Giunti magnetici trasferiscono il movimento e la coppia senza contatto diretto, grazie all’impiego di potenti magneti disposti in anelli concentrici su entrambi i lati di un involucro di contenimento. Quando il motore fa ruotare l’anello esterno, le forze magnetiche inducono l’anello interno, e la pompa da esso azionata, a ruotare in sincronia, consentendo un funzionamento completamente sigillato e senza contatto. Tuttavia, la perdita di potenza è un problema comune che può influire sull’efficienza e sulle prestazioni.
Per ottenere il massimo dai sistemi di accoppiamento magnetico è necessario individuare l'origine delle perdite di potenza e sapere come porvi rimedio. In questa guida tratteremo le principali cause delle perdite di potenza e vedremo come mantenere efficiente il vostro sistema di accoppiamento.
Quali sono le cause della perdita di potenza negli accoppiamenti magnetici?
Per garantire prestazioni ottimali, i sistemi di trasmissione meccanica del potere dotati di giunti magnetici devono essere efficienti. Quando questi sistemi vengono arrestati, possono verificarsi numerose conseguenze negative, tra cui una perdita di efficienza, un aumento del consumo energetico e il surriscaldamento. In applicazioni quali pompe, ventilatori o trasportatori, anche minime perdite nella trasmissione di potenza possono causare un aumento dei costi operativi, una riduzione della produttività e il guasto del sistema se non si interviene tempestivamente. A lungo termine, la perdita di potenza non solo riduce la durata dei componenti, ma compromette anche l’affidabilità del sistema. Quando si verifica una perdita di potenza in macchinari complessi o apparecchiature sanitarie, ciò può danneggiare la capacità di trasmissione della coppia da parte dell’accoppiamento, innescando una reazione a cascata in tutte le fasi.
Comprendere le cause delle perdite di potenza negli accoppiamenti magnetici è fondamentale per migliorarne la progettazione, l’affidabilità e l’efficienza. Gran parte delle perdite di potenza degli accoppiamenti magnetici è causata dal circuito di corrente (comunemente noto come corrente parassita) generato quando il campo magnetico attraversa il conduttore. Le correnti parassite provocano un notevole smorzamento magnetico e un aumento di calore durante il funzionamento dell’accoppiamento magnetico, il che a sua volta influisce sull’efficienza della pompa. I materiali di costruzione dell’accoppiamento, i traferri, le dimensioni, la velocità, i problemi di allineamento, le variazioni di temperatura e l’intensità del campo magnetico contribuiscono tutti alla perdita di potenza. Questi effetti, sia che siano intrinseci al progetto dell’accoppiamento sia che derivino dal funzionamento, influenzano l’efficacia con cui la coppia viene trasferita tra gli alberi.
Un fattore che potrebbe ridurre la potenza è la velocità di trasmissione della coppia. La quantità di coppia necessaria per azionare una pompa varia a seconda dell’applicazione. Si verificano perdite quando la velocità di trasmissione della coppia in un accoppiamento magnetico è inferiore al carico richiesto. Se i requisiti di coppia superano la capacità del giunto, può verificarsi il disaccoppiamento, con conseguente spreco di energia e slittamento. Assicurarsi che il giunto sia progettato per soddisfare requisiti di coppia elevati, anche durante l’avviamento, in modo da non sprecare potenza.
La seconda ragione potrebbe essere la discrepanza magnetica. La distanza magnetica tra gli anelli magnetici interno ed esterno determina l’efficacia del trasferimento del flusso magnetico. Una distanza minore aumenta anche la densità del flusso magnetico, il che potenzia il trasferimento della coppia, ma comporta un rischio maggiore di perdite per correnti parassite nei gusci conduttivi. Al contrario, una distanza maggiore riduce la densità del flusso e quindi trasmette meno coppia. Questa distanza deve essere ottimizzata per massimizzare il risparmio di coppia e minimizzare le perdite per correnti parassite, al fine di ridurre al minimo le perdite di potenza.
