solution. Mais avec lui, il existe de nombreux autres problèmes, ce qui ne permet pas leur pleine utilisation dans tous les moteurs.
- unité supplémentaire avec une probabilité de rupture et une durée de vie limitée
- augmentation des dimensions globales;
- augmentation du bruit, qui peut être critique dans le fonctionnement des appareils sous-marins;
- la plupart des boîtes de vitesses mécaniques ont des restrictions sur le couple transmis et la vitesse de l'arbre sur l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses, ce qui à son tour impose des restrictions / exigences supplémentaires au moteur électrique.
En choisissant une boîte de vitesses, nous avons rencontré deux problèmes principaux. 1) Pour que la boîte de vitesses réalise le plein potentiel du moteur sans balais, elle doit être comparable en taille à la taille du moteur. Avec lui, le moteur cesse d'être compact. 2) La plupart des boîtes de vitesses mécaniques ne peuvent pas fonctionner à des vitesses élevées (> 15 000 tr / min), et nous nous intéressons aux vitesses élevées. Seules 1 ... 2 entreprises ont accepté de prendre une commande pour la boîte de vitesses requise et de la livrer 3 mois après réception du paiement. Quelle sera sa fiabilité et sa durabilité, nous n'avons pas encore découvert, cependant, les difficultés associées à la recherche de la bonne boîte de vitesses nous ont fait réfléchir davantage à ce problème.
Une bonne option, de notre point de vue, était une boîte de vitesses magnétique. Ils n'ont pas encore été largement utilisés et il n'y a pas suffisamment d'informations à leur sujet, nous avons donc décidé d'approfondir ce problème et de fabriquer nous-mêmes la boîte de vitesses. Cela nous permettra d'élaborer une approche de sa modélisation et de calculer ses paramètres à l'avenir.
Engrenage magnétique
Nous avons décidé de fabriquer une boîte de vitesses magnétique selon un schéma commun, qui est un analogue d'une boîte de vitesses planétaire. Les aimants au centre sont les «engrenages solaires», les aimants à l'extérieur sont les «engrenages annulaires (épicycle)», entre eux les dents en matériau magnétiquement doux servent de «support».
Cette conception a un moment de maintien maximum dans un volume minimum et elle est bien adaptée à notre tâche. En conséquence, nous avons conçu et fabriqué l'échantillon suivant.
Le diamètre de cet échantillon est de 36 mm. La partie d'entrée de la boîte de vitesses est fabriquée selon la norme NEMA 17. Au lieu de l'arbre de sortie, nous avons fabriqué une plaque frontale universelle, qui permet d'y attacher une charge différente lors de travaux expérimentaux, de tests et d'expériences et, si nécessaire, d'installer l'arbre, grâce au trou de montage de base au centre de la plaque frontale. Soit dit en passant, nous avons appliqué le concept de supports universels à notre moteur Electron, que nous préparons pour la production de masse et la vente en Fédération de Russie (nous écrirons un article séparé à ce sujet).
Les paramètres de la boîte de vitesses résultante étaient assez proches de ceux calculés. Il a une diminution de 1:10 et est capable de maintenir un moment de 0,53 Nm sur l'arbre de sortie sous charge statique. C'est un assez bon indicateur pour de telles dimensions. A titre de comparaison, un moteur dans les mêmes dimensions donnera un tel moment avec une efficacité inférieure à 50%, et un système avec cette boîte de vitesses aura une efficacité de 80%.
De plus, la boîte de vitesses s'est avérée très lisse et silencieuse. En cela, aucune secousse n'est ressentie pendant la rotation, le moment est transmis très doucement. Cette propriété a déterminé le nom que nous avons donné à la boîte de vitesses - "Smoother".
Un couple de rouleaux supplémentaires avec du matériel
Conclusions
Après les premiers tests, nous avons pu identifier les avantages suivants d'un engrenage magnétique par rapport à un engrenage mécanique:
- Engrenage magnétique silencieux
- Pas peur des hauts régimes. Le maillon faible n'est que les roulements, ce qui limite également le moteur.
- Durable En elle, comme dans le moteur, il n'y a rien à casser en dehors des roulements.
- La boîte de vitesses est capable d'avancer et de maintenir le moment en douceur. Par exemple, si vous saisissez une telle boîte de vitesses et serrez un objet fragile, une secousse du moteur ne le détruira pas.
- Une telle boîte de vitesses est protégée contre les surcharges. Si la charge admissible est dépassée sur l'arbre de la boîte de vitesses mécanique, les engrenages qui s'y trouvent s'effondrent et se coincent, ce qui peut également endommager le moteur ou le contrôleur. L'engrenage magnétique tournera simplement et ne se cassera pas, et le moteur ne s'arrêtera pas.
Nous avons également identifié un certain nombre de lacunes:
- Le couple de la boîte de vitesses est limité par le volume et la force maximale des aimants. Une boîte de vitesses mécanique est capable de transmettre un couple beaucoup plus important dans le même volume.
- Les aimants de la boîte de vitesses sont sensibles à la température et peuvent être démagnétisés par surchauffe.
- Comme la boîte de vitesses utilise des aimants en matériaux de terres rares, la création de boîtes de vitesses dimensionnelles de ce type est difficile.
Sur la base des résultats, nous avons formé des applications pour les boîtes de vitesses de ce type:
- en biologie, médecine et autres procédures pour capturer et déplacer des objets qui nécessitent un positionnement précis sur un côté (ce qui est obtenu par l'inertie de la boîte de vitesses) et il existe un risque élevé de dommages aux objets avec lesquels le manipulateur travaille, par exemple, les tissus et organes humains (la douceur de l'équipement de sortie présent dans la boîte de vitesses magnétique le rotor et la protection contre les surcharges limiteront la force maximale exercée sur l'élément utilisé).
- dans les dispositifs industriels dans lesquels des moteurs à grande vitesse (électriques ou pneumatiques) fonctionnent dans des espaces confinés, dont le couple doit être augmenté et la vitesse réduite à la valeur autorisée requise.
- dans les instruments sous-marins, où des exigences élevées sont imposées aux produits à faible bruit
Pour le moment, les tests de la boîte de vitesses se poursuivent. Nous le testons en dynamique à différentes charges et vitesses. Si tout se passe bien, alors nous pouvons introduire ce développement dans un vrai projet.