자기 결합은 영구 자석 재료의 중요한 다운스트림 응용 분야 중 하나입니다. 오늘은 자기결합의 원리와 분류, 응용을 체계적으로 소개하고, 자기결합에 있어서 영구자석에 대해서도 이야기해보겠습니다.
자기 결합이란 무엇입니까?
커플링은 구동축과 피동축을 연결해 토크를 전달하는 기계식 변속기의 중요한 부품이다. 다음 그림은 결합이 무엇인지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 일반적인 결합 형태를 보여줍니다.
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기존의 커플링은 접촉식이며 상대적으로 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 일상적인 작업 중에 마모됩니다. 과부하가 발생하면 다른 기계 부품이 심각하게 마모되어 기계 작동 장비의 안정성에 매우 불리합니다. 커플링의 구동 샤프트와 피동 샤프트가 서로 분리된 두 개의 서로 다른 매체에서 작동해야 하는 경우 동적 씰링을 위해 씰링 요소를 사용해야 합니다. 이렇게 하면 신뢰성 있는 밀봉을 보장하기 위해 회전 저항을 증가시키거나 밀봉 불량으로 인해 누출이 발생하는 문제가 있습니다. 또한, 밀봉 요소가 마모되고 노화됨에 따라 특히 유해 가스(유해 액체)가 포함된 시스템에서 누출이 더욱 심해집니다. 일단 누출되면 환경을 오염시키고 생명을 위협할 것입니다.
자기 커플링은 비접촉 커플링으로 일반적으로 두 개의 자석으로 구성되며, 두 개의 자석을 분리하기 위해 중앙에 절연 커버가 있습니다. 내부 자석은 전달부에 연결되고 외부 자석은 전원부에 효과적으로 연결되어 자기장 NS 극 결합의 상호 작용을 통해 전력을 전달합니다. 마그네틱 커플링은 탄성 커플링의 완충 및 진동 흡수 기능을 가지고 있습니다. 또한 기존 커플링의 구조적 형태를 깨고 새로운 자기 커플링 원리를 채택하여 직접 접촉 없이 구동축과 피동축 사이에 힘과 토크 전달을 달성하고 동적 씰을 정적 씰로 변환하여 누출 제로를 달성할 수 있습니다. 따라서 누출에 대한 특별한 요구 사항이 있는 경우에 널리 사용됩니다.
자기 커플 링의 분류
일반적인 자기 전송에는 동기식 전송, 히스테리시스 전송 및 와전류 전송이 포함됩니다. 각각의 특성으로 인해 다양한 분야에서 사용됩니다. 동기 전송은 출력과 입력의 동기화를 의미합니다. 두 가지 일반적인 동기식 결합 구조가 있습니다: 평면 자기 결합과 동축 자기 결합.
1. 평면 자기 결합
구조: 자석은 NS 극을 교차하는 방식으로 동일한 직경의 두 디스크에 설치됩니다. 사용 시 두 개의 디스크가 구동축과 피동축에 각각 설치되어 그 사이에 일정한 공극이 남습니다.
원리: 자석 A의 N극이 반대편 자석 B의 S극을 끌어당기고 자석 B의 양쪽 N극을 밀어내기 때문에 특정 토크 범위 내에서 피동축과 구동축이 서로 동기식으로 회전합니다.
토크: 이 평면 변속기는 구조가 간단하고 설치 시 두 샤프트의 높은 동축성을 요구하지 않습니다. 평면 인력의 원리를 이용하므로 공극이 작을수록 토크가 커집니다. 또한 전달되는 토크는 디스크 면적에 비례하기 때문에 이 자기 커플링의 토크는 너무 클 수 없습니다. 그렇지 않으면 너무 커서 설치가 어렵습니다.
2. 동축 자기 커플링
동축 자기 결합은 현재 가장 널리 사용되는 동기 전송 장치이며 대표적인 응용 분야는 자기 펌프입니다.
구조: 동축 자기 커플링은 외부 로터, 내부 로터, 절연 슬리브 및 베어링 시스템으로 구성됩니다. 내부로터의 외주면과 외부로터의 내주면에 자석이 설치되어 있다. 자석은 짝수 극이며 NS 교차 모드에서 원주 방향으로 배열됩니다. 내부 로터와 외부 로터의 자석 작업 표면, 즉 자동 커플 링을 정렬합니다. 절연 슬리브와 베어링 시스템은 주로 자기 변속기 씰의 구조에 사용됩니다.
에어 갭 및 격리: 내부 로터와 외부 로터 사이에는 활성 구성 요소와 구동 구성 요소를 격리하는 데 사용되는 특정 에어 갭이 있습니다. 공극은 대부분 2mm-8mm 사이입니다. 에어 갭이 작을수록 자석의 유효 활용률은 높아지지만 격리가 더 어려워집니다. 에어 갭이 클수록 격리가 더 편리해 지지만 자석의 자기장 활용은 덜 효과적입니다. 에어 갭의 반경 위치는 이 자기 커플링의 작동 반경입니다. 설계시 에어 갭 반경의 크기를 조정하여 필요한 변속기의 토크를 얻을 수 있습니다.
