Sprzężenie magnetyczne jest jednym z ważnych dalszych zastosowań materiałów z magnesem trwałym. Dzisiaj będziemy systematycznie przedstawiać zasadę, klasyfikację i zastosowanie sprzężenia magnetycznego, a także mówić o magnesie trwałym w sprzężeniu magnetycznym.
Co to jest sprzężenie magnetyczne?
Sprzęgło jest ważnym elementem przekładni mechanicznej, który przenosi moment obrotowy poprzez połączenie wału napędowego z wałem napędzanym. Poniższy rysunek przedstawia kilka typowych form łączenia, które mogą pomóc w lepszym zrozumieniu, czym jest łączenie.
|
|
|
Tradycyjne złącza są typu stykowego i mają stosunkowo złożoną konstrukcję. Zużyją się podczas codziennej pracy. W przypadku wystąpienia przeciążenia inne części mechaniczne ulegną poważnemu zużyciu, co jest bardzo niekorzystne dla stabilności mechanicznego sprzętu roboczego. Jeżeli wał napędowy i wał napędzany sprzęgła muszą pracować w dwóch różnych, odizolowanych od siebie mediach, do uszczelnienia dynamicznego należy zastosować elementy uszczelniające. W ten sposób pojawia się problem polegający na zwiększeniu oporu obrotowego w celu zapewnienia niezawodnego uszczelnienia lub nieszczelności na skutek słabego uszczelnienia. Ponadto, w miarę zużywania się i starzenia elementów uszczelniających, wycieki będą się nasilać, szczególnie w instalacjach ze szkodliwymi gazami (szkodliwymi cieczami). W przypadku wycieku zanieczyszcza środowisko i zagraża życiu.
Sprzęgła magnetyczne to sprzęgła bezkontaktowe, zazwyczaj składające się z dwóch magnesów, z osłoną izolacyjną pośrodku w celu oddzielenia dwóch magnesów. Magnes wewnętrzny jest połączony z częścią transmisyjną, a magnes zewnętrzny jest skutecznie połączony z częścią mocy, przenosząc moc poprzez interakcję sprzężenia biegunowego NS pola magnetycznego. Sprzęgła magnetyczne pełnią funkcję buforowania i pochłaniania drgań sprzęgieł elastycznych. Ponadto przełamuje formę konstrukcyjną tradycyjnych sprzęgieł i przyjmuje nową zasadę sprzęgła magnetycznego, aby uzyskać przenoszenie siły i momentu obrotowego pomiędzy wałem napędowym a wałem napędzanym bez bezpośredniego kontaktu i może przekształcić uszczelnienia dynamiczne w uszczelnienia statyczne, aby osiągnąć zerowy wyciek. Dlatego jest szeroko stosowany w przypadkach, gdy występują specjalne wymagania dotyczące wycieków.
Klasyfikacja sprzęgieł magnetycznych
Typowe transmisje magnetyczne obejmują transmisję synchroniczną, transmisję histerezy i transmisję prądów wirowych. Ze względu na swoje właściwości są one wykorzystywane w różnych dziedzinach. Transmisja synchroniczna odnosi się do synchronizacji sygnału wyjściowego i wejściowego. Istnieją dwie powszechne synchroniczne struktury sprzęgające: planarne sprzęgło magnetyczne i współosiowe sprzęgło magnetyczne.
1. Planarne sprzęgło magnetyczne
Budowa: Magnesy osadzone są na dwóch tarczach o tej samej średnicy w sposób krzyżujący się z biegunami NS. Podczas pracy obie tarcze są instalowane odpowiednio na wale napędowym i wale napędzanym, pozostawiając pomiędzy nimi pewną szczelinę powietrzną.
Zasada: Ponieważ biegun N magnesu A przyciąga biegun S magnesu B po przeciwnej stronie i odpycha bieguny N po obu stronach magnesu B, zapewnione jest, że w pewnym zakresie momentu obrotowego wał napędzany i wał napędowy utrzymają się obracać się synchronicznie.
