Engranajes magnéticos para aplicaciones industriales y automotrices
Por: Marco Villani para https://www.electricmotorengineering.com
Los engranajes mecánicos se utilizan ampliamente para el cambio de velocidad y la transmisión de par, para hacer coincidir la velocidad de funcionamiento de los motores primarios con los requisitos de sus cargas, ya que generalmente es más efectivo para el costo y el peso emplear una máquina eléctrica de alta velocidad junto con una caja de cambios para transformar la velocidad y el par.
Los engranajes mecánicos (figura 1) se utilizan en varias aplicaciones industriales, automotrices y aeroespaciales. Aunque la densidad de par de los engranajes mecánicos es bastante alta, tienen factores negativos en relación con:
Lubricación
Mantenimiento regular
Enfriamiento
Ruido
La lubricación es esencial para el funcionamiento de los engranajes mecánicos y permite reducir la energía perdida a la fricción, la cantidad de desgaste en los propios engranajes. El engranaje mecánico es susceptible a este desgaste durante largos períodos de tiempo, incluso con lubricación intensiva. En consecuencia, estos engranajes requerirán un mantenimiento y mantenimiento regulares para mantenerse trabajando con la máxima eficiencia. El lubricante industrial es costoso; sin embargo, si no se usa lubricante, el coste de reparación de los sistemas de engranajes mecánicos puede ser extremadamente costoso.
Todas las complicaciones involucradas con la lubricación de engranajes mecánicos se pueden eludir con el uso de engranajes magnéticos (MG); esto se debe a que los engranajes magnéticos no están conectados físicamente. Dado que no hay contacto entre los engranajes, no hay pérdida de energía a la fricción, no hay desgaste a largo plazo, no hay transferencia de vibraciones mecánicas y, en última instancia, no hay necesidad de lubricación. Todos estos beneficios hacen que el engranaje magnético sea especialmente atractivo para aquellos que buscan reducir y potencialmente eliminar los costos debido al mantenimiento, la reparación y la lubricación de los sistemas de engranajes.
Los engranajes magnéticos, por lo tanto, son claramente la mejor opción cuando se consideran los factores negativos que limitan los engranajes mecánicos en la lubricación, el mantenimiento y el funcionamiento a largo plazo y tienen un aislamiento físico entre los ejes de entrada y salida, alta densidad de par y mayor confiabilidad.
El engranaje magnético utiliza imanes permanentes (PM), principalmente imanes de tierras raras (NdFeB), en lugar de los dientes para que el engranaje mecánico transmita el par entre un eje de entrada y de salida sin contacto mecánico por la fuerza magnética interactiva a través de un pequeño espacio de aire entre engranajes: la figura 2 muestra una vista esquemática del engranaje magnético.
Los engranajes magnéticos con PM tienen una estructura muy simple con un rendimiento comparable con el de los engranajes mecánicos y las siguientes ventajas:
• no se requiere lubricación para los engranajes;
• reducción del mantenimiento y mayor fiabilidad;
• protección contra sobrecarga;
• tensión mecánica reducida;
• desacoplamiento físico entre el eje de entrada y el eje de salida;
• ninguna pérdida debida a contactos mecánicos distintos de los causados por rodamientos;
• Vibraciones mínimas;
• alta eficiencia;
• alta densidad de par;
• gran relación de velocidad.
La ventaja de usar la transmisión magnética es que tiene una eficiencia superior al 95% y un rango de transmisión de 1:1 a 1:15. Además, se puede obtener una densidad de par transmitida de 50 ̧100 kNm/m 3 que es comparable con la del engranaje mecánico.
Los dos rotores con PM superficiales sustituyen a la caja de cambios mecánica, asegurando la misma relación de transmisión. Con este tipo, sin embargo, la mayoría de los imanes permanentes están inactivos durante el funcionamiento y no contribuyen a la transferencia de par. Además, el volumen ocupado por todo el engranaje es alto porque los dos anillos están separados entre sí.
Los tipos de cajas de cambios magnéticas que se estudian actualmente son los siguientes:
• caja de cambios de movimiento axial
• caja de cambios planetaria
• caja de cambios magnética coaxial
• Caja de cambios cicloidal
• Caja de cambios PDD (Pseudo Direct Drive)
El enfoque de este documento está en “cajas de engranajes magnéticas coaxiales” con PM sin bobinados (CMG). Esta solución es perfectamente análoga a un reductor mecánico y permite simplemente variar el número de revoluciones (y por lo tanto el par) de acuerdo con una "relación de reducción" fija: por lo tanto, debe acoplarse a un motor principal (motor de combustión interna o motor eléctrico).
Engranaje magnético coaxial CMG
Un tipo simple de reductor de engranaje magnético coaxial (sin devanados) consiste en tres anillos como se muestra en la figura 3: dos de estos anillos (rotores) tienen PM superficiales (con magnetización radial). La eficiencia es alta, ya que solo hay pérdidas debido a las corrientes de Foucault en el núcleo ferromagnético y los imanes permanentes.
El anillo exterior consiste en un mayor número de imanes, mientras que el anillo interior tiene menos imanes. El tercer anillo (central) está situado entre los dos rotores PM y consiste en barras ferromagnéticas insertadas en una estructura mecánica no magnética hecha de resina o acero, cuya función es modificar el campo magnético generado por los PM. El anillo más interior está conectado al eje del motor, mientras que el anillo más externo está conectado al eje de salida. Por lo tanto, la caja de cambios consta de dos rotores (y por lo tanto dos ejes): uno de alta velocidad y otro de baja velocidad.
