Przek adnie magnetyczne nowa jakoêç w transmisji momentu obrotowego

Przek adnie magnetyczne nowa jakoêç w transmisji momentu obrotowego Magnetic gear new quality in torque transmission ARKADIUSZ M YK ARKADIUSZ TOMAS Streszczenie W artykule podj to tematyk przek adni magnetycznych. Przedstawiono kierunki Êwiatowych badaƒ. Podj to prób klasyfikacji znanych rozwiàzaƒ przek adni magnetycznych. WyjaÊniono poj cie g stoêci momentu obrotowego, wykorzystywane jako parametr opisujàcy przek adnie magnetyczne. Scharakteryzowano rozwiàzania przek adni magnetycznych, w tym ich wady i zalety. Przedstawiono koncepcj indukcyjnego przemiennika momentu obrotowego. Omówiono plan badaƒ oraz zaprezentowano projekt stanowiska badawczego. S owa kluczowe magnetyzm, przemiennik momentu, indukcja. Abstract The problem of magnetic gears is the paper subject. Directions of world research studies are presented. An attempt as regards classification of existing designs of magnetic gears has been undertaken. The idea of torque density, which is used as a parameter describing magnetic gears, is explained. Solutions of magnetic gears designs, their advantages and disadvantages are characterized. Concept of inductive torque converter is presented. Schedule of tests is described and design of test stand is presented. Keywords magnetism, torque converter, induction Przek adnie magnetyczne sà mechanizmami, w których za transmisj momentu obrotowego odpowiadajà si y oddzia ywaƒ magnetycznych. Pierwsze koncepcje przek adni magnetycznych opracowano na poczàtku ubieg ego wieku [1]. Stosowanie magnesów ferrytowych powoduje jednak, e przek adnie magnetyczne w porównaniu z innymi rodzajami przek adni, np. z batymi, przenoszà niewielkie momenty obrotowe. Zastosowanie magnesów nowej generacji, opartych na neodymie, umo liwia przenoszenie wi kszych momentów obrotowych (tab. II). Zwiàzek mi dzymetaliczny Nd 2 B, majàcy szerokà p tl histerezy magnetycznej, jest wykorzystywany w strukturze magnesów neodymowych (rys. 1) [2]. Termin magnes neodymowy u ywany jest w odniesieniu do magnesów spiekanych (otrzymywanych metodami metalurgii proszków). Istniejà tak e magnesy neodymowe wiàzane, w których magnetyczny proszek Nd 2 B spajany jest tworzywem sztucznym. TABELA I. Porównanie w asnoêci magnesu ferrytowego z neodymowym [3] W asnoêci magnetyczne materia u ferryt F30 neodym N38 G stoêç energii magnetycznej (BH) max min. 26 kj/m 3 286 302 kj/m 3 Temperatura pracy * <250 C <80 C Temperatura Curie ** ~450 C ~310 C Wspó czynnik temperaturowy remanencji TK(B r ) -0,19%/ C -0,12%/ C Wspó czynnik temperaturowy koercji TK(H cj ) -0,40%/ C -0,6%/ C * powy ej materia stopniowo traci w aêciwoêci magnetyczne ** temperatura gwa townej utraty w asnoêci magnetycznych Rys. 1. Nd 2 B zwiàzek mi dzymetaliczny b dàcy podstawowym elementem struktury magnesów neodymowych [2]. Prof. dr hab. in. Arkadiusz M yk Wydzia Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Âlàska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice e-mail arkadiusz.mezyk@polsl.pl; mgr in. Arkadiusz Tomas Zak ad Systemów Przeróbczych, Instytut Techniki Górniczej KOMAG, ul. Pszczyƒska 37, 44-101 Gliwice e-mail atomas@komag.eu W tab. I pokazano porównanie wybranych w asnoêci spieku neodymu N38 z ferrytem F30. Charakterystyczna dla spieku neodymu jest wi ksza g stoêç energii magnetycznej (BH) max, od której zale y si a oddzia ywania magnesu [4]. Przek adnie magnetyczne Kierunki prowadzonych prac badawczych We wspó czesnej technice przenoszenie momentu obrotowego realizowane jest g ównie przez przek adnie mechaniczne, pneumatyczne, hydrauliczne, hydrostatyczne, hydrokinetyczne. Uk ady z przek ad- 40

