磁気結合は、永久磁性材料の重要な下流用途の 1 つです。今回は、磁気結合の原理、分類、応用について体系的に紹介し、磁気結合における永久磁石についてもお話します。
磁気結合とは何ですか?
カップリングは、駆動軸と従動軸を接続してトルクを伝達する機械伝動装置の重要な部品です。次の図は、カップリングとは何かをよりよく理解するのに役立つ、いくつかの一般的なカップリング形式を示しています。
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従来のカップリングは接触タイプであり、比較的複雑な構造を持っています。毎日の使用中に摩耗してしまいます。過負荷が発生すると、他の機械部品が著しく摩耗し、機械動作装置の安定性に非常に悪影響を及ぼします。カップリングの駆動シャフトと従動シャフトが互いに隔離された 2 つの異なる媒体内で動作する必要がある場合は、動的シールにシール要素を使用する必要があります。このように、確実にシールするために回転抵抗が増大したり、シール不良による漏れが発生したりするという問題があった。さらに、シール要素が摩耗して経年劣化すると、特に有害なガス（有害な液体）が存在するシステムでは漏れが悪化します。ひとたび漏洩すると環境を汚染し、生命を危険にさらします。
磁気カップリングは非接触カップリングであり、通常 2 つの磁石で構成され、中央に 2 つの磁石を分離する絶縁カバーが付いています。内側の磁石は伝達部に接続され、外側の磁石は動力部に効果的に接続され、磁界のNS極結合の相互作用を通じて動力を伝達します。磁気カップリングは弾性カップリングの緩衝と振動吸収の機能を持ちます。さらに、従来のカップリングの構造形式を打ち破り、新しい磁気カップリング原理を採用して、直接接触することなく駆動軸と従動軸の間の力とトルクの伝達を実現し、動的シールを静的シールに変換して漏れゼロを達成できます。したがって、漏れに対する特別な要件が必要な場合に広く使用されています。
磁気カップリングの分類
一般的な磁気伝動には、同期伝動、ヒステリシス伝動、渦電流伝動などがあります。それぞれの特性により、さまざまな分野で使用されています。同期伝送とは、出力と入力の同期を指します。一般的な同期結合構造には、平面磁気結合と同軸磁気結合の 2 つがあります。
1. 平面磁気結合
構造：同径の2枚の円盤に磁石をNS極を交差させるように取り付けます。使用時、2 つのディスクはそれぞれ駆動シャフトと従動シャフトに取り付けられ、間に一定の空隙が残ります。
原理：磁石AのN極が反対側の磁石BのS極を引き付け、磁石Bの両側のN極が反発するため、従動軸と駆動軸は一定のトルク範囲内で確実に保持されます。同期して回転します。
トルク: この平面トランスミッションは構造が簡単で、取り付け時に 2 つのシャフトの高い同軸度を必要としません。平面吸引の原理を利用しているため、エアギャップが小さいほどトルクが大きくなります。さらに、伝達されるトルクはディスク面積に比例するため、この磁気カップリングのトルクは大きすぎてはならず、大きすぎて取り付けが困難になります。
2. 同軸磁気結合
同軸磁気結合は現在最も広く使用されている同期伝送デバイスであり、その代表的な用途は磁気ポンプです。
構造: 同軸磁気カップリングは、アウターローター、インナーローター、絶縁スリーブ、ベアリングシステムで構成されます。インナーローターの外周とアウターローターの内周にはマグネットが設置されています。磁石は偶極であり、NSクロスモードで円周方向に配置されています。インナーロータとアウターロータの磁石の作用面を合わせる、つまりオートカップリングです。絶縁スリーブとベアリングシステムは主に磁気伝送シールの構造に使用されます。
エアギャップと隔離: 内側ローターと外側ローターの間には一定のエアギャップがあり、アクティブコンポーネントと被駆動コンポーネントを隔離するために使用されます。エアギャップはほとんど 2mm-8mm です。エアギャップが小さいほど磁石の有効利用率は高くなりますが、絶縁が難しくなります。エアギャップが大きいほど、絶縁はより便利になりますが、磁石の磁場の利用効率は低くなります。空隙の半径位置がこの磁気カップリングの作動半径となります。設計時にエアギャップ半径の大きさを調整することで、必要な変速機のトルクを得ることができます。
