淺談磁性齒輪

生活科學趣談

先來看一則沒有中間引導磁力之螺絲盤的影片,扭矩是透過磁鐵之間吸斥的剪切力來傳遞

磁力攪拌器也是磁力耦合的一個例子,其輸出軸轉速等於輸入軸轉速(1:1 比率)

至於第一則影片中的螺絲盤,這是扮演行星齒輪(Epicyclic Gearing)的角色

下圖是螺絲盤固定不動當作定子,太陽齒輪的內轉子是主動軸(驅動軸),外齒圈的外轉子則是從動軸

上圖是下則影片中的簡略畫法,由於並不存在磁單極,因此較精確的畫法應該是下圖。中間的鐵磁性螺絲定子則可被下方永久磁鐵感應成近端異名極而遠端同名極,並且隨著內轉子的轉動角度而呈現不同程度的極性變化

(下則影片請跳過2分42秒~3分22秒、9分12秒~9分38秒之間的廣告)

影片中這顆磁性齒輪設計成外轉子具有24顆釹鐵硼磁鐵(12組磁極對),因此每一組磁極對的圓心角為 360/12 = 30度。

中間的螺絲盤則是當作調極用途(調製器 modulator)的鐵磁性磁環(Modulatiom ring),螺絲數目=(外轉子磁鐵數目+內轉子磁鐵數目)/2 。若以2根為一對,那麼螺絲的極對數=外轉子磁鐵極對數+內轉子磁鐵極對數。這樣的設計能使其中一個轉子每轉動一組磁極對時,另一個轉子也是轉動一組磁極對。亦即主動軸轉一圈時所轉動的磁極對數量會等於從動軸所轉動的磁極對數量,基於兩個轉子的磁鐵總數量不同,從而達成增速或降速的效果。

磁場調製的機制是源自於鐵螺絲和空氣間隙的磁導差異,螺絲盤可以感應出特定的諧波分量,以促進電磁轉矩的產生。調磁機構包括調磁鐵螺絲和非導磁的空氣介質,相鄰調磁鐵螺絲之間填充非導磁的空氣,調磁鐵螺絲和非導磁材料交錯排列。轉子通過軸承與機殼連接,繞軸線自由旋轉。

磁力齒輪包含三個組件,一個外轉子、一個內轉子和一個夾在兩轉子之間的金屬鐵調製環。 鐵螺絲與空氣之間的磁導差所引起的磁場調製效應是保證內轉子永磁磁場與外轉子永磁磁場能有效耦合,從而實現高效轉矩傳遞的關鍵。 為了達到最大的扭矩傳遞效果,設計原則是【調製環的極對數應等於內轉子極對數與外轉子極對數之和】。

這三個部件中的任何一個都可以當作固定的定子,另外兩個部件則作為磁力齒輪的主動軸和從動軸。 就上則影片而言,固定不動的定子可以是螺絲盤,或者是將外轉子固定而讓螺絲盤與內轉子二者轉動。

鐵磁環是保證高速轉子與低速轉子能有效相互作用產生電磁轉矩的關鍵。它就像調製器一樣產生磁場諧波的頻譜,起到空間濾波器的作用,提取有效的磁場諧波以貢獻給從動軸

至於第一則影片中的從動軸轉動方向與主動軸相反,下則影片使用透光孔洞來說明螺絲盤的磁場調製效果。仔細觀察具有最大正圓孔洞的移動方向時,能發現其與主動軸轉動的方向相反。影片中先以逆時針轉動主動軸,從固定不動的螺絲盤透光孔洞則能觀察到具有最大透光面積的光是以順時針方向轉動,代表這個具有最大磁通量的鐵螺絲感應磁極能帶動從動軸上的磁鐵跟著順時針方向轉動

主動軸與從動軸的轉速比則是二個轉子上面磁鐵總數的反比。以下則影片為例,外轉子的磁鐵數目是16個,其磁場經由螺絲盤的10個螺絲調製後可對應到內轉子的4個磁鐵。若主動軸是磁鐵數較少的內轉子,那麼磁鐵數較多的外轉子從動軸就會轉速變慢,二者轉速比是 4:1(磁鐵少的轉速快;磁鐵多的轉速慢),轉速變慢的從動軸於是就能提高輸出的扭矩(類似汽車的低速檔扭矩較大)。

磁性齒輪Magnetic Gear,MG)相較於機械齒輪箱,磁性變速齒輪的優勢在於傳動為無接觸式因而無須潤滑、自帶過載保護來避免齒輪卡死或崩齒的風險(此時兩個轉子之間會發生打滑)、減少傳動系統對電機的衝擊、可實現非接觸傳動、輸入和輸出之間沒有物理接觸因此維護成本低、振動雜訊低、減少機械接觸帶來的摩擦損耗等。缺點則是減速比不夠大和轉矩密度較低(轉矩密度:Torque Density,單位體積中電機軸上輸出的額定轉矩,定義是 力‧力臂/體積)。目前,磁性齒輪在轉矩密度上仍未能達到常規商用機械齒輪箱 250N·m/L 以上的轉矩密度。不過,隨著永磁材料磁性能的不斷提升,以及超導等新材料的應用,磁力齒輪的轉矩密度將來可望達到機械齒輪-電機系統的轉矩密度。磁性變速齒輪當前的應用領域則為:風力發電機 、馬達 、混合動力車輛的飛輪機構、齒輪箱、無塵室。

有在玩3D列印的朋友們,或可參考這篇做一組來玩 → Magnetic Gear Box

結論:以這個裝置來闡述「知難行易」再恰當不過了。還好現在已經有 ChatGPT,那就問一下它好了~

Q:How do magnetic gears work?

ChatGPT:Magnetic gears are a type of gear system that use magnetic fields rather than mechanical teeth to transmit torque between two rotating components. They work based on the principle of magnetic attraction and repulsion.
A typical magnetic gear consists of an outer rotor, an inner rotor, and a stationary magnetic field assembly. The outer rotor and inner rotor contain permanent magnets with alternating polarity arranged in a specific pattern. The stationary magnetic field assembly, often called the stator, generates a magnetic field that interacts with the magnets on the rotors.
As the outer rotor rotates, the magnetic fields of its magnets interact with the stationary magnetic field, resulting in an attractive or repulsive force. This force then causes the inner rotor to rotate in the opposite direction. By controlling the magnetic field strength and arrangement of the magnets, the gear ratio between the outer and inner rotors can be adjusted.
The advantages of magnetic gears include their ability to transmit torque without physical contact, which reduces friction, wear, and maintenance requirements. They are also quieter and can provide higher efficiency compared to traditional mechanical gears. Magnetic gears find applications in various industries, such as renewable energy systems, automotive engineering, and industrial machinery.

此刻的心情:有點失望。不如改問 Bing AI ,看看它的答覆是什麼?

Q:How do magnetic gears work?
Bing AI:Magnetic gears are a type of gear that uses magnetic fields to transmit torque between the input and output shafts. They have no physical contact between the main driving and driven elements. Instead, they use magnetic coupling force to transfer torque. Magnetic gears can be composed of magnets of the type permanent, electromagnetic or otherwise magnetically induced fields 1. I hope this helps! Let me know if you have any other questions.

OS:Bing AI 是直接引用維基資料;ChatGPT  則是比較人性化,在篇幅上灌水多了一些文字^^