niami mechanicznymi wymagajà stosowania sprz gie, o funkcji zabezpieczenia przecià eniowego oraz przejmujàcego ewentualne udary. Przek adnie z bate wymagajà dodatkowo smarowania. Stosowanie Êrodków smarnych i olejów stwarza koniecznoêç ich utylizacji po zakoƒczeniu eksploatacji. Stosowanie przek adni hydrostatycznych i hydrokinetycznych, o skomplikowanej budowie i ni szej sprawnoêci [5, 6], stwarza równie problemy z utylizacjà zu ytego medium. Zastosowanie przek adni magnetycznych i elektromagnetycznych eliminuje wymienione problemy [7 13]. Analiza dost pnej literatury wykazuje, e oddzia ywania magnetyczne wykorzystywane sà na szerokà skal do przeniesienia momentu obrotowego, g ównie w sprz g ach magnetycznych i elektromagnetycznych oraz w hamulcach. Kierunki prowadzonych na Êwiecie prac nad wykorzystaniem oddzia ywaƒ magnetycznych do przeniesienia momentu obrotowego koncentrujà si g ównie na wykorzystaniu magnesów trwa ych i na oddzia- ywaniu pomi dzy nimi [7 13]. Na rys. 2 pokazano przyk ad przek adni magnetycznej wraz z rozk adem pól magnetycznych. Prace dotyczàce przek adni wykorzystujàcych zjawisko indukcji sà nieliczne. Rys. 2. Przyk adowa przek adnia magnetyczna z ferromagnetycznymi pr tami [7, 8] W Polsce przeprowadzono badania nad przemiennikiem wed ug patentu GB2287585A. W pracy okreêlono sprawnoêç oraz rozk ad strat [14]. Analiza dotychczas prowadzonych prac sk ania do stwierdzenia, e przek adnie magnetyczne i elektromagnetyczne cechujà si nast pujàcymi zaletami brak fizycznego kontaktu pomi dzy wspó pracujàcymi elementami, a wi c brak tarcia i wytwarzania zwiàzanego z tarciem ciep a, zdolnoêç do samoczynnego roz àczenia w przypadku przecià enia przek adni, brak Êciernego zu ycia elementów, cicha praca. Do wad znanych przek adni magnetycznych i elektromagnetycznych mo na zaliczyç sinusoidalnà charakterystyk przenoszonego momentu obrotowego [8, 10], co powoduje nierównomiernà prac, szczególnie przy niskich pr dkoêciach obrotowych, koniecznoêç dodatkowego zasilania w przek adniach elektromagnetycznych, wykorzystanie do przenoszenia momentu tylko cz Êci zastosowanych magnesów [8, 10, 12], wyst powanie zjawiska martwego pola i kàta przesuni cia fazowego [4]. Uwzgl dniajàc wymienione wady i zalety zdecydowano, e ze wzgl du na zabezpieczenie przed przecià eniami i udarami, jako uk ady odniesienia w prowadzonych w ITG KOMAG pracach badawczych b dà brane pod uwag istniejàce rozwiàzania hydraulicznych przemienników momentu obrotowego oraz przek adni magnetycznych i elektromagnetycznych. Propozycja podzia u przek adni magnetycznych Analizujàc znane rozwiàzania, zaproponowano podzia przek adni magnetycznych ze wzgl du na nast pujàce kryteria 1. Sposób przeniesienia momentu obrotowego elektromagnetyczne zasilane bez zasilania z magnesami trwa ymi (nazywane magnetycznymi, ang. magnetic gear) z elementem poêrednim