Inoltre, i materiali di accoppiamento magnetico possono influenzare in modo significativo le perdite di potenza dovute alle correnti parassite. Se il guscio di contenimento è metallico (ad esempio), i campi magnetici rotanti generano correnti parassite, causando resistenza e consumo di potenza. Per questo motivo, i gusci di contenimento sono solitamente realizzati con compositi a bassa conduttività o non conduttivi. Inoltre, la resistività e lo spessore del materiale influenzano la portata delle correnti parassite. Queste perdite possono essere ridotte al minimo scegliendo materiali non conduttivi ad alta resistenza.
Anche le proprietà magnetiche e resistive dei materiali sono influenzate dalle variazioni delle temperature di esercizio. Le temperature elevate possono indebolire il campo magnetico, con conseguente riduzione della trasmissione della coppia e maggiore rischio di disaccoppiamento. Temperature più elevate aumentano inoltre la resistività dei materiali, incrementando le correnti parassite e le perdite di potenza. È necessario un controllo termico (ad esempio, il raffreddamento) per evitare perdite di potenza dovute al calore.
Ciò potrebbe essere causato anche dalle dimensioni del giunto. I dispositivi di accoppiamento – e in particolare i magneti – variano nelle dimensioni, il che comporta una perdita di potenza. Le strutture magnetiche più grandi producono campi magnetici più intensi, che possono migliorare la trasmissione della coppia ma anche generare correnti parassite più intense. Più grande è il magnete, maggiore è il fluido che deve sopportare e, di conseguenza, maggiore è la resistenza per attrito. Il corretto dimensionamento dei componenti per soddisfare i requisiti di coppia, evitando però di sovradimensionare i magneti, consente di preservare il risparmio energetico.
Un altro motivo è la velocità di rotazione. Man mano che il giunto gira, le perdite magnetiche e da attrito variano in funzione della velocità. A velocità più elevate, le linee magnetiche attraversano il guscio di contenimento con maggiore frequenza, generando così un maggior numero di correnti parassite. L’accelerazione della rotazione aumenta inoltre le perdite per attrito dovute alla resistenza del fluido, specialmente quando i liquidi sono viscosi. È importante mantenere i livelli di coppia richiesti senza causare inutili perdite per correnti parassite o per resistenza alle velocità operative.
Quando si tratta di ridurre al minimo le perdite nei giunti magnetici, tutto sta nell’equilibrio. Gli ingegneri possono raggiungere questo obiettivo progettando con cura i giunti e ottimizzandone le condizioni. Tale attenzione nella progettazione garantisce che i giunti trasferiscano la coppia in modo efficace e sicuro per le applicazioni a cui sono destinati. Ciò non solo riduce il consumo energetico, ma garantisce anche una maggiore durata, rendendo i giunti magnetici una scelta molto diffusa per la maggior parte delle applicazioni.
Impatto delle correnti parassite e delle perdite per attrito sull'efficienza dell'accoppiamento magnetico.
Una corrente parassita è un tipo di corrente elettrica che si muove a zigzag attraverso un conduttore in risposta a un campo magnetico in movimento. La pompa è soggetta a correnti parassite quando il campo magnetico rotante si sposta sulle superfici cariche di elettricità. Quando il campo magnetico ruota, genera correnti elettriche vorticose (correnti parassite) in questi materiali. Queste correnti parassite respingono il campo magnetico che le ha generate, secondo la legge di Lenz.
Questa polarizzazione provoca perdite di potenza poiché il campo magnetico cerca di contrastare le correnti parassite. I componenti più danneggiati sono il guscio di contenimento e i gruppi magnetici interni. Quando i magneti interni ruotano, il loro campo magnetico penetra nel guscio di contenimento e genera correnti parassite al suo interno. La potenza persa per contrastare queste correnti parassite è determinata da:
- Lo spessore, il materiale e la resistività del guscio di contenimento. Materiali come i metalli generano correnti parassite più intense rispetto ai compositi non conduttivi.
- La distanza tra i gruppi magnetici interno ed esterno. Maggiore è la distanza, minore è la densità del flusso magnetico nel foro.
