Le couplage magnétique est l’une des applications importantes en aval des matériaux magnétiques permanents. Aujourd'hui, nous présenterons systématiquement le principe, la classification et l'application du couplage magnétique, et parlerons également de l'aimant permanent dans le couplage magnétique.
Qu'est-ce que le couplage magnétique ?
L'accouplement est un élément important de la transmission mécanique, qui transmet le couple en reliant l'arbre d'entraînement et l'arbre mené. La figure suivante montre plusieurs formes de couplage courantes, qui peuvent vous aider à mieux comprendre ce qu'est le couplage.
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Les accouplements traditionnels sont de type contact et ont des structures relativement complexes. Ils s'useront au cours des opérations quotidiennes. En cas de surcharge, d'autres pièces mécaniques seront sérieusement usées, ce qui est très défavorable à la stabilité des équipements de fonctionnement mécanique. Si l'arbre menant et l'arbre mené de l'accouplement doivent travailler dans deux milieux différents isolés l'un de l'autre, des éléments d'étanchéité doivent être utilisés pour l'étanchéité dynamique. De cette manière, il existe un problème soit d'augmenter la résistance à la rotation pour assurer une étanchéité fiable, soit de fuir en raison d'une mauvaise étanchéité. De plus, à mesure que les éléments d'étanchéité s'usent et vieillissent, les fuites s'aggravent, notamment dans les systèmes contenant des gaz nocifs (liquides nocifs). Une fois divulgué, il polluera l’environnement et mettra la vie en danger.
Les accouplements magnétiques sont des accouplements sans contact, généralement composés de deux aimants, avec un couvercle d'isolation au milieu pour séparer les deux aimants. L'aimant intérieur est connecté à la partie de transmission et l'aimant extérieur est efficacement connecté à la partie de puissance, transmettant la puissance grâce à l'interaction du champ magnétique NS couplage des pôles. Les accouplements magnétiques ont pour fonction de tamponner et d'absorber les vibrations des accouplements élastiques. De plus, il brise la forme structurelle des accouplements traditionnels et adopte un nouveau principe d'accouplement magnétique pour obtenir une transmission de force et de couple entre l'arbre d'entraînement et l'arbre mené sans contact direct, et peut transformer les joints dynamiques en joints statiques pour obtenir une fuite nulle. Par conséquent, il est largement utilisé dans des occasions présentant des exigences particulières en matière de fuite.
Classification des accouplements magnétiques
Les transmissions magnétiques courantes comprennent la transmission synchrone, la transmission par hystérésis et la transmission par courants de Foucault. De par leurs caractéristiques respectives, ils sont utilisés dans différents domaines. La transmission synchrone fait référence à la synchronisation de la sortie et de l'entrée. Il existe deux structures de couplage synchrone courantes : le couplage magnétique planaire et le couplage magnétique coaxial.
1. Couplage magnétique planaire
Structure : Les aimants sont installés sur deux disques de même diamètre de manière à croiser les pôles NS. Lors de l'utilisation, les deux disques sont installés respectivement sur l'arbre d'entraînement et l'arbre mené, laissant un certain entrefer entre les deux.
Principe : Puisque le pôle N de l'aimant A attire le pôle S de l'aimant B du côté opposé et repousse les pôles N des deux côtés de l'aimant B, on garantit que dans une certaine plage de couple, l'arbre mené et l'arbre menant restent tournant de manière synchrone.
Couple : Cette transmission planaire a une structure simple et ne nécessite pas une grande coaxialité des deux arbres lors de l'installation. Puisqu’il utilise le principe de l’attraction plane, plus l’entrefer est petit, plus le couple est élevé. De plus, le couple transmis étant proportionnel à la surface du disque, le couple de cet accouplement magnétique ne peut pas être trop important, sinon il sera trop important et difficile à installer.
2. Couplage magnétique coaxial
Le couplage magnétique coaxial est actuellement le dispositif de transmission synchrone le plus utilisé et son application typique est la pompe magnétique.
Structure : L'accouplement magnétique coaxial se compose du rotor externe, du rotor interne, du manchon d'isolation et du système de roulement. Des aimants sont installés sur la circonférence extérieure du rotor intérieur et sur la circonférence intérieure du rotor extérieur. Les aimants sont à pôles pairs et disposés circonférentiellement en mode croisé NS. Alignez les surfaces de travail des aimants des rotors intérieurs et extérieurs, c'est-à-dire le couplage automatique. Le manchon d'isolation et le système de roulement sont principalement utilisés dans la structure du joint de transmission magnétique.
Entrefer et isolation : il existe un certain entrefer entre les rotors intérieurs et extérieurs, qui est utilisé pour isoler les composants actifs et entraînés. L'entrefer est généralement compris entre 2 mm-8 mm. Plus l'entrefer est petit, plus le taux d'utilisation efficace de l'aimant est élevé, mais plus l'isolation est difficile ; plus l'entrefer est grand, plus l'isolation est pratique, mais moins l'utilisation du champ magnétique de l'aimant est efficace. La position du rayon de l'entrefer est le rayon de travail de cet accouplement magnétique. Lors de la conception, le couple de la transmission requise peut être obtenu en ajustant la taille du rayon de l'entrefer.