Moment obrotowy: Ta płaska przekładnia ma prostą konstrukcję i nie wymaga dużej współosiowości dwóch wałów podczas montażu. Ponieważ wykorzystuje zasadę przyciągania płaskiego, im mniejsza szczelina powietrzna, tym większy moment obrotowy. Ponadto, ponieważ przenoszony moment obrotowy jest proporcjonalny do powierzchni tarczy, moment obrotowy tego sprzęgła magnetycznego nie może być zbyt duży, w przeciwnym razie będzie zbyt duży i trudny w montażu.
2. Koncentryczne sprzęgło magnetyczne
Współosiowe sprzęgło magnetyczne jest obecnie najpowszechniej stosowanym synchronicznym urządzeniem transmisyjnym, a jego typowym zastosowaniem jest pompa magnetyczna.
Struktura: Współosiowe sprzęgło magnetyczne składa się z wirnika zewnętrznego, wirnika wewnętrznego, tulei izolacyjnej i układu łożysk. Magnesy są instalowane na zewnętrznym obwodzie wirnika wewnętrznego i na wewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego. Magnesy mają równe bieguny i są ułożone obwodowo w trybie krzyżowym NS. Wyrównaj powierzchnie robocze magnesów wirnika wewnętrznego i zewnętrznego, czyli sprzęgła automatycznego. Tuleja izolacyjna i układ łożysk są stosowane głównie w konstrukcji magnetycznego uszczelnienia przekładni.
Szczelina powietrzna i izolacja: Pomiędzy wirnikiem wewnętrznym i zewnętrznym znajduje się pewna szczelina powietrzna, która służy do izolowania elementów aktywnych i napędzanych. Szczelina powietrzna wynosi przeważnie od 2 mm-8 mm. Im mniejsza szczelina powietrzna, tym wyższy efektywny stopień wykorzystania magnesu, ale tym trudniejsza izolacja; im większa szczelina powietrzna, tym wygodniejsza izolacja, ale mniej efektywne wykorzystanie pola magnetycznego magnesu. Promień położenia szczeliny powietrznej jest promieniem roboczym tego sprzęgła magnetycznego. Podczas projektowania moment obrotowy wymaganej przekładni można uzyskać, dostosowując wielkość promienia szczeliny powietrznej.
Kiedy obciążenie przekracza maksymalny moment obrotowy, przekładnia zaczyna się „ślizgać”, to znaczy magnesy przeskakują z bieżącego stanu sprzęgania do następnego stanu sprzęgania poprzez przemieszczenie kołowe. Podczas tego procesu poślizgu pole magnetyczne w szczelinie powietrznej zmienia się szybko, a magnesy wirnika wewnętrznego i zewnętrznego ulegają jednoczesnemu rozmagnesowaniu, wytwarzając ciepło. W krótkim czasie temperatura może szybko wzrosnąć do ponad 100 stopni Celsjusza, powodując rozmagnesowanie magnesów i złomowanie przekładni. Dlatego chociaż ten typ przekładni może pełnić rolę zabezpieczenia przed przeciążeniem, generalnie nie jest używany jako urządzenie zabezpieczające przed przeciążeniem.
3. Transmisja histerezy
Transmisja histerezy to metoda transmisji wykorzystująca zasadę histerezy. Typowe transmisje histerezowe to zazwyczaj struktury koncentryczne podobne do transmisji synchronicznych. Różnica polega na tym, że wirniki wewnętrzny i zewnętrzny wykorzystują różne materiały magnetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, w wirniku wewnętrznym (wale aktywnym) zastosowano materiały o dużej koercji i dużej remanencji, takie jak neodymowo-żelazowo-borowy. Zewnętrzny wirnik (wał napędzany) wykorzystuje materiały magnetyczne o niskiej koercji, takie jak aluminium, nikiel, kobalt. Magnesy na wale aktywnym są rozmieszczone poprzecznie względem biegunów NS. Gdy obciążenie nie jest większe niż moment znamionowy, wał napędzany obraca się synchronicznie z wałem czynnym; gdy obciążenie przekracza wartość znamionową, wirniki wewnętrzny i zewnętrzny ślizgają się, a na wał napędzany przenoszony jest tylko moment znamionowy. Nadmiar energii jest uwalniany w postaci ciepła podczas procesu ładowania magnesu wewnętrznego i rozmagnesowywania magnesu zewnętrznego.
