Sprzęgła magnetyczne to sprzęgła bezkontaktowe, które wykorzystują pole magnetyczne do przenoszenia momentu obrotowego, siły lub ruchu z jednego elementu obrotowego na drugi. Transfer odbywa się przez niemagnetyczną barierę zabezpieczającą, bez żadnego fizycznego połączenia. Sprzęgła to przeciwległe pary tarcz lub wirników osadzonych w magnesach.
Zastosowanie sprzężenia magnetycznego datuje się od udanych eksperymentów Nikoli Tesli pod koniec XIX wieku. Bezprzewodowe lampy Tesli wykorzystujące rezonansowe sprzężenie indukcyjne bliskiego pola. Na początku XX wieku szkocki fizyk i inżynier Sir Alfred Ewing rozwinął teorię indukcji magnetycznej. Doprowadziło to do rozwoju szeregu technologii wykorzystujących sprzężenie magnetyczne. W ciągu ostatniego półwiecza pojawiły się sprzęgła magnetyczne w zastosowaniach wymagających dużej precyzji i solidności działania. Umożliwia to dojrzałość zaawansowanych procesów produkcyjnych i zwiększona dostępność materiałów magnetycznych ziem rzadkich.
Chociaż wszystkie sprzęgła magnetyczne wykorzystują te same właściwości magnetyczne i podstawowe siły mechaniczne, istnieją dwa typy, które różnią się konstrukcją.
Dwa główne typy obejmują:
- Sprzęgła tarczowe składające się z dwóch zwróconych do siebie połówek tarczy osadzonych w szeregu magnesów, w których moment obrotowy jest przenoszony przez szczelinę z jednej tarczy na drugą
-Sprzęgła synchroniczne, takie jak sprzęgła z magnesami trwałymi, sprzęgła współosiowe i sprzęgła wirnikowe, w których wirnik wewnętrzny jest osadzony wewnątrz wirnika zewnętrznego, a magnesy trwałe przenoszą moment obrotowy z jednego wirnika na drugi.
Oprócz dwóch głównych typów, sprzęgła magnetyczne obejmują konstrukcje sferyczne, mimośrodowe, spiralne i nieliniowe. Te alternatywne sprzęgła magnetyczne pomagają w wykorzystaniu momentu obrotowego i wibracji, szczególnie stosowanych w zastosowaniach w biologii, chemii, mechanice kwantowej i hydraulice.
Mówiąc najprościej, sprzężenia magnetyczne działają w oparciu o podstawową koncepcję przyciągania przeciwnych biegunów magnetycznych. Przyciąganie magnesów przenosi moment obrotowy z jednej namagnesowanej piasty na drugą (od elementu napędowego sprzęgła do elementu napędzanego). Moment obrotowy opisuje siłę, która obraca obiekt. Gdy zewnętrzny moment pędu jest przykładany do jednej piasty magnetycznej, napędza on drugą, przenosząc moment obrotowy magnetycznie pomiędzy przestrzeniami lub przez niemagnetyczną barierę ograniczającą, taką jak ściana działowa.
Wielkość momentu obrotowego generowanego w tym procesie jest określana przez takie zmienne, jak:
-Temperatura pracy
-Środowisko, w którym następuje przetwarzanie
-Polaryzacja magnetyczna
-Liczba par biegunów
-Wymiary par biegunów, w tym odstęp, średnica i wysokość
-Względne przesunięcie kątowe par
– Przesunięcie par
W zależności od ustawienia magnesów i tarcz lub wirników, polaryzacja magnetyczna jest promieniowa, styczna lub osiowa. Moment obrotowy jest następnie przenoszony na jedną lub więcej ruchomych części.
Sprzęgła magnetyczne są uważane za lepsze od tradycyjnych sprzęgieł mechanicznych pod kilkoma względami.