Lorsque la charge dépasse le couple maximum, la transmission commence à « glisser », c'est-à-dire que les aimants passent de l'état d'accouplement actuel à l'état d'accouplement suivant par déplacement circulaire. Au cours de ce processus de glissement, le champ magnétique dans l'entrefer change rapidement et les aimants des rotors intérieur et extérieur sont démagnétisés les uns par les autres en même temps, générant de la chaleur. En peu de temps, la température peut rapidement atteindre plus de 100 degrés Celsius, provoquant la démagnétisation des aimants et la mise au rebut de la transmission. Par conséquent, bien que ce type de transmission puisse jouer le rôle de protection contre les surcharges, il n'est généralement pas utilisé comme dispositif de protection contre les surcharges.
3. Transmission par hystérésis
La transmission par hystérésis est une méthode de transmission qui applique le principe de l'hystérésis. Les transmissions à hystérésis courantes sont généralement des structures coaxiales similaires aux transmissions synchrones. La différence est que les rotors intérieur et extérieur utilisent des matériaux magnétiques différents. D'une manière générale, le rotor intérieur (arbre actif) utilise des matériaux à haute coercivité et à haute rémanence, comme le néodyme fer bore. Le rotor extérieur (arbre mené) utilise des matériaux magnétiques à faible coercivité, tels que l'aluminium-nickel-cobalt. Les aimants sur l'arbre actif sont disposés transversalement selon les pôles NS. Lorsque la charge n'est pas supérieure au couple nominal, l'arbre mené tourne de manière synchrone avec l'arbre actif ; lorsque la charge dépasse la valeur nominale, les rotors intérieur et extérieur glissent et seul le couple nominal est transmis à l'arbre mené. L’énergie excédentaire est libérée sous forme de chaleur pendant le processus de charge de l’aimant interne et de démagnétisation de l’aimant externe.
Cette structure de transmission par hystérésis se trouve couramment dans les machines de capsulage magnétiques, qui peuvent garantir que les capsules de bouteilles ont une force de serrage suffisante sans endommager les capsules de bouteilles.
4. Entraînement par courants de Foucault
Le remplacement du matériau de l'aimant permanent de la partie entraînée de l'un des accouplements magnétiques mentionnés ci-dessus par des matériaux non ferromagnétiques ayant une bonne conductivité, tels que le cuivre et l'aluminium, peut permettre une transmission par courants de Foucault, bien que l'efficacité de la transmission puisse ne pas être très élevée. La structure simple de transmission par courants de Foucault à disque est illustrée dans la figure :
Sur le disque actif, des aimants hautes performances sont installés en mode NS cross. Le disque entraîné est en cuivre avec une bonne conductivité. Les lignes de force magnétiques traversent le disque de cuivre. Le disque actif tourne et les courants de Foucault entraînent le disque de cuivre entraîné à suivre la rotation.
La transmission par courants de Foucault peut être synchrone ou asynchrone. Pour être précis, la transmission synchrone par courants de Foucault présente généralement une petite quantité (5 %) d’asynchronisme. Par exemple, l’entrée est de 1 000 tr/min et la sortie est de 950 tr/min. Cette asynchronie peut être acceptée comme une perte de transmission. L'application typique de la transmission asynchrone par courants de Foucault est le système de contrôle de tension de la ligne rétractable. Grâce à un contrôle spécial, la fonction de régulation de la vitesse dans une certaine plage peut également être réalisée par transmission par courants de Foucault.
Aimants permanents utilisés dans les couplages magnétiques
L'invention et le développement des couplages magnétiques sont étroitement liés au progrès continu des matériaux magnétiques permanents. Les accouplements magnétiques étaient à l'origine constitués de ferrites, mais en raison de leurs faibles propriétés magnétiques, ils ne peuvent transmettre que des couples plus faibles dans le même volume que les accouplements traditionnels, ce qui limite le développement des accouplements magnétiques.
Les propriétés magnétiques des matériaux magnétiques permanents de deuxième génération, le samarium-cobalt et l'aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo), sont bien supérieures à celles des matériaux en ferrite, de sorte que les accouplements magnétiques fabriqués peuvent transmettre des couples plus importants. Cependant, les prix élevés du samarium-cobalt et de l'aluminium-nickel-cobalt limitent sérieusement le développement des accouplements de transmission magnétique.
Le produit énergétique magnétique (BH) maximal du matériau magnétique permanent néodyme fer bore (NdFeB) est de 428 kJ/m3, ce qui en fait la troisième génération de matériau magnétique permanent après le samarium cobalt. Le NdFeB possède non seulement de meilleures propriétés magnétiques, mais est également plus compétitif sur le marché. NdFeB a un produit à énergie magnétique élevée, nécessite moins, a de bonnes performances de traitement, peut être coupé et percé et a un taux de rendement élevé. Par conséquent, il peut réduire le volume des couplages magnétiques, réduire les coûts et améliorer l’efficacité. Il a été largement utilisé dans les couplages de transmission magnétique.