I riduttori magnetici sono la scelta migliore allorché si considerano i limiti degli ingranaggi meccanici in termini di lubrificazione, manutenzione e funzionamento a lungo termine. Inoltre, essi offrono un isolamento fisico tra alberi di ingresso e di uscita, elevata densità di coppia e maggior affidabilità.
Introduzione
Gli ingranaggi meccanici sono ampiamente usati per il cambio di velocità e la trasmissione di coppia, per adattare la velocità operativa dei motori alle necessità dei loro carichi, dal momento che solitamente in termini di costo e peso è più conveniente utilizzare una macchina elettrica ad alta velocità insieme ad un riduttore per trasformare velocità e coppia.
Gli ingranaggi meccanici (figura 1) sono utilizzati in svariate applicazioni industriali, automotive e aeronautiche. Benché la densità di coppia degli ingranaggi meccanici sia piuttosto elevata, essi hanno alcuni fattori negativi che riguardano:
- lubrificazione;
- manutenzione regolare;
- raffreddamento;
- rumore.
La lubrificazione è essenziale al funzionamento degli ingranaggi meccanici e consente di ridurre le perdite per attrito e l’usura degli ingranaggi stessi. Gli ingranaggi meccanici sono suscettibili a questa usura su lunghi periodi di tempo, anche con lubrificazione intensiva. Di conseguenza, questi ingranaggi richiedono una regolare manutenzione affinché sia mantenuta la loro operatività alla massima efficienza. Il lubrificante industriale è costoso, tuttavia, se non viene utilizzato, il costo di riparazione per gli ingranaggi meccanici può essere estremamente alto.
Tutte le complicazioni associate alla lubrificazione degli ingranaggi meccanici possono essere eliminate con l’utilizzo dei riduttori magnetici; questo è legato al fatto che i riduttori magnetici non sono fisicamente collegati. Dal momento che non c’è contatto tra gli ingranaggi, non ci sono perdite di potenza per attrito, nessuna usura a lungo termine, nessun trasferimento di vibrazioni meccaniche e, da ultimo, nessuna necessità di lubrificazione. Tutti questi vantaggi rendono i riduttori magnetici particolarmente indicati per quelle applicazioni in cui si vogliono ridurre, e potenzialmente eliminare, i costi dovuti alla manutenzione, riparazione e lubrificazione dei sistemi a ingranaggi.
Pertanto, i riduttori magnetici sono chiaramente la scelta migliore allorché si considerano i fattori negativi che limitano gli ingranaggi meccanici nella lubrificazione, manutenzione e funzionamento a lungo termine; inoltre, hanno un isolamento fisico tra gli alberi di ingresso e uscita, elevata densità di coppia e maggior affidabilità.
Il riduttore magnetico utilizza i magneti permanenti (MP), soprattutto magneti in terre rare (NdFeB), anziché i denti come nel caso dell’ingranaggio meccanico, per trasmettere la coppia tra un albero di ingresso e di uscita senza contatto meccanico, mediante forza magnetica attraverso un piccolo traferro tra gli ingranaggi: la figura 2 mostra una vista schematica dell’ingranaggio magnetico.
In riduttori magnetici con MP hanno una struttura molto semplice con prestazioni paragonabili a quelle degli ingranaggi meccanici e forniscono i seguenti vantaggi:
• assenza di lubrificazione;
• manutenzione ridotta e maggior affidabilità;
• protezione da sovraccarico;
• stress meccanico ridotto;
• disaccoppiamento fisico tra albero di ingresso e di uscita;
• nessuna perdita dovuta a contatti meccanici se non quelle causate dai cuscinetti;
• vibrazioni minime;
• efficienza elevata;
• alta densità di coppia;
• ampio rapporto di velocità.
Il vantaggio di utilizzare una trasmissione magnetica risiede nel fatto che ha un’efficienza superiore al 95% ed un rapporto di trasmissione da 1:1 a 1:15.
Inoltre, si può ottenere una densità di coppia trasmessa di 50¸100 kNm/m3 che è comparabile a quella dell’ingranaggio meccanico.