Brak kontaktu z ruchomymi częściami:
-Zmniejsza tarcie
-Wytwarza mniej ciepła
- Maksymalnie wykorzystuje wytwarzaną moc
-Skutkuje mniejsze zużycie
-Nie wytwarza hałasu
-Eliminuje potrzebę smarowania
Dodatkowo zamknięta konstrukcja związana z określonymi typami synchronicznym pozwala na produkcję sprzęgieł magnetycznych jako pyłoszczelnych, płynoszczelnych i odpornych na rdzę. Urządzenia są odporne na korozję i zaprojektowane tak, aby wytrzymać ekstremalne warunki pracy. Kolejną korzyścią jest funkcja magnetycznego odłączania, która zapewnia zgodność z zastosowaniami w obszarach o potencjalnym ryzyku uderzenia. Ponadto urządzenia wykorzystujące sprzęgła magnetyczne są bardziej opłacalne niż sprzęgła mechaniczne, jeśli są zlokalizowane w obszarach o ograniczonym dostępie. Złącza magnetyczne są popularnym wyborem do celów testowych i instalacji tymczasowych.
Sprzęgła magnetyczne są bardzo wydajne i skuteczne w wielu zastosowaniach naziemnych, w tym:
-Robotyka
-Inżynieria chemiczna
-Instrumenty medyczne
-Instalacja maszyny
-Przetwórstwo spożywcze
-Maszyny rotacyjne
Obecnie sprzęgła magnetyczne są cenione ze względu na ich skuteczność po zanurzeniu w wodzie. Silniki otoczone niemagnetyczną barierą w pompach do cieczy i układach śmigieł pozwalają sile magnetycznej napędzać śmigło lub części pompy stykające się z cieczą. Awarii wału wodnego spowodowanej wnikaniem wody do obudowy silnika można uniknąć poprzez obracanie zestawu magnesów w szczelnym pojemniku.
Zastosowania podwodne obejmują:
-Pojazdy o napędzie nurkowym
-Pompy akwariowe
-Zdalnie sterowane pojazdy podwodne
W miarę udoskonalania technologii sprzęgła magnetyczne stają się coraz bardziej powszechne jako zamienniki napędów o zmiennej prędkości w pompach i silnikach wentylatorów. Przykładem znaczącego zastosowania przemysłowego są silniki w dużych turbinach wiatrowych.
Istotnymi specyfikacjami są liczba, rozmiar i typ magnesów stosowanych w układzie sprzęgającym, a także odpowiadający im wytwarzany moment obrotowy.
Inne specyfikacje obejmują:
- Obecność bariery pomiędzy parami magnetycznymi, kwalifikującej aparat do zanurzenia w wodzie
-Polaryzacja magnetyczna
-Liczba momentów ruchomych części jest przenoszona magnetycznie
Magnesy stosowane w sprzęgłach magnetycznych składają się z materiałów ziem rzadkich, takich jak neodym, żelazo, bor lub samar-kobalt. Bariery istniejące pomiędzy parami magnetycznymi wykonane są z materiałów niemagnetycznych. Przykładami materiałów, które nie są przyciągane przez magnesy, są stal nierdzewna, tytan, plastik, szkło i włókno szklane. Pozostałe elementy przymocowane po obu stronach sprzęgieł magnetycznych są identyczne z tymi stosowanymi w dowolnym systemie z tradycyjnymi sprzęgłami mechanicznymi.
Prawidłowe sprzęgło magnetyczne musi spełniać wymagany poziom momentu obrotowego określony dla zamierzonego działania. W przeszłości siła magnesów była czynnikiem ograniczającym. Jednakże odkrycie i zwiększona dostępność specjalnych magnesów ziem rzadkich szybko zwiększają możliwości sprzęgieł magnetycznych.
Drugą kwestią jest konieczność częściowego lub całkowitego zanurzenia złączy w wodzie lub innej postaci cieczy. Producenci sprzęgieł magnetycznych świadczą usługi dostosowywania do unikalnych i skoncentrowanych potrzeb.
