Die magnetische Kopplung ist eine der wichtigen Folgeanwendungen permanentmagnetischer Materialien. Heute werden wir das Prinzip, die Klassifizierung und die Anwendung der magnetischen Kopplung systematisch vorstellen und auch über den Permanentmagneten in der magnetischen Kopplung sprechen.
Was ist magnetische Kopplung?
Die Kupplung ist eine wichtige Komponente in der mechanischen Übertragung, die das Drehmoment überträgt, indem sie die Antriebswelle und die Abtriebswelle verbindet. Die folgende Abbildung zeigt mehrere gängige Kopplungsformen, die Ihnen helfen können, besser zu verstehen, was Kopplung ist.
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Herkömmliche Kupplungen sind vom Kontakttyp und haben relativ komplexe Strukturen. Sie verschleißen im täglichen Betrieb. Bei Überlastung werden andere mechanische Teile stark abgenutzt, was sich sehr negativ auf die Stabilität der mechanischen Betriebsausrüstung auswirkt. Müssen Antriebs- und Abtriebswelle der Kupplung in zwei unterschiedlichen, voneinander isolierten Medien arbeiten, müssen zur dynamischen Abdichtung Dichtelemente eingesetzt werden. Auf diese Weise besteht das Problem, dass entweder der Rotationswiderstand erhöht wird, um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, oder dass es aufgrund einer schlechten Abdichtung zu Undichtigkeiten kommt. Darüber hinaus kommt es mit der Abnutzung und Alterung der Dichtungselemente zu einer verstärkten Leckage, insbesondere in Systemen mit schädlichen Gasen (gesundheitsschädlichen Flüssigkeiten). Sobald es ausläuft, wird es die Umwelt verschmutzen und Leben gefährden.
Magnetkupplungen sind berührungslose Kupplungen, die im Allgemeinen aus zwei Magneten bestehen und in der Mitte eine Isolierabdeckung zur Trennung der beiden Magnete haben. Der innere Magnet ist mit dem Übertragungsteil verbunden, und der äußere Magnet ist effektiv mit dem Leistungsteil verbunden, wodurch die Kraft durch die Wechselwirkung der NS-Polkopplung des Magnetfelds übertragen wird. Magnetische Kupplungen haben die Funktion der Pufferung und Schwingungsdämpfung elastischer Kupplungen. Darüber hinaus durchbricht es die Strukturform herkömmlicher Kupplungen und übernimmt ein neues Magnetkupplungsprinzip, um eine Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle ohne direkten Kontakt zu erreichen, und kann dynamische Dichtungen in statische Dichtungen umwandeln, um eine Leckagefreiheit zu erreichen. Daher wird es häufig bei besonderen Anforderungen an die Leckage eingesetzt.
Klassifizierung von Magnetkupplungen
Zu den gängigen magnetischen Übertragungen gehören die Synchronübertragung, die Hystereseübertragung und die Wirbelstromübertragung. Aufgrund ihrer jeweiligen Eigenschaften werden sie in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Unter synchroner Übertragung versteht man die Synchronisation von Ausgabe und Eingabe. Es gibt zwei gängige synchrone Kopplungsstrukturen: planare magnetische Kopplung und koaxiale magnetische Kopplung.
1. Planare magnetische Kopplung
Aufbau: Magnete sind auf zwei Scheiben gleichen Durchmessers so angebracht, dass sie NS-Pole kreuzen. Im Einsatz werden die beiden Scheiben jeweils auf der Antriebswelle und der Abtriebswelle montiert, wobei dazwischen ein gewisser Luftspalt verbleibt.
Prinzip: Da der N-Pol von Magnet A den S-Pol von Magnet B auf der gegenüberliegenden Seite anzieht und die N-Pole auf beiden Seiten von Magnet B abstößt, ist sichergestellt, dass sich die angetriebene Welle und die antreibende Welle innerhalb eines bestimmten Drehmomentbereichs halten synchron rotieren.