- Velocità di rotazione. Velocità più elevate comportano un maggiore taglio delle linee magnetiche e un aumento delle correnti parassite.
- Intensità del campo magnetico. I magneti più potenti generano correnti parassite più intense rispetto a quelli meno potenti.
Anche l’attrito tra i magneti interni e il fluido circostante causa una perdita di potenza. Man mano che i magneti ruotano, subiscono una resistenza viscosa da parte del liquido trattato. Questa resistenza genera una coppia resistiva che deve essere superata. Essa aumenta con l’aumentare delle dimensioni dei magneti, delle velocità e quando si trattano fluidi più densi rispetto a quelli più fluidi. In casi estremi, un’elevata coppia di attrito può persino causare il disaccoppiamento del componente interno da quello esterno.
Problemi di disaccoppiamento nell'accoppiamento magnetico.
I giunti magnetici servono a trasmettere la coppia da un albero rotante a un altro con il minimo sforzo. L’assenza di contatto è uno dei loro principali vantaggi, poiché elimina l’attrito, l’usura e le potenziali perdite. Tuttavia, nonostante tutti i loro vantaggi, i giunti magnetici presentano alcuni svantaggi operativi, uno dei quali è il disaccoppiamento. Clicca qui per saperne di più sui fondamenti dei campi magnetici nell'accoppiamento magnetico.
Il disaccoppiamento si verifica quando gli anelli magnetici non sono più sincronizzati e perdono la capacità di trasmettere la coppia. Generalmente si verifica quando la coppia esercitata sul giunto supera le prestazioni specificate e il campo magnetico si indebolisce o non riesce a creare un legame in grado di trasmettere la potenza. Di conseguenza, il giunto non riesce a trasmettere il movimento rotatorio e può causare problemi di funzionamento quali lo slittamento dell’albero della pompa o l’arresto completo della pompa stessa.
Il disaccoppiamento è più probabile che si verifichi in condizioni temporanee, come all’avvio o quando forze esterne provocano picchi imprevisti di coppia. All’avvio, ad esempio, un sistema motorizzato è spesso soggetto a un picco di coppia iniziale che supera la capacità di coppia nominale del giunto. Se non si tiene conto di questo picco di coppia durante la fase di progettazione e dimensionamento, il giunto potrebbe non innestarsi completamente, causando un fenomeno di disaccoppiamento.
Allo stesso modo, le variazioni di carico, gli urti del sistema o i sovraccarichi operativi possono esercitare improvvisamente una maggiore pressione sul giunto, aumentando il rischio di disaccoppiamento. Se il carico supera la coppia del giunto magnetico, il sistema va fuori sincrono, il flusso di potenza si interrompe e il sistema potrebbe subire un guasto.
Per evitare problemi di disaccoppiamento, è importante scegliere il giunto magnetico corretto tenendo conto delle fasce di coppia previste a carico costante e a carico di picco. Ciò significa non solo considerare la coppia operativa abituale, ma anche eventuali picchi improvvisi che potrebbero verificarsi. Un accoppiamento magnetico efficace in una varietà di condizioni operative richiede un dimensionamento adeguato e una conoscenza approfondita delle caratteristiche di coppia del sistema. Inoltre, modelli di giunti sofisticati (ad esempio, giunti regolabili o giunti con una coppia nominale più elevata) possono aiutare a evitare il disaccoppiamento in sistemi sottoposti a carichi elevati. Ciò può essere evitato tenendo conto delle condizioni di coppia di picco durante la selezione e il dimensionamento del giunto e della pompa.
Come raffreddare gli accoppiamenti magnetici?