부하가 최대 토크를 초과하면 변속기가 "미끄러지기" 시작합니다. 즉, 자석이 원형 변위에 의해 현재 결합 상태에서 다음 결합 상태로 점프합니다. 이러한 미끄러짐 과정에서 에어 갭의 자기장이 급격하게 변화하고 내부 로터와 외부 로터의 자석이 동시에 서로 감자되어 열이 발생합니다. 단기간 내에 온도가 섭씨 100도 이상으로 빠르게 상승하여 자석의 자기가 없어지고 변속기가 폐기될 수 있습니다. 따라서 이러한 유형의 변속기는 과부하 보호 역할을 할 수 있지만 일반적으로 과부하 보호 장치로 사용되지 않습니다.
3. 히스테리시스 전달
히스테리시스 전송은 히스테리시스 원리를 적용한 전송 방식입니다. 일반적인 히스테리시스 전송은 일반적으로 동기식 전송과 유사한 동축 구조입니다. 차이점은 내부 로터와 외부 로터가 서로 다른 자성 재료를 사용한다는 것입니다. 일반적으로 내부 로터(액티브 샤프트)에는 네오디뮴 철 붕소 등 보자력과 잔류성이 높은 재료가 사용됩니다. 외부 로터(종동축)에는 알루미늄 니켈 코발트 등 보자력이 낮은 자성 재료를 사용합니다. 활성 샤프트의 자석은 NS 극에 따라 십자형으로 배열됩니다. 부하가 정격 토크보다 크지 않으면 피동 샤프트가 활성 샤프트와 동시에 회전합니다. 부하가 정격값을 초과하면 내부 로터와 외부 로터가 미끄러지고 정격 토크만 피동축에 전달됩니다. 내부 자석이 충전되고 외부 자석이 탈자되는 과정에서 잉여 에너지가 열의 형태로 방출됩니다.
이 히스테리시스 전달 구조는 자기 캡핑 기계에서 일반적으로 발견되며, 이는 병 뚜껑을 손상시키지 않고 병 뚜껑이 충분한 조임력을 갖도록 보장할 수 있습니다.
4. 와전류 드라이브
위에서 언급한 자기 커플링의 구동 부분의 영구 자석 재료를 구리 및 알루미늄과 같은 전도성이 좋은 비강자성 재료로 교체하면 전송 효율이 그다지 높지 않을 수 있지만 와전류 전송을 달성할 수 있습니다. 간단한 디스크 와전류 전송 구조가 그림에 나와 있습니다.
액티브 디스크에는 NS 크로스 모드로 고성능 마그넷이 탑재됐다. 구동 디스크는 전도성이 좋은 구리로 만들어졌습니다. 자력선은 구리 디스크를 통과합니다. 활성 디스크가 회전하고 와전류가 구동 구리 디스크를 구동하여 회전을 따릅니다.
와전류 전송은 동기식 또는 비동기식일 수 있습니다. 정확하게 말하면, 동기식 와전류 전송은 일반적으로 비동기성이 적습니다(5%). 예를 들어 입력이 1000rpm이고 출력이 950rpm입니다. 이러한 비동기성은 전송 손실로 받아들여질 수 있습니다. 비동기식 와전류 전송의 일반적인 응용은 개폐식 라인의 장력 제어 시스템입니다. 특수 제어를 통해 와전류 전송을 통해 특정 범위 내에서 속도 조절 기능을 구현할 수도 있습니다.
자기 커플링에 사용되는 영구 자석
자기 커플링의 발명과 개발은 영구자석 재료의 지속적인 발전과 밀접한 관련이 있습니다. 자기 커플링은 원래 페라이트 재료로 만들어졌지만 낮은 자기 특성으로 인해 기존 커플링과 동일한 부피에서 더 작은 토크만 전달할 수 있어 자기 커플링의 개발이 제한됩니다.
2세대 영구자석 소재인 사마륨코발트와 알루미늄니켈코발트자석(AlNiCo)은 페라이트 소재에 비해 자기적 특성이 훨씬 높아 제작된 마그네틱 커플링이 더 큰 토크를 전달할 수 있다. 그러나 사마륨 코발트와 알루미늄 니켈 코발트의 높은 가격은 자기 변속기 커플링의 개발을 심각하게 제한합니다.
네오디뮴철붕소(NdFeB) 영구자성재료의 최대자기에너지곱(BH)은 428kJ/m3으로 사마륨코발트에 이어 3세대 영구자성재료이다. NdFeB는 자기적 특성이 더 좋을 뿐만 아니라 시장 경쟁력도 더 강합니다. NdFeB는 높은 자기 에너지 제품을 가지고 있고 덜 필요하며 가공 성능이 좋고 절단 및 천공이 가능하며 수율이 높습니다. 따라서 마그네틱 커플링의 부피를 줄이고 비용을 절감하며 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 그것은 자기 전달 커플 링에 널리 사용되었습니다.