| Summary: | In this report a new gear concept is evaluated using the magnetic finite element method (FEM) software MagNet and Ansys as well as the mechanical FEM software Abaqus. The gear concept is evaluated in terms of maximum torque capability, torsional stiffness, gear ratio and efficiency. ABB Corporate Research has proposed a new gear concept which should be less expensive than gearboxes used today. The new concept is called a Magnetic Harmonic Traction Drive and uses the principles of a harmonic drive gear to achieve a high reduction ratio. The gear concept replaces the wave generator used in traditional harmonic drives with magnets and uses traction instead of gear teeth to transfer the torque. The main components in the gearbox are the magnets, the flexspline, the magnetic portion and the circular spline. The goal of the gearbox is a maximum torque capability of 5 Nm, a torsional stiffness of 2000 Nm/rad, a gear ratio of 100, an efficiency of 50 % and a maximum diameter of 100 mm. A model of the gear concept is built in the magnetic FEM simulations software MagNet to evaluate the choice of magnets used in the gearbox as well as the dimensions of the magnetic portion. The results from MagNet show that a magnitude of 120 N can be expected from the magnets used in the gear concept and the force distribution. The losses caused by hysteresis and eddy currents are calculated to be bigger then ideal ingoing effect, giving an efficiency lower then 50 %. The magnetic finite element software Ansys is used to validate the results from MagNet, a comparison between the two programs shows some correspondence when comparing the total force but poor correspondence when comparing the force distribution. The FEM software Abaqus is used to simulate the mechanical behaviour of the gear concept. A model is built up using the flexspline and the circular spline. The total force and the force distribution from the MagNet simulations are applied to the model to represent the magnets in the gearbox. The model predicts a torque capability of 1.5 Nm for the gear concept, a torsional stiffness of over 2000 Nm/rad and an expected gear ratio of around 80. The results from the simulations are used to give recommendations to the construction work of the gear concept. Recommendations are given for which type of magnets should be used, their shape and size and of which material they should be made. Suggestions for appropriate materials and dimensions for both the flexspline and the circular spline are given, as well as recommendations of possible future work for the gearbox. === I denna rapport utreds ett nytt växelkoncept med hjälp av magnetiska simuleringar baserade på finita element metoden (FEM) med programmen MagNet och Ansys samt mekaniska FEMsimuleringar med programmet Abaqus. Växelkonceptet utreds med avseende på maximalt momentkapacitet, vridstyvhet, utväxling och verkningsgrad. ABB Corporate Research har föreslagit ett nytt växelkoncept som har potentialen att bli billigare än existerande växlar. Det nya konceptet heter Magnetic Harmonic Traction Drive och använder sig av samma principer som en traditionell harmonic drive för att åstadkomma en högt utväxlad växellåda. I konceptet ersätts våggeneratorn som används i traditionella harmonic drives med magneter och istället för kuggtänder används friktion för att överföra moment. Huvudkomponenterna i växellådan är magneter, flexspline, circular spline och magnetic portion. Målet med växeln är att kunna överföra ett moment på 5 Nm, ha en vridstyvhet på 2000 Nm/rad, ha en utväxling på 100, ha en verkningsgrad över 50 % och ha en maximal diameter på 100 mm. En modell av växelkonceptet byggs upp i FEM-programmet MagNet för att utvärdera valet av magneter som används i växelkonceptet samt storleken på den magnetiska portionen. Resultaten från MagNet visar att en kraft på 120 N kan förväntas från magneterna som används i växelkonceptet samt vilken fördelning av kraften som fås. Förluster på grund av hysteres och eddy currents beräknas vara större än den ideala ingående effekten vilket ger en verkningsgrad på mindre än 50 %. Finit elementmetod-programmet Ansys används för att validera resultaten från MagNet. En jämförelse mellan programmen visar på en viss överensstämmelse då totala krafterna jämförs men dålig överensstämmelse då kraftfördelningen jämförs. FEM-programmet Abaqus används för att simulera de mekaniska egenskaperna hos växelkonceptet. En model av konceptet byggs upp med hjälp av flexsplinen och circular splinen. Krafter och kraftfördelningar förs in modellen genom att använda resultaten från MagNet simuleringarna. Abaqus modellen förutser ett maximalt moment på 1.5 Nm, en vridstyvhet på över 2000 Nm/rad och en utväxling på cirka 80. Resultaten från simuleringar används för att ge rekommendationer till konstruktionsarbetet av växeln. Rekommendationer som ges är vilka magneter som bör användas, vilken form de skall ha, vilken storlek de bör ha och av vilket material de bör vara tillverkade av. Rekommendationer för flexsplinen och circular splinen ges också i form av rekommenderade material och materialtjocklekar. Rekommendationer och förslag på framtida arbeten på växeln ges också.
|
|---|
