Magneettinen kytkentä on yksi kestomagneettisten materiaalien tärkeistä jatkosovelluksista. Tänään esittelemme systemaattisesti magneettikytkennän periaatteen, luokituksen ja soveltamisen sekä puhumme myös kestomagneetista magneettikytkennässä.
Mikä on magneettinen kytkentä?
Kytkin on tärkeä komponentti mekaanisessa voimansiirrossa, joka välittää vääntömomenttia yhdistämällä käyttöakselin ja vetoakselin. Seuraavassa kuvassa on esitetty useita yleisiä kytkentämuotoja, jotka voivat auttaa sinua ymmärtämään paremmin, mitä kytkentä on.
|
|
|
Perinteiset kytkimet ovat kosketintyyppisiä ja niillä on suhteellisen monimutkaiset rakenteet. Ne kuluvat päivittäisen käytön aikana. Jos ylikuormitus tapahtuu, muut mekaaniset osat kuluvat vakavasti, mikä on erittäin epäedullista mekaanisten käyttölaitteiden vakaudelle. Jos kytkimen vetoakselin ja vetoakselin on toimittava kahdessa eri väliaineessa, jotka on eristetty toisistaan, tulee dynaamiseen tiivistykseen käyttää tiivisteelementtejä. Tällä tavoin ongelmana on joko pyörimisvastuksen lisääminen luotettavan tiivistyksen varmistamiseksi tai vuoto huonon tiivistyksen vuoksi. Lisäksi tiivisteelementtien kuluessa ja vanhentuessa vuodot pahenevat erityisesti järjestelmissä, joissa on haitallisia kaasuja (haitallisia nesteitä). Kun se on vuotanut, se saastuttaa ympäristöä ja vaarantaa hengen.
Magneettiset kytkimet ovat kosketuksettomia kytkimiä, jotka koostuvat yleensä kahdesta magneetista ja joiden keskellä on eristyskansi kahden magneetin erottamiseksi. Sisämagneetti on kytketty siirtoosaan, ja ulompi magneetti on kytketty tehokkaasti tehoosaan, siirtäen tehoa magneettikentän NS-napakytkennän vuorovaikutuksen kautta. Magneettikytkimen tehtävänä on puskuroida ja vaimentaa elastisia kytkimiä. Lisäksi se rikkoo perinteisten kytkimien rakenteellisen muodon ja ottaa käyttöön uuden magneettisen kytkentäperiaatteen saavuttaakseen voiman ja vääntömomentin siirron käyttöakselin ja käytettävän akselin välillä ilman suoraa kosketusta, ja se voi muuttaa dynaamiset tiivisteet staattisiksi tiivisteiksi saavuttaakseen nollavuotoja. Siksi sitä käytetään laajalti tilanteissa, joissa on erityisiä vuotoja koskevia vaatimuksia.
Magneettikytkimien luokittelu
Yleisiä magneettisia lähetyksiä ovat synkroninen lähetys, hystereesilähetys ja pyörrevirtasiirto. Ominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään eri aloilla. Synkronisella lähetyksellä tarkoitetaan lähdön ja tulon synkronointia. On olemassa kaksi yleistä synkronista kytkentärakennetta: tasomagneettinen kytkentä ja koaksiaalinen magneettikytkentä.
1. Tasomagneettinen kytkentä
Rakenne: Magneetit on asennettu kahdelle halkaisijaltaan samanlaiselle kiekolle siten, että ne risteävät NS-napojen kanssa. Käytössä kaksi kiekkoa asennetaan vetoakselille ja vetoakselille, jolloin väliin jää tietty ilmarako.
Periaate: Koska magneetin A N-napa vetää puoleensa magneetin B S-napaa vastakkaisella puolella ja hylkii magneetin B molemmilla puolilla olevaa N napaa, varmistetaan, että tietyllä vääntömomenttialueella käytettävä akseli ja käyttöakseli pysyvät pyörii synkronisesti.