bezpoêrednie 2. Wzajemne u o enie osi ko a nap dzajàcego i nap dzanego wspó osiowe cykloidalna planetarna z ko ami satelitarnymi z wirujàcym polem harmoniczna niewspó osiowe o osiach równoleg ych promieniowa czo owa koncentryczna o osiach nierównoleg ych Êlimakowa kàtowa W literaturze wyst puje równie przek adnia koncentryczna [9], jako przek adnia z wieƒcem z magnesami skierowanymi do wewnàtrz oraz ko em poruszajàcym si po wieƒcu. Przek adnia czo owa (ang. magnetic spur gear) jest odpowiednikiem przek adni z batej czo owej, z odst pami pomi dzy magnesami, natomiast przek adnia promieniowa (ang. magnetic radial gear) zbli ona jest do przek adni ciernej (za o ono, e czynna jest ca a powierzchnia na obwodach kó ) [9]. Przek adnie Êlimakowa i promieniowa sà jak dotàd analizowane tylko teoretycznie, ze wzgl du na brak mo liwoêci wymaganego u o enia biegunów magnetycznych. 3. Wed ug w asnoêci kinematycznych o sta ym prze o eniu o zmiennym prze o eniu G stoêç momentu obrotowego Jako kryterium porównawcze dla przek adni magnetycznych przyj to g stoêç momentu obrotowego (torque density) [9], definiowanà jako stosunek maksymalnego momentu, jaki przenosi przek adnia, do jej obj toêci [15]. G stoêç momentu obrotowego wynosi od 2 Nm/dm 3, dla magnetycznej przek adni Êlimakowej, do 140 180 Nm/dm 3 dla magnetycznej prze- 41

TABELA II. Porównanie g stoêci momentu obrotowego dla ró nych przek adni magnetycznych [9] G stoêç Lp. Typ przek adni magnetycznej momentu obrotowego, Nm/dm 3 1 Magnetyczna przek adnia Êlimakowa 2 2 Magnetyczna przek adnia kàtowa 5 3 Magnetyczna przek adnia promieniowa 7 4 Magnetyczna przek adnia czo owa 10 20 5 Magnetyczna przek adnia cykloidalna 2-stopniowa wysokie prze o enie 75 6 Magnetyczna przek adnia planetarna 45 90 7 Magnetyczna przek adnia koncentryczna 70 100 8 Magnetyczna przek adnia harmoniczna 110 9 Magnetyczna przek adnia cykloidalna 140 180 k adni cykloidalnej. W tab. II podano przyk ady przek adni magnetycznych, wraz z wartoêciami uzyskiwanej dla nich g stoêci momentu obrotowego [9]. Indukcyjny przemiennik momentu Indukcyjny przemiennik momentu jest urzàdzeniem majàcym za zadanie przekazanie momentu obrotowego ze êród a (nap du) do odbiornika, z jednoczesnà zmianà parametrów ruchu, takich jak pr dkoêç obrotowa czy moment obrotowy. Urzàdzenie ma zmienne prze o enie kinematyczne i dynamiczne. Wzajemne oddzia ywanie wejêcia i wyjêcia przemiennika momentu obrotowego, oparte na si ach magnetycznych i zjawisku indukcji elektromagnetycznej, skutkuje przeniesieniem momentu obrotowego, z mo liwoêcià dostosowania pr dkoêci obrotowej wyjêciowej wzgl dem wejêciowej, pod wp ywem zmiany obcià enia. Podczas ruchu obrotowego wirnika wejêciowego jego elementy przewodzàce przecinajà zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy wirnika poêredniego. W elementach przewodzàcych indukowany jest pràd i generowana si a elektrodynamiczna, powstaje pole magnetyczne. Oddzia ywanie pola klatki indukcyjnej i wirnika poêredniego skutkuje powstaniem momentu elektromagnetycznego i ruchem obrotowym wirnika poêredniego. Wirujàce magnesy wirnika poêredniego i wytwarzane przez nie pole magnetyczne przecinajà elementy przewodzàce wirnika wyjêciowego, skutkujàc indukowaniem w nich pràdu oraz si y elektrodynamicznej