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Warum sind Magnetkupplungen in der Industrie von Vorteil?

Der Begriff der Magnetkupplung dient als Oberbegriff für eine Reihe von Kupplungsarten, deren Funktion auf der Wirkung eines Magnetfeldes beruht. Magnetkupplungen sind vielseitig einsetzbare Werkzeuge, die dank ihrer starken und sicheren Kraftübertragung in zahlreichen industriellen Anwendungen verwendet werden. Magnetische Kupplungen übertragen Drehmomente oder Kräfte ohne direkte Berührung. Von der chemischen und pharmazeutischen Industrie über Biotechnologie bis hin zur Wasserwirtschaft, Kompressoren, Mess- und Dosiertechnik sowie Hydraulik: Magnetkupplungen leisten einen wertvollen Beitrag. Die Wahl der richtigen Magnetkupplung hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, wie z. B. Drehmoment, Geschwindigkeit, Temperatur und Umgebungsbedingungen.

Anwendungen in der Industrie

Pumpen und Ventilatoren: In diesen Anwendungen sorgen Magnetkupplungen für eine zuverlässige und wartungsarme Drehmomentübertragung. Sie verhindern Leckagen und schützen die Pumpe vor Überlastung.
Förderbänder und Materialhandling-Systeme: Magnetkupplungen ermöglichen einen sanften Start und Stopp von Förderbändern, was Beschädigungen der transportierten Güter reduziert. Im Bereich der Lebensmittelindustrie können durch Magnetkupplungen Antriebe dauerhaft vor Überlastung abgesichert werden.
Das Gleiche gilt in allen Bereichen, in denen durch ein mögliches Blockieren die Gefahr besteht, dass der Antriebsstrang oder der Motor beschädigt wird. Durch die Verwendung von Magnetkupplungen kann der Kraftschluss ohne Beschädigung unterbrochen werden. z.B. in Verpackungsmaschinen.

Die Vorteile dieser Technologie liegen auf der Hand: Kontaktlose Kopplung ermöglicht den Einsatz auch unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Drücken, im Vakuum oder in flüssigen und chemischen Umgebungen. Dies eröffnet vielfältige und unerwartete Möglichkeiten.

Es gibt verschiedene Arten von Permanentmagnetkupplungen, die sich in ihrer Bauweise und Funktionsweise unterscheiden:

Stirndrehkupplung offen

Stirndrehkupplung geschlossen

Zentraldrehkupplung

Wirbelstromkupplung

Stirndrehkupplungen:
Stirndrehkupplungen nutzen zwei gegenüberliegende mehrpolige Magnetsysteme, um das Drehmoment zu erzeugen. Dieses hängt von der Konstruktion, dem verwendeten Magnetmaterial, der Anzahl der Pole und dem Luftspalt ab. Ein möglichst kleiner Luftspalt maximiert das Drehmoment. Die Trennwand sollte aus einem Material bestehen, das sowohl magnetisch als auch elektrisch schlecht leitend ist, um bei hohen Drehzahlen negative Effekte durch Wirbelströme zu vermeiden. Auch die hohen Axialkräfte, die bei Stirndrehkupplungen auftreten können, müssen berücksichtigt werden. Die Anlaufgeschwindigkeit ist so zu wählen, dass ein Überspringen der Magnetpole verhindert wird. Das Drehmoment bleibt unabhängig von der Geschwindigkeit konstant.

Zentraldrehkupplungen:

Zentraldrehkupplungen arbeiten mit zwei ineinander greifenden Magnetsystemen. Die Größe des Drehmoments hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Masse: Je massiver die Magnete, desto größer das Drehmoment.
Magnetwerkstoff: Die Materialeigenschaften des Magneten beeinflussen die Stärke der magnetischen Kraft.
Polzahl: Mehr Pole führen zu einem stärkeren Drehmoment.
Luftspalt: Der Abstand zwischen den Magneten sollte minimal sein, um das maximale Drehmoment zu erreichen.

Die Trennwand zwischen den Magneten muss aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Außerdem sollte sie elektrisch schlecht leitend sein, um Wirbelstromverluste bei hohen Drehzahlen zu minimieren. Die Anlaufgeschwindigkeit muss sorgfältig ausgewählt werden, um ein Überspringen der Magnetpole zu verhindern. Ein Vorteil von Zentraldrehkupplungen ist, dass das Drehmoment über den gesamten Geschwindigkeitsbereich konstant bleibt.

