Magnetkupplungen sind berührungslose Kupplungen, die ein Magnetfeld nutzen, um Drehmoment, Kraft oder Bewegung von einem rotierenden Element auf ein anderes zu übertragen. Die Übertragung erfolgt durch eine nichtmagnetische Eindämmungsbarriere ohne physische Verbindung. Bei den Kupplungen handelt es sich um gegenüberliegende Scheiben- oder Rotorpaare, in die Magnete eingebettet sind.
Der Einsatz magnetischer Kopplung geht auf erfolgreiche Experimente von Nikola Tesla im späten 19. Jahrhundert zurück. Tesla beleuchtete Lampen drahtlos mithilfe einer resonanten induktiven Nahfeldkopplung. Der schottische Physiker und Ingenieur Sir Alfred Ewing entwickelte die Theorie der magnetischen Induktion im frühen 20. Jahrhundert weiter. Dies führte zur Entwicklung einer Reihe von Technologien, die magnetische Kopplung nutzen. Magnetkupplungen in Anwendungen, die einen hochpräzisen und robusteren Betrieb erfordern, wurden im letzten halben Jahrhundert eingeführt. Die Ausgereiftheit fortschrittlicher Herstellungsprozesse und die erhöhte Verfügbarkeit von magnetischen Seltenerdmaterialien machen dies möglich.
Während alle Magnetkupplungen die gleichen magnetischen Eigenschaften und grundlegenden mechanischen Kräfte nutzen, gibt es zwei Typen, die sich konstruktionsbedingt unterscheiden.
Zu den beiden Haupttypen gehören:
-Scheibenkupplungen mit zwei gegenüberliegenden Scheibenhälften, in die eine Reihe von Magneten eingebettet sind, wobei das Drehmoment über den Spalt von einer Scheibe auf die andere übertragen wird
-Synchronkupplungen wie Permanentmagnetkupplungen, Koaxialkupplungen und Rotorkupplungen, bei denen ein Innenrotor in einem Außenrotor untergebracht ist und Permanentmagnete das Drehmoment von einem Rotor auf den anderen übertragen.
Zusätzlich zu den beiden Haupttypen umfassen Magnetkupplungen sphärische, exzentrische, spiralförmige und nichtlineare Ausführungen. Diese magnetischen Kopplungsalternativen unterstützen die Nutzung von Drehmoment und Vibration, insbesondere in Anwendungen für Biologie, Chemie, Quantenmechanik und Hydraulik.
Im einfachsten Sinne funktionieren Magnetkupplungen nach dem Grundkonzept, dass entgegengesetzte Magnetpole sich anziehen. Die Anziehungskraft der Magnete überträgt das Drehmoment von einer magnetisierten Nabe auf eine andere (vom Antriebselement der Kupplung auf das angetriebene Element). Drehmoment beschreibt die Kraft, die ein Objekt dreht. Wenn ein externer Drehimpuls auf eine magnetische Nabe ausgeübt wird, treibt diese die andere an, indem sie das Drehmoment magnetisch zwischen den Räumen oder durch eine nichtmagnetische Eindämmungsbarriere wie eine Trennwand überträgt.
Das durch diesen Prozess erzeugte Drehmoment wird durch Variablen bestimmt wie:
-Arbeitstemperatur
-Umgebung, in der die Verarbeitung stattfindet
-Magnetische Polarisation
-Anzahl der Polpaare
-Abmessungen der Polpaare, einschließlich Abstand, Durchmesser und Höhe
-Relativer Winkelversatz der Paare
-Verschiebung der Paare
Je nach Ausrichtung der Magnete und Scheiben bzw. Rotoren ist die magnetische Polarisation radial, tangential oder axial. Das Drehmoment wird dann auf ein oder mehrere bewegliche Teile übertragen.
Magnetische Kupplungen gelten in mehrfacher Hinsicht als überlegen gegenüber herkömmlichen mechanischen Kupplungen.