i pola magnetycznego. Oddzia ywanie pola wirnika poêredniego skutkuje powstaniem momentu obrotowego i ruchem wirnika wyjêciowego. Wirnik poêredni obraca si wzgl dem wejêciowego z poêlizgiem s 1 s 1 = (n 1 n)/n 1 (1) gdzie n 1 to pr dkoêç obrotowa wirnika wejêciowego, n to pr dkoêç obrotowa wirnika poêredniego. Wirnik wyjêciowy obraca si wzgl dem poêredniego z poêlizgiem s 2 s 2 = (n n 2 )/n (2) gdzie n 2 to pr dkoêç obrotowa wirnika wyjêciowego. Ca kowity poêlizg s wynosi zaê pr dkoêç wyjêciowa n 2 Prze o enie i s = s 1 s 2 (3) n 2 = n 1 s (4) i = n 1 /n 2 = 1/s (5) Rys. 3. U o enie wirników w wariantach proponowanego przemiennika momentu Koncepcja przemiennika Koncepcj opracowanego w ITG KOMAG indukcyjnego przemiennika momentu pokazano schematycznie na rys. 3. Sk ada si on z wirnika wejêciowego 1, wirnika poêredniego 2 i wirnika wyjêciowego 3. Wirnik wejêciowy, po àczony ze êród em nap du, ma postaç klatki indukcyjnej. Wirnik poêredni ma u o one naprzemiennie biegunami na obwodzie magnesy trwa e. Mo e on obracaç si swobodnie wokó w asnej osi. Wirnik wyjêciowy, po àczony z odbiornikiem, ma równie postaç klatki indukcyjnej. Mo liwe sà ró ne warianty rozwiàzaƒ przemiennika wirniki wejêciowy i wyjêciowy majà obwody z magnesów trwa ych, u o onych naprzemiennie biegunami, zaê wirnik poêredni jest klatkà indukcyjnà, wirnik poêredni ma dwa obwody z magnesów trwa ych, u o onych naprzemiennie biegunami. W tej konfiguracji mo liwe jest uzyskanie wi kszych wartoêci prze o enia. przemiennik sk ada si z wirnika wejêciowego i wyjêciowego, gdzie wirnik wejêciowy ma postaç 42

klatki indukcyjnej, zaê wirnik wyjêciowy ma magnesy trwa e u o one na obwodzie naprzemiennie biegunami. Postaç t cechuje najprostsza budowa, wirnik wejêciowy ma na obwodzie magnesy trwa e u o one naprzemiennie biegunami, zaê wirnik wyjêciowy jest klatkà indukcyjnà. Ruch obrotowy wirnika poêredniego mo e byç regulowany przez zewn trzny uk ad regulacyjny. Umo liwi to zmian parametrów przemiennika, takich jak przenoszony moment i prze o enie. Ruch obrotowy wirnika poêredniego mo e byç zablokowany. W rozwiàzaniu konstrukcyjnym z wirnikiem poêrednim, w postaci obwodu magnesów trwa ych, mo liwe jest zatrzymanie przek adni, bez koniecznoêci od àczania nap du. W realizacji z wirnikiem poêrednim w postaci klatki indukcyjnej, mo liwa jest zmiana parametrów przek adni, takich jak przenoszony moment obrotowy i prze o enie. Na rys. 4 pokazano model trójwymiarowy przemiennika. wodów, takich jak np. u o enie magnesów, wzajemne u o enie biegunów, rodzaj i kszta t elementu po- Êredniczàcego, na wartoêç przenoszonego momentu obrotowego, prze o enie przek adni i jej sprawnoêç. Osiàgni cie tego celu wymaga przeprowadzenia analizy w aêciwoêci magnesów trwa ych, rodzaju i kszta tu elementu poêredniczàcego oraz wykonania badaƒ stanowiskowych fizycznych modeli uk adów magnetycznych, aby wyznaczyç wartoêci przenoszonego momentu obrotowego, prze o enia pr dkoêci obrotowej zale nej od przenoszonego momentu obrotowego oraz sprawnoêci przek adni. Rozpoznania teoretycznego wymaga równie okreêlenie zdolnoêci uk adów do nieprzenoszenia momentu, w przypadku wystàpienia przecià enia oraz zdolnoêci do samoczynnego zasprz glenia, w przypadku spadku wartoêci momentu obcià enia