Loading AI tools
来自维基百科,自由的百科全书
磁性齒輪(英語:Magnetic Gear,簡稱MG)基本上是一個不具有傳統齒輪齒型的傳動裝置,利用磁耦合力相吸相斥達到傳動的目的,稱乎其為磁性齒輪僅僅只是構型相似、傳動目的一致,本質上不隸屬傳統齒輪。在以平行為傳動方式的MG發展快速,與傳統齒輪相比,其不管在傳動效率、傳動比、加工方面都大幅領先,該裝置已經實用在工業界多年,學術界也在持續發展。
此條目包含過多行話或專業術語,可能需要簡化或提出進一步解釋。 (2021年11月2日) |
MG的最早出現於1901年的美國專利[1],不過當時未被重視。雖然1941年Faus提出與傳統齒輪有相似型態的MG[2]後,不過當時市面上僅有鐵氧體,其在磁性齒輪上使用率低並且效能差,發展又逐漸落寞。1980年代後,釹鐵硼磁鐵(NdFeB)的發明雖然再次讓研究開展,不過由於傳動時的扭矩密度仍低,無法應用在工業界,僅停留在學術發展階段。後來有學者於2001年針對共軸式MG(Coaxial-MG,CMG)提出磁場調變(magnetic field modulation )[3]大幅改善扭矩傳送密度低的缺點,甚至證實MG在傳送扭矩密度以及角速度可高達97%的效率[4];此後針對CMG不斷有進一步改善的研究成果出現,並且開始大量出現整合MG於其它裝置中的研究發表,至今為止研究仍然不斷開展。
MG傳動基本上為兩個結構體互相靠着磁耦合力傳動,一般可分為平行軸傳動和共交軸傳動,共交軸傳動的發展首先由1987年Tsurumoto, K.提出內旋(Involute)傳動式MG[5], 該構型上所帶有之磁鐵型態、分佈排列相當複雜,學術界改分析磁鐵排列較簡單的MG,1991年S. Arimoto提出類似這種型態的傳動解析[6]之後陸續有學者對於平行軸傳動發表各式各樣的研究。1993到1994年,垂直傳動型態問世, K. Tsurumoto提出磁性螺旋齒輪(magnetic worm gear)[7],和磁性歪齒輪(magnetic skew gear)[8],不過構型過於複雜難以解析,多數學者仍改投入研究平行軸傳動;但於1996年時,Yao, Y. D.發表磁性斜齒輪(magnetic bevel gear)[9],但學術界多數對於電磁學領域的構裝難有解析解,更別說要解析垂直傳動,故該篇期刊僅採用實驗法驗證,到了2012年,Muruganandam, G.提出改善磁性斜齒輪的扭矩密度之數學模型[10],但使用了許多假設或近似。
由於平行軸傳動MG的發展已逐漸成熟與完備,目前學術界開始有解析共交軸傳動MG的趨勢,最新的研究整合了磁性斜齒輪與磁場調變技術[11],發表在IEEE International Conference,不過尚未將內文公開。
齒輪機構若利用無接觸式傳動機構,將較傳統接觸式齒輪具有下列優點:
一般傳統接觸式耦合齒輪於扭矩大於安全上限時,會產生崩齒現象,將永久破壞齒輪並產生碎屑,影響其他 部分的齒輪耦合,反之磁性齒輪在扭矩過載時將會產生失步現象,使磁極轉動至下一個對 應之磁極並相吸,繼續恢復機械傳動,使機械恢復運作,且具有過載保護的功能。
MG已被大量使用在工業上,隨着其類型的不同,使用面向亦不同,以下舉出當前的應用領域數個:
(1)風力發電機
(2)馬達
(3)混合動力車輛飛輪機構
(4)齒輪箱
(5)無塵室
磁極(又稱磁鐵)數:
磁極展開角:
半徑: R
速比:
傳統機械主動輪方施加扭矩因而能驅動從動輪,當承載扭矩超過結構安全負荷時就會產生崩齒,而MG由於是無接觸式傳動,所以扭矩過大時僅會發生所謂的失步,即AMG空轉,但無法完整帶動PMG的現象,所以不對結構整體造成破壞,因而具有過載保護功能。
至於MG的磁鐵裝配方式、磁鐵總數須為偶數,還有相鄰磁鐵磁化向量方向必須相反,否則會因為磁鐵同性相斥的特性造成無法組裝各個磁鐵成為一個MG。
由於最簡單的MG僅由永久磁鐵構成,所以如何用數學解析磁場便為首要重點。 一般求解磁場的方法主要有四種,皆從馬克士威方程組推廣而來,分別為安培電流模型(Amperian Current Model)、庫倫模型(Coulombian Model)、磁位能法(Magnetic Potential Method)、必歐-沙伐定律(Biot-Savart Law),尤以前兩個最為常用,茲簡介其概念如下:
又稱等效電流法(Equivalent Current Method),其概念為將磁鐵近似成一帶有分佈電流的相同體積大小之模型,即以電學的理論求解磁學問題。
又稱等效電荷法(Equivalent Charge Method),其概念為將磁鐵近似成一帶有分佈電荷的相同體積大小之模型,一樣是以電學的理論求解磁學問題。
附註:不管是哪種方法都不能處理MG擁有厄鐵(或稱為鋼鐵)的情況。
至於在電腦模擬上,一般皆採用以有限元素理論基礎的FEA軟件,例如Maxwell、ANSYS、Flux、Comsol、MagNet...等。
一般選用稀土金屬,除了其磁性強健以外,其物理特性對應到元素周期表的過渡金屬(Tranistion metal)類,滿足解析方式的前兩種方法的初始假設,尤以釹磁鐵(neodymium或簡稱NdFeB)最為常用。
磁鐵的材料特性可由磁滯現象描述,該現象是以曲線來闡述,又稱磁滯曲線(hysteresis loop),橫坐標為磁場強度,縱座標為磁化強度,該曲線上任一點為磁通量密度,若單位系統採用國際單位制,該曲線上任一點可由以下公式描述:
B=(H+M)
其中稱為真空磁導率,其值為4π×10−7 N·A−2。
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.