Vääntömomentti: Tällä tasomaisella voimansiirrolla on yksinkertainen rakenne, eikä se vaadi kahdelta akselilta suurta koaksiaalisuutta asennuksen aikana. Koska se käyttää taso vetoperiaatetta, mitä pienempi ilmarako, sitä suurempi vääntömomentti. Lisäksi, koska välitetty vääntömomentti on verrannollinen levyn pinta-alaan, tämän magneettikytkimen vääntömomentti ei voi olla liian suuri, muuten se on liian suuri ja vaikea asentaa.
2. Koaksiaalinen magneettikytkentä
Koaksiaalinen magneettikytkin on tällä hetkellä yleisimmin käytetty synkroninen siirtolaite, ja sen tyypillinen sovellus on magneettipumppu.
Rakenne: Koaksiaalinen magneettikytkin koostuu ulkoroottorista, sisemmästä roottorista, eristysholkista ja laakerijärjestelmästä. Magneetit asennetaan sisäroottorin ulkokehälle ja ulkoroottorin sisäkehälle. Magneetit ovat tasanapaisia ja ne on järjestetty kehän suuntaisesti NS-ristimoodiin. Kohdista sisä- ja ulkoroottoreiden magneettien työpinnat eli automaattinen kytkentä. Eristysholkkia ja laakerijärjestelmää käytetään pääasiassa magneettisen voimansiirron tiivisteen rakenteessa.
Ilmarako ja eristys: Sisä- ja ulkoroottorin välissä on tietty ilmarako, jota käytetään aktiivisten ja ohjattujen komponenttien eristämiseen. Ilmarako on enimmäkseen 2 mm{1}}mm. Mitä pienempi ilmarako on, sitä korkeampi on magneetin tehollinen käyttöaste, mutta sitä vaikeampi on eristys; mitä suurempi ilmarako, sitä kätevämpi eristys, mutta sitä vähemmän tehokasta magneetin magneettikentän hyödyntäminen. Ilmaraon säteen sijainti on tämän magneettikytkimen toimintasäde. Suunnittelussa tarvittavan voimansiirron vääntömomentti saadaan säätämällä ilmaraon säteen kokoa.
Kun kuorma ylittää maksimivääntömomentin, vaihteisto alkaa "luistaa", eli magneetit hyppäävät nykyisestä kytkentätilasta seuraavaan kytkentätilaan ympyräsiirtymällä. Tämän liukumisprosessin aikana ilmaraon magneettikenttä muuttuu nopeasti ja sisä- ja ulkoroottorin magneetit demagnetoituvat samanaikaisesti, jolloin syntyy lämpöä. Lyhyessä ajassa lämpötila voi nousta nopeasti yli 100 celsiusasteeseen, jolloin magneetit demagnetoituvat ja voimansiirto romutetaan. Siksi, vaikka tämäntyyppinen voimansiirto voi toimia ylikuormitussuojana, sitä ei yleensä käytetä ylikuormitussuojalaitteena.
3. Hystereesivaihteisto
Hystereesilähetys on siirtomenetelmä, joka soveltaa hystereesiperiaatetta. Yleiset hystereesilähetykset ovat yleensä koaksiaalisia rakenteita, jotka ovat samanlaisia kuin synkroniset lähetykset. Erona on, että sisä- ja ulkoroottorit käyttävät erilaisia magneettisia materiaaleja. Yleisesti ottaen sisäroottori (aktiivinen akseli) käyttää materiaaleja, joilla on korkea koersitiivisuus ja korkea remanenssi, kuten neodyymirautaboori. Ulkoroottori (käyttöakseli) käyttää magneettisia materiaaleja, joilla on pieni koersitiivisuus, kuten alumiininikkelikobolttia. Aktiivisen akselin magneetit on järjestetty ristikkäin NS-napojen mukaan. Kun kuorma ei ole suurempi kuin nimellismomentti, käytettävä akseli pyörii synkronisesti aktiivisen akselin kanssa; kun kuorma ylittää nimellisarvon, sisä- ja ulkoroottori luistavat ja vain nimellismomentti välittyy käytettävälle akselille. Ylimääräinen energia vapautuu lämmön muodossa sisäisen magneetin latauksen ja ulkomagneetin demagnetoinnin aikana.