poni ej wartoêci przecià ajàcej. Rys. 4. Model trójwymiarowy przemiennika Charakterystyka zale noêci momentu obrotowego silnika klatkowego od pr dkoêci obrotowej pozwala postawiç tez, e w okreêlonych warunkach, uk ad zbli ony do znanego z silnika indukcyjnego mo e s u yç do przeniesienia momentu obrotowego, z jednoczesnà zmianà pr dkoêci obrotowej (jak ma to miejsce w przek adniach mechanicznych). W przypadku charakterystyki silnika klatkowego stabilna praca przek adni jest mo liwa od wartoêci poêlizgu krytycznego do s = 0. W przypadku, gdy moment obcià enia zwi kszy si powy ej wartoêci momentu krytycznego, praca przejdzie do zakresu niestabilnego i po àczenie zostanie zerwane. Istnieje wówczas niebezpieczeƒstwo przegrzania przek adni. Charakterystyki pracy mogà byç modyfikowane przez zmian obwodu magnetycznego elementu poêredniego, lub te przez zastosowanie wirnika z magnesów jako elementu poêredniego pomi dzy dwoma klatkami. Zak ada si, e praca przek adni, w stanie stabilnym, odbywaç si b dzie w zakresie od poêlizgu krytycznego, do poêlizgu s = 0. Na rys. 5 pokazano przyk adowy kszta t charakterystyki silnika klatkowego, z zaznaczonymi charakterystycznymi punktami pracy [16 18]. Zakres proponowanych badaƒ G ównym celem poznawczym badaƒ jest okreêlenie wp ywu cech uk adów magnetycznych i magneto- Rys. 5. Przyk adowa charakterystyka silnika klatkowego [16 18] Celem utylitarnym badaƒ jest wybór uk adu magnetycznego i magnetowodu przeznaczonego do budowy modelu fizycznego przek adni magnetycznej, przeznaczonej do stosowania w uk adach mechanicznych, w aspekcie przenoszonej mocy uk adu mechanicznego. Stanowisko badawcze Do przeprowadzenia badaƒ zaprojektowano stanowisko badawcze, które pokazano na rys. 6. Sk ada si ono ze sto u strony nap dzajàcej 1, sto u strony nap dzanej 2 oraz sto u pomiarowego 3. Na stole 1 43

Podsumowanie Znaczàcy post p w rozwoju materia ów magnetycznych, takich jak spieki neodymu, umo liwi projektowanie silników elektrycznych z magnesami trwa ymi oraz wdro enie na szerokà skal sprz gie magnetycznych. W ciàgu ostatnich lat zintensyfikowano prace nad przek adniami magnetycznymi. Do rozwiàzania pozostaje jednak wiele problemów wymagajàcych badaƒ, tworzenia nowych koncepcji, jak i weryfikacji dotychczasowych rozwiàzaƒ. Potencjalne korzyêci wynikajàce ze znanych ju cech badanych konstrukcji, obok potrzeby podnoszenia i uzupe niania wiedzy, uzasadniajà potrzeb podj cia dalszych prac. Rys. 6. Budowa stanowiska do symulacji i badania uk adów magnetycznych przeznaczonych do przeniesienia momentu obrotowego [4] zamocowano motoreduktor 4, nap dzajàcy wa 5. Na stole strony nap dzanej u o yskowany jest wa II 6, z zamocowanym ramieniem 7, które opiera si na przetworniku si y 8. Takie rozwiàzanie przewidziano do prób statycznych. Do przeprowadzenia badaƒ dynamicznych przewidziano zainstalowanie na wale II uk adu obcià ajàcego, w postaci hamulca oraz dodatkowego enkodera. Rys. 7. Mo liwe konfiguracje stanowiska do symulacji i badania uk adów magnetycznych N strona nap dzajàca, O strona odbierajàca, P cz Êç pomiarowa [3] Stanowisko umo liwia zestawienie trzech konfiguracji (rys. 7). W pierwszej osie wa ów mogà si pokrywaç lub byç przesuni te w zakresie +/- 10 mm w p aszczyênie poziomej. W drugiej