負荷が最大トルクを超えると、トランスミッションは「スリップ」し始めます。つまり、磁石が現在の結合状態から円形の変位によって次の結合状態にジャンプします。この滑りの過程でエアギャップ内の磁界が急激に変化し、同時にインナーロータとアウターロータの磁石が互いに減磁し、発熱します。短期間に温度が急速に 100 度以上に上昇し、磁石が減磁し、トランスミッションが廃棄される可能性があります。したがって、このタイプのトランスミッションは過負荷保護の役割を果たすことができますが、通常は過負荷保護装置としては使用されません。
3. ヒステリシス伝達
ヒステリシス伝送はヒステリシスの原理を応用した伝送方式です。一般的なヒステリシス伝送は、一般に同期伝送と同様の同軸構造です。違いは、インナーローターとアウターローターに異なる磁性材料が使用されていることです。一般的にインナーローター（アクティブシャフト）にはネオジム鉄ボロンなどの高保磁力、高残留磁束密度の材料が使用されます。アウターローター（従動軸）にはアルミ・ニッケル・コバルトなどの保磁力の低い磁性材料を使用。アクティブシャフトの磁石はNS極に合わせて十字に配置されています。負荷が定格トルク以下の場合、従動軸は主軸と同期して回転します。定格値を超える負荷がかかるとインナーロータとアウターロータがスリップし、被動軸には定格トルクのみが伝達されます。過剰なエネルギーは、内側の磁石が充電され、外側の磁石が消磁される過程で熱の形で放出されます。
このヒステリシス伝達構造は磁気キャッピング機によく見られるもので、ボトルキャップを損傷することなく十分な締め付け力を確保できます。
4. 渦電流駆動
上記磁気カップリングの被駆動部の永久磁石材料を銅やアルミニウムなどの導電性の良い非強磁性材料に置き換えることにより、伝達効率はあまり高くありませんが、渦電流伝達が可能になります。単純なディスク渦電流伝達構造を図に示します。
アクティブディスクにはNSクロスモードに高性能マグネットを搭載。ドリブンディスクは導電性に優れた銅製です。磁力線は銅のディスクを通過します。アクティブ ディスクが回転し、渦電流によって被駆動銅ディスクが回転に追従します。
渦電流伝送は同期または非同期で行うことができます。正確に言うと、同期渦電流伝送には一般に少量 (5%) の非同期があります。たとえば、入力は 1000rpm、出力は 950rpm です。この非同期性は伝送損失として受け入れられます。非同期渦電流伝達の代表的な用途は、引込み式ラインの張力制御システムです。特別な制御により、渦電流伝達によって一定範囲内の速度調整機能も実現できます。
磁気カップリングに使用される永久磁石
磁気カップリングの発明と開発は、永久磁石材料の継続的な進歩と密接に関連しています。磁気カップリングはもともとフェライト材料で作られていましたが、磁気特性が低いため、従来のカップリングと同じ体積では小さなトルクしか伝達できず、そのため磁気カップリングの開発が制限されていました。
第二世代の永久磁石材料であるサマリウムコバルト磁石やアルミニウムニッケルコバルト磁石（AlNiCo）の磁気特性はフェライト材料よりもはるかに高いため、製造された磁気カップリングはより大きなトルクを伝達することができます。しかし、サマリウムコバルトとアルミニウムニッケルコバルトの価格が高いため、磁気伝送カップリングの開発が大幅に制限されています。
ネオジム鉄ボロン (NdFeB) 永久磁性材料の最大磁気エネルギー積 (BH) は 428kJ/m3 で、サマリウム コバルトに次ぐ第 3 世代の永久磁性材料となります。 NdFeB は磁気特性が優れているだけでなく、市場競争力も強力です。 NdFeB は高い磁気エネルギー積を持ち、必要量が少なく、加工性能が良く、切断や穴あけが可能で、歩留まりが高いです。したがって、磁気カップリングの体積を削減し、コストを削減し、効率を向上させることができます。磁気伝送カップリングに広く使用されています。