Neste artigo, falarei sobre a caixa de velocidades magnética desenvolvida por nós. Esta caixa de engrenagens é planejada para ser usada em conjunto com um motor sem escovas. O artigo abordará o possível escopo desta caixa de câmbio, seus prós e contras em comparação com as caixas de câmbio convencionais.
1. Introdução
Motores sem motor sem escova (BLDC) oferecem potência extremamente alta com um tamanho mínimo. Isso é alcançado graças aos poderosos ímãs de terras raras. Ao criar um motor em um fator de forma pequeno, esses motores não têm concorrência.
No entanto, apesar da alta potência, o tamanho pequeno do motor impõe muitas restrições, como: um pequeno momento, altas velocidades de operação, uma pequena área de resfriamento. Essas restrições não permitem que você use todo o potencial do motor. Portanto, por exemplo, um motor de fator de forma 540 (D = 36 mm L = 54 mm) é capaz de fornecer energia acima de um quilowatt com uma eficiência bastante boa, mas isso é possível apenas em velocidades muito altas, quando se torna bastante difícil remover essa energia do motor. No modo nominal, esse motor sem fluxo de ar forçado pode produzir 200-400 watts.
O foco principal da nossa equipe MotoChrome é o design e a criação de motores sem escova. Ao projetar o motor para um dos clientes, acabamos de encontrar os problemas descritos acima. O cliente precisava de um motor de pequeno diâmetro, mas ao mesmo tempo um torque e eficiência bastante altos. Para atender aos requisitos, o motor tinha quase meio metro de comprimento e um diâmetro de 40 mm. O motor acabou por ser bastante caro e muito difícil de montar. Ao mesmo tempo, para atingir os mesmos parâmetros de potência, é possível diminuir o motor três vezes, mas usando uma caixa de velocidades. E no final, essa opção foi escolhida.
Usar uma caixa de velocidades parece ser uma boa solução. Mas com ele existem muitos outros problemas, que não permitem seu uso completo em todos os motores.
- unidade adicional com probabilidade de quebra e vida útil limitada
- aumento nas dimensões gerais;
- aumento do ruído, que pode ser crítico na operação de dispositivos subaquáticos;
- a maioria das caixas de engrenagens mecânicas possui restrições sobre o torque transmitido e a velocidade do eixo no eixo de entrada da caixa de engrenagens, o que, por sua vez, impõe restrições / requisitos adicionais ao motor elétrico.
Ao escolher uma caixa de câmbio, encontramos dois problemas principais. 1) Para que a caixa de engrenagens realize todo o potencial do motor sem escova, ela deve ser comparável em tamanho ao tamanho do motor. Com isso, o motor deixa de ser compacto. 2) A maioria das caixas de engrenagens mecânicas não é capaz de trabalhar em altas velocidades (> 15000 RPM), e estamos interessados em altas velocidades. Apenas 1 ... 2 empresas concordaram em receber um pedido da caixa de câmbio necessária e entregá-la três meses após o recebimento do pagamento. Qual será a sua confiabilidade e durabilidade, ainda precisamos descobrir, no entanto, as dificuldades associadas à busca da caixa de câmbio correta nos fizeram pensar mais sobre esse problema.
Uma boa opção, do nosso ponto de vista, era uma caixa de velocidades magnética. Eles ainda não receberam uso generalizado e não há informações suficientes sobre eles, por isso decidimos aprofundar esse problema e criar a caixa de câmbio por conta própria. Isso nos permitirá elaborar uma abordagem para sua modelagem e calcular seus parâmetros no futuro.
Engrenagem magnética
Decidimos fazer uma caixa de engrenagens magnética de acordo com um esquema comum, que é análogo a uma caixa de engrenagens planetária. Os ímãs no centro são a "engrenagem solar", os ímãs do lado de fora são a "engrenagem circular (epiciclo)", entre os quais os dentes feitos de material magnético macio atuam como "transportadores".