Der fehlende Kontakt mit beweglichen Teilen:
-Reduziert die Reibung
-Erzeugt weniger Wärme
-Nutzt die erzeugte Energie maximal
-Ergibt weniger Verschleiß
-Erzeugt keinen Lärm
-Macht eine Schmierung überflüssig
Darüber hinaus ermöglicht die geschlossene Bauweise bestimmter Synchrontypen die Herstellung von Magnetkupplungen als staubdicht, flüssigkeitsdicht und rostfrei. Die Geräte sind korrosionsbeständig und für extreme Betriebsumgebungen ausgelegt. Ein weiterer Vorteil ist die magnetische Abreißfunktion, die die Kompatibilität für den Einsatz in Bereichen mit potenziellen Stoßgefahren gewährleistet. Darüber hinaus sind Geräte mit Magnetkupplung kostengünstiger als mechanische Kupplungen, wenn sie in Bereichen mit eingeschränktem Zugang platziert werden. Magnetkupplungen werden gerne für Testzwecke und temporäre Installationen eingesetzt.
Magnetkupplungen sind hocheffizient und effektiv für zahlreiche oberirdische Anwendungen, darunter:
-Robotik
-Chemietechnik
-Medizinische Instrumente
-Maschineninstallation
-Lebensmittelverarbeitung
-Rotationsmaschinen
Derzeit werden Magnetkupplungen für ihre Wirksamkeit beim Eintauchen in Wasser geschätzt. Motoren, die in Flüssigkeitspumpen und Propellersystemen von einer nichtmagnetischen Barriere umgeben sind, ermöglichen es der Magnetkraft, den Propeller oder Teile der Pumpe zu betreiben, die mit Flüssigkeit in Kontakt kommen. Durch das Eindringen von Wasser in ein Motorgehäuse verursachte Schäden an der Wasserwelle werden vermieden, indem ein Satz Magnete in einem versiegelten Behälter rotiert.
Zu den Unterwasseranwendungen gehören:
-Taucherantriebsfahrzeuge
-Aquariumpumpen
-Ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge
Da sich die Technologie verbessert, werden Magnetkupplungen immer häufiger als Ersatz für drehzahlgeregelte Antriebe in Pumpen und Lüftermotoren eingesetzt. Ein Beispiel für eine bedeutende industrielle Nutzung sind Motoren in großen Windkraftanlagen.
Die Anzahl, Größe und Art der in einem Kupplungssystem verwendeten Magnete sowie das entsprechende erzeugte Drehmoment sind wichtige Spezifikationen.
Weitere Spezifikationen sind:
-Das Vorhandensein einer Barriere zwischen den Magnetpaaren, wodurch das Gerät zum Eintauchen in Wasser geeignet ist
-Die magnetische Polarisation
-Das Drehmoment der beweglichen Teile wird magnetisch übertragen
Die in Magnetkupplungen verwendeten Magnete bestehen aus seltenen Erdmaterialien wie Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt. Barrieren zwischen den Magnetpaaren bestehen aus nichtmagnetischen Materialien. Beispiele für Materialien, die nicht von Magneten angezogen werden, sind Edelstahl, Titan, Kunststoff, Glas und Glasfaser. Die übrigen Komponenten, die auf beiden Seiten der Magnetkupplungen angebracht sind, sind identisch mit denen, die in jedem System mit herkömmlichen mechanischen Kupplungen verwendet werden.
Die richtige Magnetkupplung muss das erforderliche Drehmomentniveau für den vorgesehenen Betrieb erfüllen. In der Vergangenheit war die Stärke der Magnete ein limitierender Faktor. Die Entdeckung und erhöhte Verfügbarkeit spezieller Seltenerdmagnete führt jedoch zu einem rasch wachsenden Potenzial magnetischer Kupplungen.
Ein zweiter Gesichtspunkt ist die Notwendigkeit, dass die Kupplungen teilweise oder vollständig in Wasser oder andere Flüssigkeiten eingetaucht sein müssen. Hersteller von Magnetkupplungen bieten kundenspezifische Dienstleistungen für einzigartige und konzentrierte Anforderungen an.