I due rotori con MP superficiali sostituiscono il riduttore meccanico, assicurando lo stesso rapporto di trasmissione. Con questa tipologia, tuttavia, la maggior parte dei magneti permanenti sono inattivi durante il funzionamento e non contribuiscono al trasferimento di coppia
Le tipologie di riduttori magnetici attualmente allo studio sono i seguenti:
• riduttore a movimento assiale;
• riduttore epicicloidale;
• riduttore magnetico coassiale;
• riduttore cicloidale;
• riduttore PDD (Pseudo Direct Drive).
In questo articolo viene preso in esame il “riduttore magnetico coassiale” con MP senza avvolgimenti (CMG). Questa soluzione è perfettamente analoga ad un riduttore meccanico e consente semplicemente di variare il numero di giri (e pertanto la coppia) in base ad un “rapporto di riduzione” fisso: deve pertanto essere accoppiato ad un motore primo (motore a combustione interna o motore elettrico).
Riduttore magnetico coassiale CMG
Un tipo semplice di riduttore magnetico coassiale (senza avvolgimenti) consiste di tre anelli, come mostrato in figura 3: due di questi anelli (rotori) hanno MP superficiali (con magnetizzazione radiale). L’efficienza è elevata perché ci sono solo perdite dovute a correnti parassite nel nucleo ferromagnetico e nei magneti permanenti.
L’anello esterno consiste in un numero maggiore di magneti rispetto all’anello interno. Il terzo anello (centrale) è posizionato tra i due rotori a MP e consiste in barre ferromagnetiche inserite dentro una struttura meccanica non-magnetica fatta di resina o acciaio, la cui funzione è modificare il campo magnetico generato dai MP. L’anello più interno è collegato all’albero del motore, mentre l’anello più esterno è collegato all’albero in uscita. Il riduttore è pertanto formato da due rotori (e dunque due alberi): uno ad alta velocità e uno a bassa velocità.
In aggiunta alla rotazione a velocità differenti, i due rotori ruotano in direzioni opposte, con il rotore interno che ruota in senso antiorario e il rotore esterno che ruota in senso orario. Questo è dovuto alla presenza delle barre ferromagnetiche (il cui numero deve essere uguale alla somma del numero di coppie polari dei due rotori), in cui le correnti sono indotte dai magneti permanenti sul rotore interno. Le velocità dei due rotori differiscono per via delle differenti coppie polari dei due rotori.
Il funzionamento dell’ingranaggio magnetico si basa sulla modulazione del campo magnetico prodotto dal rotore a MP con coppie polari pi (rotore interno) da parte delle barre ns. Il campo modulato interagisce con il rotore a MP con coppie polari po al fine di trasmettere la coppia al carico (rotore esterno) a velocità differente.
Il numero di barre ferromagnetiche è: ns = pi + po
La scelta (ns = pi + po) consente di garantire la trasmissione di coppia più elevata dell’ingranaggio.
Il numero di coppie polari nella distribuzione della densità di flusso prodotta dal rotore a MP a bassa o alta velocità è:
dove: m = 1, 3, 5,….∞ e k = 0, ±1, ±2, ±3,….. ±∞.
La velocità di rotazione delle armoniche spaziali della densità di flusso:
dove ωr è la velocità meccanica del rotore.
La velocità delle armoniche spaziali per via dell’introduzione delle barre in acciaio è differente dalla velocità del rotore con MP se k ≠ 0.
Pertanto, al fine di trasmettere coppia a una velocità differente, il numero di coppie polari dell’altro rotore a MP deve essere uguale al numero di coppie di poli di un’armonica spaziale per cui k ≠ 0. Questo significa che il rapporto di trasmissione è dato da:
Quando si confronta l’efficienza di ingranaggi meccanici e magnetici, si deve in primo luogo capire una determinata nomenclatura di base degli ingranaggi. Il rapporto di trasmissione, ad esempio, è un termine importante che si riferisce al rapporto tra la velocità angolare dell’albero di ingresso e quella angolare dell’ingranaggio di uscita. Questo valore si può anche determinare semplicemente prendendo il rapporto tra la coppia di uscita e la coppia di ingresso. Se un accoppiamento di ingranaggi ha un rapporto di trasmissione elevato, significa che al sistema viene applicata una forza ridotta, ma che ne deriva una forza relativamente grande. Pertanto, un rapporto di trasmissione elevato può portare ad una migliore efficienza. L’efficienza, nella sua forma più elementare, può essere espressa come la potenza dell’albero di uscita divisa per la potenza dell’albero di entrata.