Ta struktura przenoszenia histerezy jest powszechnie spotykana w magnetycznych maszynach do zamykania butelek, które mogą zapewnić, że zakrętki do butelek będą miały wystarczającą siłę dokręcania bez uszkadzania zakrętek.
4. Napęd wiroprądowy
Zastąpienie materiału magnesu trwałego części napędzanej któregokolwiek z wyżej wymienionych sprzęgieł magnetycznych materiałami nieferromagnetycznymi o dobrej przewodności, takimi jak miedź i aluminium, może zapewnić przenoszenie prądów wirowych, chociaż wydajność przenoszenia może nie być bardzo wysoka. Prostą strukturę transmisji prądów wirowych pokazano na rysunku:
Na aktywnym dysku zamontowane są magnesy o wysokiej wydajności w trybie krzyżowym NS. Napędzana tarcza wykonana jest z miedzi o dobrej przewodności. Linie sił magnetycznych przechodzą przez miedziany dysk. Aktywny dysk obraca się, a prąd wirowy napędza napędzany miedziany dysk, aby podążał za obrotem.
Transmisja prądów wiroprądowych może być synchroniczna lub asynchroniczna. Mówiąc ściślej, synchroniczna transmisja prądów wirowych ma zazwyczaj niewielką ilość (5%) asynchronii. Na przykład prędkość wejściowa wynosi 1000 obr./min, a wyjściowa 950 obr./min. Tę asynchronię można zaakceptować jako utratę transmisji. Typowym zastosowaniem asynchronicznej transmisji prądu wirowego jest układ kontroli napięcia liny zwijanej. Dzięki specjalnemu sterowaniu funkcję regulacji prędkości w określonym zakresie można osiągnąć również poprzez transmisję prądów wirowych.
Magnesy trwałe stosowane w sprzęgłach magnetycznych
Wynalazek i rozwój sprzęgieł magnetycznych są ściśle związane z ciągłym rozwojem materiałów magnetycznych trwałych. Sprzęgła magnetyczne były pierwotnie wykonane z materiałów ferrytowych, jednak ze względu na ich niskie właściwości magnetyczne mogą przenosić jedynie mniejsze momenty obrotowe w tej samej objętości, co sprzęgła tradycyjne, co ogranicza rozwój sprzęgieł magnetycznych.
Właściwości magnetyczne drugiej generacji magnesów trwałych, samaru, kobaltu i aluminium, niklu i kobaltu (AlNiCo), są znacznie wyższe niż materiałów ferrytowych, dzięki czemu wytwarzane sprzęgła magnetyczne mogą przenosić większe momenty obrotowe. Jednakże wysokie ceny samaru-kobaltu i aluminium-niklu-kobaltu poważnie ograniczają rozwój magnetycznych sprzęgieł transmisyjnych.
Maksymalny produkt energii magnetycznej (BH) trwałego materiału magnetycznego neodymowo-żelazowo-borowego (NdFeB) wynosi 428 kJ/m3, co czyni go trzecią generacją materiału magnetycznego trwałego po samaru-kobalcie. NdFeB ma nie tylko lepsze właściwości magnetyczne, ale także większą konkurencyjność na rynku. NdFeB ma produkt o wysokiej energii magnetycznej, wymaga mniej, ma dobrą wydajność przetwarzania, można go ciąć i wiercić oraz ma wysoki współczynnik plastyczności. Dlatego może zmniejszyć objętość sprzęgieł magnetycznych, obniżyć koszty i poprawić wydajność. Jest szeroko stosowany w magnetycznych sprzęgłach transmisyjnych.