Gli accoppiamenti magnetici sono fondamentali per la tenuta e per una trasmissione della coppia ad alta efficienza, ma presentano un problema che noi un aspetto raramente considerato: l’accumulo di calore. Quando l’energia viene dispersa a causa delle correnti parassite e della resistenza per attrito (come illustrato in precedenza), essa si trasforma in calore, in particolare nel guscio di contenimento e intorno ai magneti interni. Tale calore, se non dissipato in modo efficiente, creerà problemi che vanno da una scarsa efficienza e dalla smagnetizzazione fino, nel migliore dei casi, al flashing (vaporizzazione) del fluido. Il surriscaldamento può influire sull’efficienza e sulla durata degli accoppiamenti magnetici, causando fermi macchina non programmati e riparazioni costose.
La buona notizia è che esistono modi per regolare e dissipare questo calore. Grazie alla nostra esperienza pluriennale e alle attività di ricerca e sviluppo, siamo in grado di mettere a punto soluzioni di raffreddamento flessibili da integrare nel processo produttivo, al fine di mantenere la temperatura ottimale, ridurre al minimo il consumo energetico e garantire il corretto funzionamento dell’accoppiamento magnetico.
- Un metodo di raffreddamento consiste nel trasferire parte del fluido pompato tra i magneti interni e il guscio di contenimento esterno. In questa configurazione, lo scambio termico avviene direttamente: il fluido in movimento assorbe il calore dai magneti e poi ritorna al nocciolo senza riscaldarsi eccessivamente. Questo permette di raffreddare il fluido di processo in questione, rendendo il sistema meno complesso e consentendogli al contempo di funzionare in sicurezza a temperatura ambiente.
- Un'alternativa consiste nel posizionare un involucro esterno sopra l'involucro di contenimento. L'involucro esterno distribuisce il calore in modo uniforme, evitando la formazione di punti caldi e riducendo la dispersione termica verso l'esterno. Ciò garantisce un processo di raffreddamento naturale e, trattenendo il calore all'interno del sistema, crea un effetto di raffreddamento passivo che mantiene costanti le temperature senza bisogno di altri componenti.
- Un’altra strategia per garantire un raffreddamento efficiente è quella a doppio involucro. Quando si aggiunge un secondo involucro sopra il contenimento principale, si crea uno spazio attraverso il quale può fluire un fluido di raffreddamento separato. Il fluido, accuratamente selezionato per il trasferimento di calore, circola attorno ai magneti, mantenendo così la temperatura. Questa configurazione consente un controllo accurato della temperatura in tutta la struttura magnetica, riducendo così il rischio di surriscaldamento.
Anche i sensori di temperatura integrati nel giunto consentono di monitorare le condizioni in ogni momento. Se le temperature iniziano ad aumentare, questi sensori regolano automaticamente il funzionamento della pompa in modo da ridurre il rischio di surriscaldamento. Inoltre, gli indicatori di potenza montati sul motore rilevano eventuali segnali di bassa portata o funzionamento a secco, contribuendo a prevenire l’accumulo di calore e consentendo di intervenire prima che si verifichino danni.
Gli accoppiamenti magnetici richiedono un sistema di raffreddamento. Questi processi di raffreddamento agiscono in sinergia per sottrarre calore dai componenti critici attraverso la circolazione di fluidi, l’impiego di camicie di raffreddamento e doppi involucri, nonché il monitoraggio della temperatura. Ciò garantisce la stabilità e il corretto funzionamento degli accoppiamenti. Questo sistema di controllo termico a risparmio energetico assicura la massima affidabilità e ottimizza la durata degli accoppiamenti magnetici.
OSENCMAG: Soluzioni personalizzate di accoppiamento magnetico per le vostre esigenze
Ogni applicazione è diversa. Ecco perché presso OSENCMAG Offriamo soluzioni personalizzate di accoppiamento magnetico su misura per voi.
- Coppia bassa o alta? Abbiamo la soluzione che fa per te. Il nostro team progetta e realizza soluzioni su misura per un trasferimento preciso della coppia. E con un’ampia gamma di misure tra cui scegliere, testate per soddisfare le tue esigenze, abbiamo sicuramente quella che fa al caso tuo.
- Oltre alle diverse dimensioni, offriamo magneti ad alte prestazioni in neodimio (NdFeB) o samario-cobalto (SmCo). I nostri Magneti al neodimio può resistere fino a 230 °C, mentre il samario-cobalto arriva fino a 350 °C, rendendolo adatto ad ambienti estremi.