Drehmoment: Dieses Planargetriebe ist einfach aufgebaut und erfordert beim Einbau keine hohe Koaxialität der beiden Wellen. Da es das Prinzip der ebenen Anziehung nutzt, ist das Drehmoment umso größer, je kleiner der Luftspalt ist. Da außerdem das übertragene Drehmoment proportional zur Scheibenfläche ist, darf das Drehmoment dieser Magnetkupplung nicht zu groß sein, da sie sonst zu groß und schwierig zu installieren ist.
2. Koaxiale Magnetkupplung
Die koaxiale Magnetkupplung ist derzeit das am weitesten verbreitete Synchronübertragungsgerät und ihre typische Anwendung ist die Magnetpumpe.
Aufbau: Die koaxiale Magnetkupplung besteht aus Außenrotor, Innenrotor, Isolierhülse und Lagersystem. Am Außenumfang des Innenrotors und am Innenumfang des Außenrotors sind Magnete angebracht. Die Magnete sind gleichmäßige Pole und umlaufend im NS-Kreuzmodus angeordnet. Ausrichtung der Arbeitsflächen der Magnete von Innen- und Außenrotor, d. h. automatische Kopplung. Die Isolierhülse und das Lagersystem werden hauptsächlich in der Struktur der Magnetgetriebedichtung verwendet.
Luftspalt und Isolierung: Zwischen Innen- und Außenrotor besteht ein gewisser Luftspalt, der zur Isolierung aktiver und angetriebener Komponenten dient. Der Luftspalt beträgt meist zwischen 2 mm-8mm. Je kleiner der Luftspalt ist, desto höher ist die effektive Ausnutzung des Magneten, desto schwieriger ist jedoch die Isolierung. Je größer der Luftspalt, desto bequemer ist die Isolierung, desto weniger effektiv ist jedoch die Nutzung des Magnetfelds des Magneten. Die Radiusposition des Luftspalts ist der Arbeitsradius dieser Magnetkupplung. Bei der Auslegung kann das Drehmoment des erforderlichen Getriebes durch Anpassung der Größe des Luftspaltradius ermittelt werden.
Wenn die Belastung das maximale Drehmoment überschreitet, beginnt das Getriebe zu „schlupfen“, das heißt, die Magnete springen durch Kreisverschiebung vom aktuellen Kupplungszustand in den nächsten Kupplungszustand. Bei diesem Durchrutschvorgang ändert sich das Magnetfeld im Luftspalt schnell und die Magnete des Innen- und Außenrotors werden gleichzeitig voneinander entmagnetisiert, wodurch Wärme entsteht. In kurzer Zeit kann die Temperatur schnell auf über 100 Grad Celsius ansteigen, was zur Entmagnetisierung der Magnete und zum Ausfall des Getriebes führt. Obwohl diese Art der Übertragung die Rolle eines Überlastschutzes spielen kann, wird sie daher im Allgemeinen nicht als Überlastschutzvorrichtung verwendet.
3. Hystereseübertragung
Die Hystereseübertragung ist ein Übertragungsverfahren, das das Hystereseprinzip anwendet. Gängige Hysteresegetriebe sind im Allgemeinen koaxiale Strukturen, die Synchrongetrieben ähneln. Der Unterschied besteht darin, dass der Innen- und Außenrotor unterschiedliche magnetische Materialien verwenden. Im Allgemeinen werden für den Innenrotor (aktive Welle) Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke und hoher Remanenz verwendet, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor. Der äußere Rotor (angetriebene Welle) verwendet magnetische Materialien mit niedriger Koerzitivfeldstärke, wie zum Beispiel Aluminium-Nickel-Kobalt. Die Magnete auf der aktiven Welle sind entsprechend den NS-Polen kreuzweise angeordnet. Wenn die Belastung nicht größer als das Nenndrehmoment ist, dreht sich die angetriebene Welle synchron mit der aktiven Welle; Wenn die Belastung den Nennwert überschreitet, rutschen die Innen- und Außenrotoren durch und nur das Nenndrehmoment wird auf die angetriebene Welle übertragen. Die überschüssige Energie wird beim Aufladen des inneren Magneten und beim Entmagnetisieren des äußeren Magneten in Form von Wärme freigesetzt.
