O acoplamento magnético é uma das importantes aplicações a jusante de materiais magnéticos permanentes. Hoje, apresentaremos sistematicamente o princípio, classificação e aplicação do acoplamento magnético, e também falaremos sobre o ímã permanente no acoplamento magnético.
O que é acoplamento magnético?
O acoplamento é um componente importante na transmissão mecânica, que transmite torque conectando o eixo motor e o eixo acionado. A figura a seguir mostra vários formatos de acoplamento comuns, que podem ajudá-lo a entender melhor o que é acoplamento.
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Os acoplamentos tradicionais são do tipo contato e possuem estruturas relativamente complexas. Eles se desgastarão durante as operações diárias. Se ocorrer sobrecarga, outras peças mecânicas ficarão seriamente desgastadas, o que é muito desfavorável à estabilidade do equipamento de operação mecânica. Se o eixo motor e o eixo acionado do acoplamento precisarem trabalhar em dois meios diferentes e isolados um do outro, elementos de vedação deverão ser utilizados para vedação dinâmica. Desta forma, existe o problema de aumentar a resistência rotacional para garantir uma vedação confiável ou de vazar devido a uma vedação deficiente. Além disso, à medida que os elementos de vedação se desgastam e envelhecem, as fugas serão agravadas, especialmente em sistemas com gases nocivos (líquidos nocivos). Uma vez vazado, poluirá o meio ambiente e colocará vidas em risco.
Os acoplamentos magnéticos são acoplamentos sem contato, geralmente compostos por dois ímãs, com uma tampa de isolamento no meio para separar os dois ímãs. O ímã interno é conectado à parte de transmissão, e o ímã externo é efetivamente conectado à parte de potência, transmitindo energia através da interação do campo magnético NS acoplamento do pólo. Os acoplamentos magnéticos têm a função de amortecer e absorver vibrações dos acoplamentos elásticos. Além disso, ele quebra a forma estrutural dos acoplamentos tradicionais e adota um novo princípio de acoplamento magnético para obter transmissão de força e torque entre o eixo motor e o eixo acionado sem contato direto, e pode transformar vedações dinâmicas em vedações estáticas para obter vazamento zero. Portanto, é amplamente utilizado em ocasiões com requisitos especiais de vazamento.
Classificação de acoplamentos magnéticos
As transmissões magnéticas comuns incluem transmissão síncrona, transmissão de histerese e transmissão de correntes parasitas. Pelas suas respectivas características, são utilizados em diversas áreas. A transmissão síncrona refere-se à sincronização de saída e entrada. Existem duas estruturas comuns de acoplamento síncrono: acoplamento magnético planar e acoplamento magnético coaxial.
1. Acoplamento magnético planar
Estrutura: Os ímãs são instalados em dois discos de mesmo diâmetro de forma a cruzar os pólos NS. Quando em uso, os dois discos são instalados no eixo motor e no eixo acionado respectivamente, deixando um certo espaço de ar entre eles.
Princípio: Como o pólo N do ímã A atrai o pólo S do ímã B no lado oposto e repele os pólos N em ambos os lados do ímã B, é garantido que dentro de uma determinada faixa de torque, o eixo acionado e o eixo acionador mantenham girando sincronizadamente.
Torque: Esta transmissão planar possui estrutura simples e não requer alta coaxialidade dos dois eixos durante a instalação. Por utilizar o princípio da atração plana, quanto menor o entreferro, maior o torque. Além disso, como o torque transmitido é proporcional à área do disco, o torque deste acoplamento magnético não pode ser muito grande, caso contrário será muito grande e difícil de instalar.
2. Acoplamento magnético coaxial
O acoplamento magnético coaxial é o dispositivo de transmissão síncrona mais utilizado atualmente e sua aplicação típica é a bomba magnética.
Estrutura: O acoplamento magnético coaxial consiste no rotor externo, rotor interno, luva de isolamento e sistema de rolamento. Os ímãs são instalados na circunferência externa do rotor interno e na circunferência interna do rotor externo. Os ímãs são pólos pares e dispostos circunferencialmente no modo cruzado NS. Alinhe as superfícies de trabalho dos ímãs dos rotores interno e externo, ou seja, acoplamento automático. A luva de isolamento e o sistema de rolamento são usados principalmente na estrutura do selo de transmissão magnética.
Entreferro e isolamento: Existe um certo entreferro entre os rotores internos e externos, que é usado para isolar componentes ativos e acionados. O entreferro é principalmente entre 2mm-8mm. Quanto menor for o entreferro, maior será a taxa de utilização efetiva do ímã, mas mais difícil será o isolamento; quanto maior o entreferro, mais conveniente será o isolamento, mas menos eficaz será a utilização do campo magnético do ímã. A posição do raio do entreferro é o raio de trabalho deste acoplamento magnético. Ao projetar, o torque da transmissão necessária pode ser obtido ajustando o tamanho do raio do entreferro.
