問題の説明
このアプリケーション ノートでは、平行軸を持つ 2 つの外部磁気ギア システムについて説明します [1]、[2]。分析された磁気ギアは、ラジアル永久磁石と平行六面体永久磁石の 2 つの異なる形状で構成されています。これらの両方の PM ギアは、外部機械ギア セットに類似しています。通常、磁気ギア機構は、いくつかの交互の磁極、磁気ヨーク、および非磁気シャフトで構成されています。鉄のヨークは、磁束を磁極に戻すために使用されます。磁場は、2 つの磁気ギア セットの間でエアギャップを介して駆動されます。各セットのヨークと永久磁石の間に閉じた磁束ループが形成されます。
例 1 - ラジアル PM ギア [1]
下の図は、最初に検討された磁気ギアシステムを示しています。 2D モデルは SOLIDWORKS を使用して作成され、シミュレーションは EMWorks2D を使用して行われました。磁束とトルクの結果は、さまざまな角度とエア ギャップ長に対して計算されます。
伝達されるトルク波形の周期は、次の式 360/n (n は極対の数) を使用して計算された 60 度です。同軸磁気ギアシステムとは異なり、トルク伝達は最も近い磁石間の相互作用によって実現されます。換言すれば、２つの磁石アレイのうち、非接触トルク伝達に寄与する磁石はほんのわずかである。駆動ギアが被駆動ギアのマグネット アークの半分に面したときに、最大伝達トルクに達します。これは、図 2a)、2b)、および 2c) で説明できます。これらには、それぞれ角度 0、15、および 45 度の磁力線を重ね合わせた磁束のプロットが含まれています。両方の画像で、磁束ループは、1 つのギアの極から 2 番目のギアの極まで空気を横切って移動し、鉄のヨークを通って再び空気を横切る磁場を示しています。図 2a) は、駆動歯車セットが従動歯車セットの半円弧磁石に接触する位置を表しています。この位置では、磁化の異なる 3 つの極が部分的に重なり合っています (2 つの南極と 1 つの北極、または 2 つの北極と 1 つの南極)。したがって、伝達される力は最大値になります。
図 2b) と 2c) は、同じ極性と反対の極性を持つギアの極が互いに完全に向き合っているときの磁場のプロットを示しています。したがって、作成される力はこれらの位置で非常に低くなります。
(a)
(ロ)
図 2 -異なる位置での磁束密度、a) 0 度、b) 15 度、c) 45 度
図 3 は、解釈を確認します。検討した外付け磁気歯車のトルク波形を示しています。トルクは、駆動歯車が回転し、被駆動歯車が 1 サイクル (60 度) 静止しているときに計算されます。得られたトルクの曲線は、角度 0、30、および 60 度で 1.405 Nm の 3 つの同一のピークを表し、角度 15 および 45 度でゼロを横切ります。その後、両方の歯車セットが反対方向に移動します。
図 4 には、駆動ギアと従動ギアの両方の合成トルクが含まれています。このシステムのギア比は 1:1 です。トルクの挙動は、大きさが制限されたリップルがほとんどないという特徴があります。伝達されるトルクの平均値は 1.395 Nm です。トルク リップルは極対数を増やすことで減らすことができます。
伝達される最大トルクは、極対の数、磁石の厚さ、空隙の長さなどのいくつかの要因によって異なります。それぞれ。図 5a) では、電界はエアギャップ (0.5mm) 領域で高くなっています。ギアセット間の磁束ループは強い連続性を示しています。これらのループは減少し始め、図 5b) に示すようにエアギャップが 1.5 mm になると電界が低くなります。図 5c) は、ほとんどの磁束が同じギア セットの極の周りを循環しており、エアギャップの磁気抵抗が大きいため、2 番目のギア部分には到達していないことを示しています。この磁気抵抗は、エアギャップの長さとともに増加します。
(a)
(ロ)
(c)
図 5 -異なるエアギャップでの磁束の結果、a) 0.5 mm、b) 1.5 mm、c) 5 mm
図 6 は、さまざまなエアギャップ距離での最大トルク値を示しています。 1.5mm では約 1.40Nm、4mm では約 0.7Nm です。
例 2: 平行六面体 PM ギア [2]
シミュレートされた 2 番目の例 (図 7 を参照) は、平行六面体の磁石形状を持つ磁気ギア モデルです。各ギア セットには、鉄のヨークを備えた 6 つのネオジム ポール ペアがあります。歯車の半径に比べて磁石の幅が小さいため、歯車の磁極は放射状に磁化されていると見なすことができます。
図 8a) と 8b) は、それぞれ磁束密度と磁気ベクトル ポテンシャルのプロットを示しています。これらのプロットは、磁気ギアが最大伝達トルクの位置 (15 度) にあるときにキャプチャされます。整列した極の位置は 0 度と 30 度です。図 9a) と 9b) は、磁束と磁気ベクトル ポテンシャルのプロットを連続して表したものです。この位置は、ギア極の反対方向の保磁力によって特徴付けられます。したがって、トルクはこの位置でゼロであり、駆動ギアの極が完全で同じ極性の被駆動ギアの極に出会うときと同様です。
1 つのギア セットが回転し、2 つ目のギア セットが一定に保たれている場合に計算された伝達トルクを図 10 に示します。トルクのピーク値は約 2.8 4Nm で、15 度に達します。図 11 には、両方のギアが動いているときのトルクのプロットが含まれています。周期30度の正弦波です。
図 12 は、5 極対と 6 極対で作成された磁気ギア モデルの場合のエアギャップ長に対するトルクの変化を示しています。どちらの構成でも、最大伝達トルクは最小の空隙距離で達成されます。 5 極対と 6 極対の磁気ギアでは、それぞれ約 2.84Nm と 2.7Nm です。さらに、6 極対の磁気ギアは、5 極対の場合よりも高いトルクを発生すると結論付けることができます。
図 12 -トルク結果と空隙距離
結論
このアプリケーション ノートでは、外部磁気ギアの 2 つの異なる構成を調べるために EMWorks2D を使用しました。磁束とトルクの結果は、角度とエアギャップの長さの両方に対して計算されました。参考文献と比較して、EMWORKS 2D ソフトウェアによって結果の優れた一致が達成されました。
参考文献
[1]: Yi-Chang Wu and Bo-Syuan Jian. Finite-Element Analysis of the Magnetic Field in a Magnetic Gear. Applied Mechanics and Materials Vols. 479-480 (2014) pp 230-233
Mechanism. 1 Mar. 2015, Applied Mathematics & Information Sciences
[2]: Yi-Chang Wu and Chih-Wen Wang. Transmitted Torque Analysis of a Magnetic Gear Mechanism with Rectangular Magnets. 1 Mar. 2015, Applied Mathematics & Information Sciences