Tätä hystereesin välitysrakennetta löytyy yleisesti magneettikorkkikoneista, jotka voivat varmistaa pullonkorkien riittävän kiristysvoiman vahingoittamatta pullonkorkkeja.
4. Pyörrevirtakäyttö
Korvaamalla minkä tahansa edellä mainitun magneettikytkimen käyttöosan kestomagneettimateriaali ei-ferromagneettisilla materiaaleilla, joilla on hyvä johtavuus, kuten kuparilla ja alumiinilla, voidaan saada aikaan pyörrevirtasiirto, vaikka lähetysteho ei välttämättä ole kovin korkea. Yksinkertainen levypyörrevirtasiirtorakenne on esitetty kuvassa:
Aktiivilevylle on asennettu korkean suorituskyvyn magneetit NS-ristitilassa. Käytettävä levy on valmistettu kuparista, jolla on hyvä johtavuus. Magneettiset voimalinjat kulkevat kuparilevyn läpi. Aktiivinen kiekko pyörii ja pyörrevirta ajaa kuljetetun kuparikiekon seuraamaan pyörimistä.
Pyörrevirran siirto voi olla synkronista tai asynkronista. Tarkemmin sanottuna synkronisessa pyörrevirtalähetyksessä on yleensä pieni määrä (5 %) asynkronisuutta. Esimerkiksi sisääntulo on 1000 rpm ja lähtö 950 rpm. Tämä asynkronia voidaan hyväksyä lähetyshäviöksi. Tyypillinen asynkronisen pyörrevirtasiirron sovellus on sisäänvedettävän linjan jännityksensäätöjärjestelmä. Erikoisohjauksella nopeudensäätötoiminto tietyllä alueella voidaan saavuttaa myös pyörrevirtasiirrolla.
Kestomagneetit, joita käytetään magneettikytkimissä
Magneettikytkentöjen keksintö ja kehitys liittyvät läheisesti kestomagneettisten materiaalien jatkuvaan etenemiseen. Magneettiset kytkimet valmistettiin alun perin ferriittimateriaaleista, mutta alhaisten magneettisten ominaisuuksiensa vuoksi ne pystyvät välittämään vain pienempiä vääntömomentteja samassa tilavuudessa kuin perinteiset kytkimet, mikä rajoittaa magneettikytkentöjen kehitystä.
Toisen sukupolven kestomagneettimateriaalien samariumkoboltti- ja alumiininikkelikobolttimagneettien (AlNiCo) magneettiset ominaisuudet ovat paljon korkeammat kuin ferriittimateriaalien, joten valmistetut magneettikytkimet voivat siirtää suurempia vääntömomentteja. Samariumkoboltin ja alumiininikkelikoboltin korkeat hinnat rajoittavat kuitenkin vakavasti magneettisten voimansiirtokytkimien kehittämistä.
Neodyymirautaboorin (NdFeB) kestomagneettimateriaalin suurin magneettinen energiatuote (BH) on 428 kJ/m3, mikä tekee siitä kolmannen sukupolven kestomagneettista materiaalia samariumkoboltin jälkeen. NdFeB:llä ei ole vain parempia magneettisia ominaisuuksia, vaan sillä on myös vahvempi markkinakilpailukyky. NdFeB:llä on korkea magneettinen energiatuote, se vaatii vähemmän, sillä on hyvä prosessointikyky, se voidaan leikata ja porata ja sillä on korkea tuottoaste. Siksi se voi vähentää magneettikytkentöjen määrää, vähentää kustannuksia ja parantaa tehokkuutta. Sitä on käytetty laajalti magneettisissa siirtokytkimissä.