- La personalizzazione non si ferma qui. Offriamo una vasta gamma di materiali per gli alloggiamenti, opzioni di barriera e trattamenti superficiali per aumentare la durata, la resistenza alla corrosione e la vita utile. Per i nostri giunti a correnti parassite utilizziamo materiali conduttivi su misura per ottimizzare la trasmissione della coppia.
- Noi di OSENCMAG ci impegniamo a fornire la soluzione di accoppiamento magnetico ideale per la vostra applicazione specifica. La nostra attenzione ai dettagli e il nostro impegno per la qualità garantiscono che le vostre apparecchiature funzionino al meglio, indipendentemente dalla sfida da affrontare. Contattateci oggi stesso per ricevere un preventivo.
Domande frequenti
Il giunto magnetico può essere utilizzato per lo scollegamento rapido?
I giunti magnetici sono ideali per gli scollegamenti rapidi perché sono trasmissioni di potenza senza contatto. Poiché le parti non si toccano, possono essere separate quando necessario senza usura o danni.
Ciò rende i giunti magnetici perfetti per le applicazioni in cui la disconnessione e la riconnessione sono frequenti. Inoltre, non essendoci contatto fisico, possono gestire disallineamenti e variazioni di velocità, rendendoli più versatili in ambienti dinamici.
Come allineare un accoppiamento magnetico?
Quando il sistema è fermo, accertarsi che le parti del driver e del follower siano in posizione. Questo allineamento iniziale deve essere controllato prima del funzionamento. I giunti magnetici sono in grado di gestire un certo disallineamento assiale, ma per ottenere un buon accoppiamento è necessario ridurre al minimo gli spostamenti significativi.
Questi giunti possono gestire anche alcuni disallineamenti radiali e angolari. I livelli di tolleranza dipendono dal design del giunto e dalla distanza del traferro. I traferri più grandi possono gestire un maggiore disallineamento, ma un disallineamento eccessivo può ridurre la trasmissione della coppia. Dopo l'allineamento iniziale, testare il giunto in condizioni operative. In questo modo ci si assicurerà che il giunto funzioni e che eventuali disallineamenti residui non influiscano sulle prestazioni.
A cosa serve l'accoppiamento magnetico?
I giunti magnetici sono utilizzati in applicazioni lineari e rotanti grazie alle loro proprietà di trasmissione di potenza senza contatto. Ad esempio: azionamenti, pompe, compressori e vari sistemi di assemblaggio.
Quali sono gli svantaggi dei giunti magnetici?
Sebbene i giunti magnetici presentino alcuni vantaggi, hanno anche alcuni limiti. Possono gestire solo carichi di coppia relativamente leggeri rispetto ai normali giunti con connessioni fisiche dirette. Le applicazioni lente dal lato dell'azionamento o con momenti di inerzia molto bassi sono le più adatte ai giunti magnetici.
Quali sono le modalità di guasto dell'accoppiamento magnetico?
Esistono diverse modalità di guasto dei giunti magnetici. Le cause sono:
- Selezione errata per i requisiti dell'applicazione
- Disallineamento eccessivo delle parti accoppiate
- Lubrificazione insufficiente, impropria o assente
- Ambiente o condizioni operative difficili
- Superamento della velocità o del carico massimo
Qual è la formula dell'accoppiamento magnetico?
La formula dell'accoppiamento è “K = M/√L1+L2”. In questa formula di accoppiamento, L1 è l“”autoinduttanza“ della prima bobina e L2 è l”"autoinduttanza" della seconda bobina.
Qual è il principio dell'accoppiamento magnetico?
Il principio dell'accoppiamento magnetico prevede che il magnete esterno venga azionato da un motore e che, a sua volta, il magnete esterno azioni il magnete interno. Poiché i magneti interno ed esterno si trovano in due spazi distinti, si tratta di una trasmissione di forza senza mezzo intermedio.
