Magnetische koppelingen zijn contactloze koppelingen die een magnetisch veld gebruiken om koppel, kracht of beweging van het ene roterende onderdeel naar het andere over te brengen. De overdracht vindt plaats via een niet-magnetische insluitingsbarrière zonder enige fysieke verbinding. De koppelingen zijn tegengestelde paren schijven of rotoren ingebed met magneten.
Het gebruik van magnetische koppeling dateert uit succesvolle experimenten van Nikola Tesla aan het einde van de 19e eeuw. Tesla verlichtte lampen draadloos met behulp van resonante inductieve koppeling in het nabije veld. De Schotse natuurkundige en ingenieur Sir Alfred Ewing heeft de theorie van magnetische inductie in het begin van de 20e eeuw verder ontwikkeld. Dit leidde tot de ontwikkeling van een aantal technologieën die gebruik maken van magnetische koppeling. Magnetische koppelingen in toepassingen die een zeer nauwkeurige en robuustere werking vereisen, hebben de afgelopen halve eeuw plaatsgevonden. De volwassenheid van geavanceerde productieprocessen en de toegenomen beschikbaarheid van magnetische materialen van zeldzame aardmetalen maken dit mogelijk.
Hoewel alle magnetische koppelingen dezelfde magnetische eigenschappen en mechanische basiskrachten gebruiken, zijn er twee typen die qua ontwerp verschillen.
De twee belangrijkste typen zijn onder meer:
-Schijfkoppelingen met twee face-to-face schijfhelften ingebed met een reeks magneten waarbij het koppel over de opening van de ene schijf naar de andere wordt overgebracht
-Synchrone koppelingen zoals permanente magneetkoppelingen, coaxiale koppelingen en rotorkoppelingen waarbij een interne rotor in een externe rotor is genest en permanente magneten koppel van de ene rotor naar de andere overbrengen.
Naast de twee hoofdtypen omvatten magnetische koppelingen sferische, excentrische, spiraalvormige en niet-lineaire ontwerpen. Deze magnetische koppelingsalternatieven helpen bij het gebruik van koppel en trillingen, specifiek gebruikt in toepassingen in de biologie, scheikunde, kwantummechanica en hydraulica.
In de eenvoudigste bewoordingen werken magnetische koppelingen volgens het fundamentele concept dat tegengestelde magnetische polen elkaar aantrekken. De aantrekkingskracht van de magneten brengt koppel over van de ene gemagnetiseerde naaf naar de andere (van het aandrijforgaan van de koppeling naar het aangedreven orgaan). Koppel beschrijft de kracht die een object roteert. Wanneer een extern impulsmoment op de ene magnetische naaf wordt uitgeoefend, drijft deze de andere aan door koppel magnetisch over te brengen tussen de ruimtes of via een niet-magnetische insluitingsbarrière zoals een scheidingsmuur.
De hoeveelheid koppel die door dit proces wordt gegenereerd, wordt bepaald door variabelen zoals:
-Werktemperatuur
-Omgeving waarin de verwerking plaatsvindt
-Magnetische polarisatie
-Aantal poolparen
-Afmetingen van poolparen, inclusief opening, diameter en hoogte
-Relatieve hoekverschuiving van de paren
-Verschuiving van de paren
Afhankelijk van de uitlijning van de magneten en schijven of rotoren is de magnetische polarisatie radiaal, tangentieel of axiaal. Het koppel wordt vervolgens overgebracht naar een of meer bewegende delen.
Magnetische koppelingen worden op verschillende manieren als superieur beschouwd aan traditionele mechanische koppelingen.
Het gebrek aan contact met bewegende delen:
-Vermindert wrijving
- Produceert minder warmte
-Maakt maximaal gebruik van de geproduceerde stroom
-Resulteert in minder slijtage
- Produceert geen geluid
-Elimineert de noodzaak voor smering
Bovendien maakt het gesloten ontwerp van bepaalde synchrone typen het mogelijk dat magnetische koppelingen stofdicht, vloeistofdicht en roestbestendig worden vervaardigd. De apparaten zijn corrosiebestendig en ontworpen voor extreme gebruiksomstandigheden. Een ander voordeel is een magnetische breekfunctie die compatibiliteit garandeert voor gebruik in gebieden met potentiële impactgevaren. Bovendien zijn apparaten die gebruik maken van magnetische koppelingen kosteneffectiever dan mechanische koppelingen wanneer ze zich in gebieden met beperkte toegang bevinden. Magnetische koppelingen zijn een populaire keuze voor testdoeleinden en tijdelijke installatie.
Magnetische koppelingen zijn zeer efficiënt en effectief voor tal van bovengrondse toepassingen, waaronder:
-Robotica
-Chemische techniek
-Medische instrumenten
-Machine-installatie
-Voedselverwerking
-Roterende machines
Momenteel worden magnetische koppelingen gewaardeerd vanwege hun effectiviteit wanneer ze in water worden ondergedompeld. Motoren die zijn ingekapseld in een niet-magnetische barrière in vloeistofpompen en propellersystemen zorgen ervoor dat de magnetische kracht de propeller of delen van de pomp in contact met vloeistof kan laten werken. Het falen van de wateras, veroorzaakt door het binnendringen van water in een motorhuis, wordt vermeden door een set magneten in een afgesloten container te laten draaien.
Onderwatertoepassingen zijn onder meer:
-Diver voortstuwingsvoertuigen
-Aquariumpompen
-Op afstand bediende onderwatervoertuigen
Naarmate de technologie verbetert, komen magnetische koppelingen steeds vaker voor als vervanging voor frequentieregelaars in pompen en ventilatormotoren. Een voorbeeld van aanzienlijk industrieel gebruik zijn motoren in grote windturbines.
Het aantal, de grootte en het type magneten dat in een koppelsysteem wordt gebruikt, evenals het bijbehorende geproduceerde koppel, zijn belangrijke specificaties.
Andere specificaties zijn onder meer:
-De aanwezigheid van een barrière tussen de magnetische paren, waardoor het apparaat geschikt is voor onderdompeling in water
-De magnetische polarisatie
-Het aantal bewegende delen wordt magnetisch overgedragen
De magneten die in magnetische koppelingen worden gebruikt, bestaan uit zeldzame aardmetalen zoals neodymium-ijzerborium of samarium-kobalt. Barrières die tussen de magnetische paren bestaan, zijn gemaakt van niet-magnetische materialen. Voorbeelden van materialen die niet door magneten worden aangetrokken zijn roestvrij staal, titanium, kunststof, glas en glasvezel. De overige componenten die aan weerszijden van de magnetische koppelingen zijn bevestigd, zijn identiek aan de componenten die worden gebruikt in elk systeem met traditionele mechanische koppelingen.
De juiste magneetkoppeling moet voldoen aan het vereiste koppelniveau dat is gespecificeerd voor de beoogde werking. Vroeger was de sterkte van de magneten een beperkende factor. Door de ontdekking en toegenomen beschikbaarheid van speciale zeldzame-aardmagneten nemen de mogelijkheden van magnetische koppelingen echter snel toe.
Een tweede overweging is de noodzaak dat de koppelingen geheel of gedeeltelijk in water of andere vormen van vloeistof worden ondergedompeld. Fabrikanten van magnetische koppelingen bieden maatwerkdiensten voor unieke en geconcentreerde behoeften.