osie sà do siebie prostopad e. W trzeciej osie sà równoleg e. W celu minimalizacji zak óceƒ pola magnetycznego, wa y, oprawy o ysk i p yty sà wykonane ze stali niemagnetycznej. Sto y wykonane sà z profili aluminiowych, a p yty sto ów z aluminium. Zastosowane Êruby, podk adki i nakr tki wykonane sà równie ze stali nierdzewnej. Na stanowisku mo liwe sà do przeprowadzenia badania modeli przemiennika momentu, uk adów magnetycznych przeznaczonych do sprz gie oraz przek adni magnetycznych wspó osiowych i o osiach równoleg ych. Badania ukierunkowane b dà na okreêlenie wartoêci przenoszonego momentu oraz jego zmian w czasie, sprawnoêci, przesuni cia fazowego, wp ywu zak óceƒ pola magnetycznego na prac uk adów. LITERATURA 1. US Patent No 687,292. Power transmitting device, 1901. 2. Trout S. R. Permanent magnets based on the lanthanides. Raw Materials, Processing and Properties via www.spontaneousmaterials.com/papers/koreapaper.pdf. 3. Tomas A., Matusiak P., Bal M. E-BG/12497 Nowe rozwiàzanie sprz g a magnetycznego przecià eniowego zmienno-obrotowego. Praca badawcza KOMAG, 2011. 4. Soiƒski M. Materia y magnetyczne w technice. Biblioteka COSIW SEP, Warszawa 2001. 5. Szydelski Z. Pojazdy samochodowe. Nap d i sterowanie hydrauliczne. WKi, Warszawa 1999. 6. Szydelski Z. Sprz g a i przek adnie hydrokinetyczne teoria, konstrukcja i eksploatacja. Wydaw. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973. 7. Atallah K., Calverley S.D., Howe D. Design, analysis and realization of a high-performance magnetic gear. IEE Proceedings-Electric Power Application, Vol. 151, No. 2, March 2004. 8. Lubin T., Mezani S., Rezzoug A. Analytical computation of the magnetic field distribution in a magnetic gear. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, No. 7, July 2010. 9. Hatch G. P. Recent Developments In Permanent Magnet Gear Systems & Machines, Magnetics 2010 Conference, Lake Buena Vista, Florida, USA, Luty 2010 via terramagnetica.com 10. Huang C., Tsai M., Dorrell D., Lin B. Development of a Magnetic Planetary Gearbox. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 3, March 2008. 11. Huang J., Wang D., Zhang D. The Torque Characteristic Analysis and Simulation on Electromagnetic Gear. Energy Procedia 17, 2012 via www.sciencedirect.com. 12. Percebon L. A., Ferraz R., Ferreira da Luz M.V. Modeling of a Magnetic Gear Considering Rotor Eccentricity. IEEE International Electric Machines & Drives Conference 2011, Niagara Falls, Kanada. 13. Surtmann R., Welss H. Electromagnetic step able variation gear with clutch function. 7th International Conference APEIE-2004. Nowosybirsk, Rosja. 14. Walecki K. Analiza elektromechanicznego przetwornika momentu i pr dkoêci obrotowej. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Nap dów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wroc awskiej, Nr 66, Studia i Materia y nr 32, Zagadnienia maszyn, nap dów i pomiarów elektrycznych, Wroc aw 2012. 15. http//en.wikipedia.org/wiki/torque_density. 16. Glinka T. Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwa ymi. Wydawnictwo Politechniki Âlàskiej, Gliwice 2002. 17. Plamitzer A. M. Maszyny elektryczne. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1982. 18. http//silnikielektryczne.prv.pl/html/asynchroniczne.html. 44