Diese Hysterese-Übertragungsstruktur ist häufig in magnetischen Verschließmaschinen zu finden, die sicherstellen kann, dass die Flaschenverschlüsse über eine ausreichende Anzugskraft verfügen, ohne die Flaschenverschlüsse zu beschädigen.
4. Wirbelstromantrieb
Durch Ersetzen des Permanentmagnetmaterials des angetriebenen Teils einer der oben genannten Magnetkupplungen durch nicht ferromagnetische Materialien mit guter Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer und Aluminium, kann eine Wirbelstromübertragung erreicht werden, obwohl die Übertragungseffizienz möglicherweise nicht sehr hoch ist. Die einfache Wirbelstromübertragungsstruktur mit Scheiben ist in der Abbildung dargestellt:
Auf der aktiven Scheibe sind Hochleistungsmagnete im NS-Kreuzmodus verbaut. Die angetriebene Scheibe besteht aus Kupfer mit guter Leitfähigkeit. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen durch die Kupferscheibe. Die aktive Scheibe dreht sich und der Wirbelstrom treibt die angetriebene Kupferscheibe an, der Rotation zu folgen.
Die Wirbelstromübertragung kann synchron oder asynchron erfolgen. Um genau zu sein, weist die synchrone Wirbelstromübertragung im Allgemeinen einen geringen Anteil (5 %) an Asynchronität auf. Beispielsweise beträgt die Eingabe 1000 U/min und die Ausgabe 950 U/min. Diese Asynchronität kann als Übertragungsverlust akzeptiert werden. Die typische Anwendung der asynchronen Wirbelstromübertragung ist das Spannungskontrollsystem der einziehbaren Leitung. Durch eine spezielle Steuerung kann die Geschwindigkeitsregulierungsfunktion innerhalb eines bestimmten Bereichs auch durch Wirbelstromübertragung erreicht werden.
Permanentmagnete, die in Magnetkupplungen verwendet werden
Die Erfindung und Entwicklung magnetischer Kupplungen stehen in engem Zusammenhang mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung permanentmagnetischer Werkstoffe. Magnetkupplungen wurden ursprünglich aus Ferritmaterialien hergestellt, können aber aufgrund ihrer geringen magnetischen Eigenschaften nur kleinere Drehmomente im gleichen Volumen übertragen wie herkömmliche Kupplungen, was die Entwicklung von Magnetkupplungen einschränkt.
Die magnetischen Eigenschaften der permanentmagnetischen Materialien Samarium-Kobalt und Aluminium-Nickel-Kobalt-Magnete (AlNiCo) der zweiten Generation sind deutlich höher als die von Ferritmaterialien, sodass die hergestellten Magnetkupplungen größere Drehmomente übertragen können. Allerdings schränken die hohen Preise für Samarium-Kobalt und Aluminium-Nickel-Kobalt die Entwicklung magnetischer Übertragungskupplungen stark ein.
Das maximale magnetische Energieprodukt (BH) des permanentmagnetischen Materials Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) beträgt 428 kJ/m3 und ist damit nach Samarium-Kobalt die dritte Generation permanentmagnetischer Materialien. NdFeB verfügt nicht nur über bessere magnetische Eigenschaften, sondern verfügt auch über eine stärkere Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt. NdFeB hat ein Produkt mit hoher magnetischer Energie, benötigt weniger, hat eine gute Verarbeitungsleistung, kann geschnitten und gebohrt werden und hat eine hohe Ausbeute. Dadurch kann das Volumen der Magnetkupplungen reduziert, die Kosten gesenkt und die Effizienz verbessert werden. Es wird häufig in magnetischen Übertragungskupplungen verwendet.