Esse design possui um momento máximo de retenção em um volume mínimo e é adequado à nossa tarefa. Como resultado, projetamos e fabricamos a seguinte amostra.
O diâmetro desta amostra é de 36 mm. A parte de entrada da caixa de engrenagens é feita de acordo com a norma NEMA 17. Em vez do eixo de saída, fizemos uma placa universal, que permite anexar uma carga diferente a ela em trabalhos experimentais, testes e experiências e, se necessário, instalar o eixo, graças ao orifício de montagem da base no centro da placa. A propósito, aplicamos o conceito de montagens universais ao nosso motor Elétron, que estamos preparando para produção e vendas em série na Federação Russa (escreveremos um artigo separado sobre isso).
Os parâmetros da caixa de velocidades resultante foram bastante próximos dos calculados. Tem uma diminuição de 1:10 e é capaz de manter um momento de 0,53 Nm no eixo de saída sob carga estática. Este é um indicador suficientemente bom para tais dimensões. Para comparação, um motor nas mesmas dimensões proporcionará um momento com eficiência abaixo de 50% e um sistema com esta caixa de velocidades terá uma eficiência de 80%.
Além disso, a caixa de velocidades mostrou-se muito suave e silenciosa. Nele, absolutamente nenhum empurrão é sentido durante a rotação, o momento é transmitido com muita suavidade. Essa propriedade determinou o nome que atribuímos à caixa de velocidades - "Mais suave".
Mais alguns rolos com engrenagem
Conclusões
Após o teste inicial, conseguimos identificar as seguintes vantagens de uma engrenagem magnética em comparação com uma mecânica:
- Equipamento magnético silencioso
- Não tenho medo de altas rotações. O elo fraco é apenas os rolamentos, que também limitam o motor.
- Durável Nele, como no motor, não há nada para separar dos rolamentos.
- A caixa de velocidades é capaz de alimentar e manter o momento sem problemas. Por exemplo, se você segurar uma caixa de engrenagens e prender um objeto frágil, um puxão do motor não a destruirá.
- Essa caixa de engrenagens está protegida contra sobrecargas. Se a carga admissível for excedida no eixo da caixa de engrenagens mecânica, as engrenagens nela entrarão em colapso e obstruirão, o que também pode causar danos ao motor ou ao controlador. A engrenagem magnética simplesmente aciona e não quebra, e o motor não para.
Também identificamos uma série de deficiências:
- O torque da caixa de velocidades é limitado pelo volume e força máxima dos ímãs. Uma caixa de engrenagens mecânica é capaz de transmitir um torque muito maior no mesmo volume.
- Os ímãs da caixa de velocidades são sensíveis à temperatura e podem ser desmagnetizados por superaquecimento.
- Como a caixa de engrenagens usa ímãs feitos de materiais de terras raras, a criação de caixas de engrenagens dimensionais desse tipo é difícil.
Com base nos resultados, formamos aplicativos para caixas de velocidades deste tipo:
- em biologia, medicina e outros procedimentos para capturar e mover objetos que exigem posicionamento preciso de um lado (o que é alcançado pela falta de engrenagem da caixa de engrenagens) e há um alto risco de danos aos objetos com os quais o manipulador trabalha, por exemplo, tecidos e órgãos humanos (a suavidade da engrenagem de saída presente na caixa de engrenagens magnética a proteção do rotor e de sobrecarga limitará a força máxima exercida no item em operação).
- em dispositivos industriais nos quais os motores de alta velocidade (elétricos ou pneumáticos) operam em espaços confinados, cujo torque deve ser aumentado e a velocidade reduzida ao valor permitido exigido.
- em instrumentos subaquáticos, onde altas exigências são impostas a produtos com baixo ruído
No momento, o teste da caixa de câmbio continua. Testamos em dinâmica em várias cargas e velocidades. Se tudo correr bem, podemos introduzir esse desenvolvimento em um projeto real.