Wirbelstrom-Magnetkupplungen:

In Wirbelstromkupplungen und -bremsen steht ein mehrpolig magnetisierter Magnet (in der Regel der Antrieb) einer Aluminium- oder Kupferscheibe gegenüber (in der regel der Abtrieb). Diese Kupplungen nutzen den Wirbelstromeffekt, um die Kraftübertragung zu ermöglichen. Der Permanentmagnet erzeugt ein Magnetfeld, das in einem leitfähigen Material Wirbelströme induziert. Die Interaktion dieser Magnetfelder erzeugt eine Kraft, die die Kopplung ermöglicht.
Das erzeugte Dreh- oder Bremsmoment hängt von der Konstruktionsgröße, dem verwendeten Magnetmaterial, der Anzahl der Pole, dem Luftspalt und der Relativgeschwindigkeit ab. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt das übertragene Dreh- oder Bremsmoment. Daher wird dieses System auch Wirbelstrombremse genannt. Das Besondere an solch einer Induktionsbremse ist ihre verschleißfeste Funktion, da sie mit Wirbelströmen arbeitet, die durch Magnetfelder erzeugt werden, ohne mechanische Reibung. Bei Bedarf kann das Moment durch axiales Verschieben, also durch Anpassung des Luftspaltes und damit des Nutzflusses, leicht reguliert werden. Aufgrund der entstehenden Wirbelströme erwärmen sich diese Kupplungen und Bremsen mit steigender Geschwindigkeit erheblich, wodurch das erzielbare Dreh- oder Bremsmoment je nach erreichter Temperatur deutlich abnimmt.

Hysterese-Magnetkupplungen:

Diese Kupplungen verwenden einen ferromagnetischen Kern, der durch ein externes Magnetfeld magnetisiert wird. Die Magnetisierung des Kerns ermöglicht eine dauerhafte Kopplung.
Ein spezieller Typ der Hysterese-Magnetkupplung sind Lineare Magnetbremsen, die zur kontrollierten Verlangsamung oder zum Anhalten von bewegten Teilen eingesetzt werden für z. B. Faden-, Seil- oder Bandspannungen. Lineare Magnetbremsen funktionieren zuverlässig, selbst bei Stromausfällen, und eignen sich ideal zur Geschwindigkeitsreduzierung in Produktionslinien, z. B. auf Förderbändern

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Was ist eine Magnetkupplung und wie funktioniert sie?

Eine Magnetkupplung ist eine berührungslose Vorrichtung zur Drehmomentübertragung, die auf Magnetfeldern basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Kupplungen, die auf direkten Kontakt und Reibung angewiesen sind, nutzen Magnetkupplungen die Anziehungs- und Abstoßungskräfte von Magneten, um eine Verbindung zwischen zwei Wellen herzustellen. Eine Magnetkupplung besteht typischerweise aus zwei magnetischen Hauptkomponenten, die so angeordnet sind, dass sie wechselwirken. Wenn sich das Antriebsteil dreht, erzeugt es ein Magnetfeld, das auf das Abtriebsteil wirkt und dieses in Bewegung setzt. Die Drehmomentübertragung erfolgt berührungslos durch den magnetischen Fluss zwischen den beiden Teilen.
Magnetkupplungen mit axialer Kraftübertragung können Drehmomente übertragen werden, hier entstehen aber immer auch zusätzlich axiale Kräfte, die durch entsprechende Lager abgefangen werden müssen.
Magnetkupplungen mit radialer Kraftübertragung nutzen die radiale Kraft zwischen zwei Magneten, um die Verbindung herzustellen. Die Kräfte wirken hier zentrisch zur Achse und lassen sich meist einfacher lagern, da die Wellen sowieso bereits gelagert werden müssen und die axialen Kräfte meist gering sind.

Vorteile von Magnetkupplungen

Verschleißfreiheit: Da keine direkten mechanischen Kontakte bestehen, unterliegen Magnetkupplungen keinem Verschleiß. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer und geringeren Wartungskosten.
Hohe Zuverlässigkeit: Magnetkupplungen sind weniger anfällig für Ausfälle aufgrund von Vibrationen, Stößen oder Schmutz. Die berührungslose Übertragung reduziert das Risiko von mechanischen Schäden.
Sanfte Anlauf- und Bremsvorgänge: Magnetkupplungen ermöglichen ein sanftes Anlaufen und Abbremsen von Maschinen, da die Drehmomentübertragung durch das Magnetfeld gedämpft wird. Dies schont die Antriebselemente und reduziert den Verschleiß.
Trennung von Antrieb und Abtrieb: Magnetkupplungen ermöglichen eine einfache Trennung von Antriebs- und Abtriebsseite. Dies ist besonders nützlich in Notfallsituationen oder bei Wartungsarbeiten.
Hohe Effizienz: Magnetkupplungen können einen hohen Wirkungsgrad erreichen, da keine Energie durch Reibung verloren geht.
Geeignet für anspruchsvolle Umgebungen: Magnetkupplungen können in Umgebungen mit hohen Temperaturen, Feuchtigkeit oder aggressiven Chemikalien eingesetzt werden, da sie keine empfindlichen Dichtungen oder Schmiermittel benötigen.