Розглянуто принцип дії, конструкцію та особливості розрахунку магнітних моментів безконтактного одноступеневого магнітного редуктора, що відрізняється від механічних зубчастих передач необмеженим ресурсом, високим рівнем надійності та відсутністю потреби в обслуговуванні.
Метою дослідження є розроблення алгоритму розрахунку величини магнітних моментів магнітного редуктора коаксіального типу.
Методи дослідження, які застосовують для досягнення поставленої мети, поєднують у собі переваги аналітичних підходів та числового симуляційного моделювання. Розроблення алгоритму обчислення моментів та аналіз отриманих технічних показників здійснено на підставі методів класичної електротехніки та теорії магнітних кіл, а верифікацію прийнятих рішень, пов’язаних зі структурою заступної схеми магнітного кола редуктора, виконано за допомогою методу скінченних елементів.
Розроблений алгоритм ґрунтується на припущенні про взаємодію двох гармонічних хвиль магніторушійних сил швидкохідної та тихохідної обертових частин редуктора з результуючим магнітним полем, модульованим за амплітудою за допомогою магнітопровідного кільця зі змінною магнітною провідністю у тангенціальному напрямі.
Інтегральні показники такої взаємодії, зокрема магнітні моменти, визначаються через похідну енергії магнітного поля за кутом повороту відповідного ротора.
Виконаний FEM-аналіз магнітного поля дав змогу розробити заступну схему магнітного кола такого редуктора, параметри якої визначаються на підставі розмірів частин магнітопроводу та магнітних властивостей використаних матеріалів. Розв’язок системи лінійних рівнянь, які описують цю заступну схему, – це величини, що характеризують магнітне поле редуктора (магнітні потоки, МРС полюсів, спади магнітних напруг). Саме їх безпосередньо використовують у алгоритмі розрахунку магнітних моментів.
У статті описано конструкцію та принцип дії магнітного редуктора коаксіального типу. Наведено порівняння результатів розрахунку максимальних моментів таких редукторів з різним передавальним числом, отриманих із використанням пропонованого аналітичного алгоритму та FEM-аналізу.
- Atallah K., Howe D. A novel high-performance magnetic gear, IEEE Transactions on Magnetics, 2001, Vol. 37, No. 4, pp. 2844-2846.
https://doi.org/10.1109/20.951324 - Atallah K., Calverley S. D., & Howe D. Design, analysis and realisation of a high-performance magnetic gear. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 2004, Vol. 151(2), pp. 135-143.
https://doi.org/10.1049/ip-epa:20040224 - Niguchi N., Hirata K., Muramatsu M., & Hayakawa Y. Transmission torque characteristics in a magnetic gear. In The XIX International Conference on Electrical Machines-ICEM (IEEE) 2010, pp. 1-6.
https://doi.org/10.1109/ICELMACH.2010.5608143 - Wu Y. C., & Jian B. S. Magnetic field analysis of a coaxial magnetic gear mechanism by two-dimensional equivalent magnetic circuit network method and finite-element method. Applied Mathematical Modelling, 2015, 39(19), pp. 5746-5758.
https://doi.org/10.1016/j.apm.2014.11.058 - Jian L., & Chau K. T. Analytical calculation of magnetic field distribution in coaxial magnetic gears. Progress In Electromagnetics Research, 2009, 92, pp. 1-16.
https://doi.org/10.2528/PIER09032301 - Tallerico T. F., Scheidler J. J., & Cameron Z. A. Electromagnetic mass and efficiency of magnetic gears for electrified aircraft. In 2019 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS),( IEEE), 2019, pp. 1-25.
https://doi.org/10.2514/6.2019-4475 - Jian L., Chau K. T., Gong Y., Jiang J. Z., Yu C., & Li W. Comparison of coaxial magnetic gears with different topologies. IEEE Transactions on magnetics, 2009, Vol. 45(10), pp. 4526-4529.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2009.2021662 - Penzkofer A., & Atallah K. Magnetic gears for high torque applications. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, Vol. 50(11), pp. 1-4.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2328093 - Gardner M. C., Jack B. E., Johnson, M., & Toliyat, H. A. Comparison of surface mounted permanent magnet coaxial radial flux magnetic gears independently optimized for volume, cost, and mass. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, Vol. 54(3), pp. 2237-2245.
https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2803039 - Aiso K., Akatsu K., & Aoyama Y. A novel reluctance magnetic gear for high-speed motor. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, Vol. 55(3), pp. 2690-2699.
https://doi.org/10.1109/TIA.2019.2900205