I riduttori magnetici possono raggiungere rapporti di trasmissione che sono confrontabili a quelli degli ingranaggi meccanici, ma questo non è l’aspetto principale per quanto riguarda l’efficienza complessiva. La perdita di efficienza in sistemi di ingranaggi meccanici deriva principalmente dagli attriti degli ingranaggi.
Un altro fattore da considerare quando si confrontano ingranaggi meccanici e magnetici è la densità di coppia. La densità di coppia è semplicemente la coppia di uscita divisa per il volume del riduttore. Un sistema di ingranaggi meccanici spesso occupa un grande volume, mentre al confronto un riduttore magnetico è più compatto.
Uno caso di studio
Il riduttore CMG ha i seguenti parametri:
pi = 3, po = 13, ns = 16, e un rapporto di trasmissione di 4,3.
I dati principali sono elencati nella tabella 1. Lo statore è realizzato con lamierino magnetico tradizionale 800-50A, spessore di 0,50 mm, mentre per i magneti si è scelto il NdFeB.
| Raggio esterno mm | 190 |
| Raggio dell’albero mm | 100 |
| Lunghezza assiale mm | 100 |
| Spessore MP – rotore interno mm | 10 |
| Spessore espansioni polari mm | 10 |
| Spessore MP – rotore esterno mm | 10 |
| Lunghezza traferro mm | 1.0 |
| Lamierino | FeSi – 800-50A |
| Magnete permanente | NdFeB – N38SH |
| Temperatura operativa °C | 70 |
Tabella 1 – Dati CMG
Le prestazioni dei riduttori magnetici sono state analizzate utilizzando un software agli Elementi Finiti che fornisce risultati accurati prendendo in considerazione i dettagli geometrici e la non-linearità dei materiali magnetici. È stato sviluppato un modello 2D versatile e la coppia è stata calcolata per differenti posizioni dei rotori.
Le linee di flusso e le distribuzioni della densità di flusso sono mostrate in figura 4, mentre la figura 5 mostra la componente radiale della densità di flusso e lo spettro delle armoniche spaziali nei traferri adiacenti ai rotori interni ed esterni.
In questo caso, le armoniche più grandi sono rispettivamente la 3a e la 13a per il rotore ad alta e bassa velocità. La figura 6 mostra i profili di coppia elettromagnetica in funzione delle posizioni dei rotori, rispettivamente, sui rotori interni ed esterni; si può ottenere una densità di coppia trasmessa di circa 70 kNm/m3.
La velocità del rotore interno è 5500 g/1’ e 1270 per il rotore esterno. Il valore di coppia è 727 Nm per il rotore esterno e 167 per il rotore interno, con un rapporto di trasmissione di 4,3 (tabella 2).
| Velocità (g/1’) | Coppia (Nm) | |
| Rotore interno | 5500 | 167 |
| Rotore esterno | 1270 | 727 |
Tabella 2 – Coppia e velocità
Conclusioni
I riduttori magnetici sono chiaramente una buona scelta se si considerano i fattori negativi che limitano gli ingranaggi meccanici legati alla lubrificazione, manutenzione e funzionamento a lungo termine e hanno un isolamento fisico tra gli alberi di ingresso ed uscita, elevata densità di coppia e maggior affidabilità.
I riduttori magnetici utilizzano magneti permanenti – soprattutto magneti in terre rare – al posto dei denti degli ingranaggio meccanici, per trasmettere la coppia tra l’albero di ingresso e di uscita senza contatto meccanico, grazie alla forza magnetica interattiva attraverso un piccolo traferro tra gli ingranaggi.
Questo articolo si è focalizzato su un tipo particolare di riduttore magnetico, il “riduttore magnetico coassiale”, che ha prestazioni comparabili a quelle degli ingranaggi meccanici. Il rotore esterno ha bassa velocità e coppia elevata, poiché il suo numero di poli è maggiore rispetto a quello del rotore interno, che ha velocità elevata e bassa coppia.
Il riduttore magnetico coassiale ha una struttura molto semplice e il vantaggio di un volume ridotto rispetto ad altri tipi di ingranaggi magnetici, consentendo una densità di coppia trasmessa di 50÷100 kNm/m3, e pertanto può essere una valida alternativa ai riduttori meccanici tradizionali per applicazioni industriali e automotive.