Quando a carga ultrapassa o torque máximo, a transmissão começa a “escorregar”, ou seja, os ímãs saltam do estado de acoplamento atual para o próximo estado de acoplamento por deslocamento circular. Durante esse processo de deslizamento, o campo magnético no entreferro muda rapidamente e os ímãs dos rotores interno e externo são desmagnetizados um pelo outro ao mesmo tempo, gerando calor. Em um curto período, a temperatura pode subir rapidamente para mais de 100 graus Celsius, fazendo com que os ímãs se desmagnetizem e a transmissão seja descartada. Portanto, embora este tipo de transmissão possa desempenhar o papel de proteção contra sobrecarga, geralmente não é utilizado como dispositivo de proteção contra sobrecarga.
3. Transmissão de histerese
A transmissão por histerese é um método de transmissão que aplica o princípio da histerese. As transmissões de histerese comuns são geralmente estruturas coaxiais semelhantes às transmissões síncronas. A diferença é que os rotores interno e externo utilizam materiais magnéticos diferentes. De modo geral, o rotor interno (eixo ativo) utiliza materiais com alta coercividade e alta remanência, como neodímio ferro boro. O rotor externo (eixo acionado) utiliza materiais magnéticos com baixa coercividade, como alumínio níquel cobalto. Os ímãs no eixo ativo são dispostos transversalmente de acordo com os pólos NS. Quando a carga não é maior que o torque nominal, o eixo acionado gira sincronizadamente com o eixo ativo; quando a carga excede o valor nominal, os rotores interno e externo escorregam e apenas o torque nominal é transmitido ao eixo acionado. O excesso de energia é liberado na forma de calor durante o processo de carregamento do ímã interno e desmagnetização do ímã externo.
Essa estrutura de transmissão de histerese é comumente encontrada em máquinas de tampar magnéticas, o que pode garantir que as tampas das garrafas tenham força de aperto suficiente sem danificá-las.
4. Unidade de corrente parasita
Substituir o material do ímã permanente da parte acionada de qualquer um dos acoplamentos magnéticos mencionados acima por materiais não ferromagnéticos com boa condutividade, como cobre e alumínio, pode obter transmissão de correntes parasitas, embora a eficiência de transmissão possa não ser muito alta. A estrutura de transmissão de corrente parasita de disco simples é mostrada na figura:
No disco ativo, ímãs de alto desempenho são instalados no modo NS cross. O disco acionado é feito de cobre com boa condutividade. As linhas magnéticas de força passam pelo disco de cobre. O disco ativo gira e a corrente parasita faz com que o disco de cobre acionado siga a rotação.
A transmissão por correntes parasitas pode ser síncrona ou assíncrona. Para ser mais preciso, a transmissão síncrona de correntes parasitas geralmente apresenta uma pequena quantidade (5%) de assincronia. Por exemplo, a entrada é 1000 rpm e a saída é 950 rpm. Essa assincronia pode ser aceita como perda de transmissão. A aplicação típica da transmissão assíncrona de correntes parasitas é o sistema de controle de tensão da linha retrátil. Através de controle especial, a função de regulação de velocidade dentro de uma determinada faixa também pode ser alcançada através da transmissão de correntes parasitas.
Ímãs permanentes usados em acoplamentos magnéticos
A invenção e o desenvolvimento de acoplamentos magnéticos estão intimamente relacionados ao progresso contínuo de materiais magnéticos permanentes. Os acoplamentos magnéticos foram originalmente feitos de materiais de ferrite, mas devido às suas baixas propriedades magnéticas, eles só podem transmitir torques menores no mesmo volume que os acoplamentos tradicionais, o que limita o desenvolvimento de acoplamentos magnéticos.
As propriedades magnéticas dos materiais magnéticos permanentes de segunda geração, samário-cobalto e ímãs de alumínio-níquel-cobalto (AlNiCo) são muito superiores às dos materiais de ferrite, de modo que os acoplamentos magnéticos fabricados podem transmitir torques maiores. No entanto, os altos preços do samário-cobalto e do alumínio-níquel-cobalto restringem seriamente o desenvolvimento de acoplamentos de transmissão magnética.
O produto máximo de energia magnética (BH) do material magnético permanente de neodímio ferro boro (NdFeB) é 428kJ/m3, tornando-o a terceira geração de material magnético permanente depois do samário-cobalto. O NdFeB não só possui melhores propriedades magnéticas, mas também possui maior competitividade no mercado. O NdFeB possui um produto de alta energia magnética, requer menos, tem bom desempenho de processamento, pode ser cortado e perfurado e possui uma alta taxa de rendimento. Portanto, pode reduzir o volume de acoplamentos magnéticos, reduzir custos e melhorar a eficiência. Tem sido amplamente utilizado em acoplamentos de transmissão magnética.