Además de girar a diferentes velocidades, los dos rotores giran en direcciones opuestas, con el rotor interior girando en sentido contrario a las agujas del reloj y el rotor exterior girando en sentido horario. Esto se debe a la presencia de barras ferromagnéticas (cuyo número debe ser igual a la suma del número de pares de polos de los dos rotores), en los que las corrientes son inducidas por los imanes permanentes en el rotor interior.
Las velocidades de los dos rotores difieren debido a los diferentes pares de polos en los dos rotores.
El funcionamiento del engranaje magnético se basa en la modulación del campo magnético producido por el rotor de PM de pares de polos p (rotor interior) por las piezas polares n. El campo modulado interactúa con el rotor de PMs con pares de polos p con el fin de transmitir el par a la carga (rotor exterior) a diferente velocidad.
El número de piezas polares ferromagnéticas es: n s = p i + p o
La elección (n s = p i + p o) permite garantizar la capacidad de transmisión de par más alta de la marcha.
El número de pares de polos en la distribución de densidad de flujo armónico espacial producida por el rotor PM de alta o baja velocidad es:
La velocidad de rotación de los armónicos del espacio de densidad de flujo:
Donde ω r es la velocidad mecánica del rotor.
La velocidad de los armónicos espaciales debido a la introducción de las piezas polares de acero, es diferente a la velocidad del rotor que lleva los PM si k ≠ 0.
Por lo tanto, con el fin de transmitir el par a una velocidad diferente, el número de pares de polos del otro rotor de PM debe ser igual al número de pares de polos de un armónico espacial para el que k ≠ 0.
Al comparar la eficiencia entre los engranajes mecánicos y magnéticos, primero se debe comprender alguna nomenclatura básica de engranajes. La relación de engranaje, por ejemplo, es un término importante que se refiere a la relación de velocidad angular del eje de entrada sobre la angular del engranaje de salida. Este valor también se puede determinar simplemente tomando la relación del par de salida al par de entrada. Si un acoplamiento de engranajes tiene una alta relación de transmisión, esto significa que se está aplicando una pequeña fuerza al sistema, pero se está saliendo una fuerza comparativamente grande. Por lo tanto, una alta relación de transmisión puede conducir a una mejor eficiencia. La eficiencia, en su forma más básica, se puede expresar como la potencia del eje de salida dividida por la potencia del eje de entrada.
Los engranajes magnéticos pueden alcanzar relaciones de transmisión comparables a las de los engranajes mecánicos, pero esta no es la principal preocupación con respecto a la eficiencia general. La pérdida de eficiencia en un sistema de engranajes mecánicos se debe principalmente a la fricción del contacto de engranajes. Otro factor a tener en cuenta al comparar engranajes mecánicos y magnéticos es la densidad de par. La densidad de torsión es simplemente el par de salida dividido por el volumen del acoplamiento de engranaje. Un sistema de engranajes mecánicos a menudo ocupa un gran volumen, mientras que el acoplamiento radial magnético es más pequeño en comparación.
Un caso de estudio
La caja de cambios CMG tiene los siguientes parámetros:
p i = 3, p o = 13, n s = 16, y una relación de transmisión de 4.3.
Los principales datos de los engranajes magnéticos se enumeran en la tabla 1. La laminación del estator es un acero eléctrico 800-50A tradicional, de 0,50 mm de espesor e imán permanente NdFeB, para los rotores de alta y baja velocidad.
El rendimiento de los engranajes magnéticos se ha analizado utilizando el método de Elementos Finitos que da resultados precisos teniendo en cuenta los detalles geométricos y la no linealidad de los materiales magnéticos. Se ha desarrollado un modelo 2D versátil y se ha calculado el par para diferentes posiciones de los rotores.
Las líneas de flujo y las distribuciones de densidad de flujo se muestran en la figura 4, mientras que la figura 5 muestra el componente radial del espectro de densidad de flujo y armónicos de espacio en los espacios de aire adyacentes a los rotores interior y exterior.
En este caso, los armónicos más grandes son respectivamente los 3 rd y 13 thth para el rotor de alta y baja velocidad. La figura 6 muestra los perfiles de par electromagnético con posiciones de rotores que se ejercen, respectivamente, sobre los rotores interior y exterior; se puede conseguir una densidad de par transmitida de aproximadamente 70 kNm/m3.
La velocidad del rotor interior es de 5500 rpm y 1270 para el rotor exterior. El valor de par es de 727 Nm para el rotor exterior y 167 para el rotor interior, con una relación de transmisión de 4,3 (tabla 2).
Conclusiones
Los engranajes magnéticos son claramente una buena opción cuando se consideran los factores negativos que limitan los engranajes mecánicos en la lubricación, el mantenimiento y el funcionamiento a largo plazo y tienen un aislamiento físico entre los ejes de entrada y salida, alta densidad de par y mayor confiabilidad.
Los engranajes magnéticos utilizan imanes permanentes, principalmente imanes de tierras raras, en lugar de los dientes para el engranaje mecánico, para transmitir el par entre un eje de entrada y de salida sin contacto mecánico por la fuerza magnética interactiva a través de un pequeño espacio de aire entre los engranajes.
Este documento se centró en un tipo particular de engranaje magnético, la “caja de engranajes magnéticos coaxiales”, que tiene un rendimiento comparable al de los engranajes mecánicos. El rotor exterior tiene baja velocidad y alto par, ya que su número de polos es mayor que el número de polos del rotor interior, que tiene alta velocidad y bajo par.
El engranaje magnético coaxial tiene una estructura muy simple y la ventaja de un volumen más pequeño en comparación con otros tipos de engranajes magnéticos, lo que permite una densidad de par transmitida de 50÷100 3kNm/m3, y por lo tanto puede ser una alternativa válida a los engranajes mecánicos tradicionales para aplicaciones industriales y automotrices.
