Kupplungen - Magnetkupplungen

Magnetkupplungen sind innovative Verbindungselemente, die Drehmomente kontaktlos mittels magnetischer Kräfte übertragen. Die Kraftübertragung ist dabei mechanisch verschleißfrei, da die Antriebs- und Abtriebsseite hermetisch voneinander getrennt sind. Wie sich diese Eigenschaft nutzen lässt, erfahren Sie in unserem Artikel. Außerdem erfahren Sie etwas über Aufbau und Funktion von Magnetkupplungen, sowie die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten und Vorteile, welche sie mit sich bringen. Dabei betrachten wir auch die Grenzen des Einsatzes.

Was ist eine Magnetkupplung?

Der Begriff Magnetkupplung bezieht sich auf verschiedene magnetische Kupplungsarten, die mittels Magnetfeld funktionieren. Dazu zählen z.B.: Elektromagnetkupplungen, Magnetpulverkupplungen oder berührungslose Kupplungen. Elektromagnetkupplungen sind elektrisch steuerbar und übertragen Bewegungen kraft- oder formschlüssig. Durch Anlegen einer Spannung an eine Magnetspule wird ein Magnetfeld erzeugt, welches dann die Kupplung schließt. Die eigentliche Übertragung des Drehmoments erfolgt also in diesem Fall nicht über das Magnetfeld. Elektromagnetkupplungen finden Einsatz bei Fahrzeugen, z.B. zum Schalten von Kompressoren oder Pumpen. Magnetpulverkupplungen sind ebenfalls reibschlüssige Kupplungen, bei denen ein Elektromagnet Metallpulver zwischen Antriebs- und Abtriebsdruckplatte magnetisiert, um eine kraftschlüssige Verbindung herzustellen. Auch hier wird die Verbindung durch das Anlegen einer Spannung gesteuert, welche die Metallpartikel am Magnetfeld ausrichtet und so versteift. Sie eignet sich als Anfahrkupplung und erfordert eine effektive Wärmeableitung im Schlupfbetrieb. Eine Magnetpulverbremse basiert auf demselben Prinzip.

Berührungslose Magnetkupplungen sind kontaktlose Kupplungen, d.h. sie übertragen das Drehmoment berührungslos z.B. zwischen Antriebs- und Abtriebswelle. Die Übertragung kann dabei durch ein elektromagnetisches oder ein permanentes Magnetfeld realisiert werden. Bei elektromagnetischen Kupplungen wird mittels einer Stromquelle ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch lässt sich das Drehmoment sehr präzise steuern. In Permanentmagnetkupplungen sind langlebige und wartungsarme Permanentmagnete verbaut, deren Magnetfeld dauerhaft und ohne externe Energiequelle bestehen bleibt. Beide Varianten können in Hybridkupplungen auch vereint zum Einsatz kommen.

Die Hysteresekupplung ist eine weitere berührungslose Magnetkupplung. Sie arbeitet mit zwei permanentmagnetischen Ringen und einer Hysteresescheibe, bei der durch Magnetfeldüberlagerung ein Drehmoment erzeugt wird, das durch den Winkel der Pole stufenlos einstellbar ist. Maximales Drehmoment entsteht bei gleichen Polen, minimales bei ungleichen, ohne dass sich die Flächen berühren. Vorteile sind die geräuschlose Arbeitsweise, kein Losbrechmoment und verschleißfreie Kraftübertragung ohne Reibung.

Aufbau einer Magnetkupplung

Eine Magnetkupplung besteht typischerweise aus einem inneren und einem äußeren Rotor. Beide Rotoren sind mit Magneten versehen. Beim äußeren Rotor befinden sich die Magneten auf der Innenseite und beim inneren Rotor auf der Außenseite. Die Antriebsseite und Abtriebsseite werden häufig hermetisch voneinander mittels Spalttopf getrennt, wodurch eine berührungslose Drehmomentübertragung ermöglicht wird. Der Spalttopf ist in der Regel fest am Gehäuse angebracht.

Beim Aufbau mit Permanentmagnet gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Wie genau funktioniert nun aber die Drehmomentübertragung? Im Ruhezustand liegen die Magnetfelder und ihre Pole symmetrisch. Sobald sich die Rotoren beginnen zu verdrehen, lenken auch die Magnetfeldlinien aus. Das Drehmoment wird über den Luftspalt übertragen. Sobald der sonst konstante Verdrehwinkel oder das maximale Kupplungsmoment überschritten wird, reißen die Magnetfeldlinien zu den gegenüberliegenden Polen ab; die Übertragung wird unterbrochen.

Um mehr über Magneten und Magnetismus zu erfahren, lesen Sie auch gern unseren Artikel zur Auswahl von Magneten.

Drehmoment einer Magnetkupplung berechnen

Das Drehmoment ist abhängig von der Stärke der Magnete und dem Abstand zwischen Rotor und Stator. Mit folgender Formel lässt sich das Drehmoment M berechnen:

Vorteile der Magnetkupplung

Der entscheidende Vorteil von berührungslosen Magnetkupplungen ist, dass sie Antrieb- und Abtriebsseite vollständig voneinander trennen. Relevant wird das in Systemen, die mit kritischen Flüssigkeiten oder Gasen arbeiten und Leckagen folgenschwere Schäden am System hervorrufen können. In diesen Fällen lassen sich Magnetkupplungen alternativ zu Wellenabdichtungen verwenden. Magnetkupplungen können permanentmagnetisch gekoppelt sein (das heißt nicht schaltbar) oder aber z.B. mithilfe eines Elektromagnetfelds schaltbar.

Die berührungslose Funktion von Magnetkupplungen hat den Vorteil, dass sich der Verschleiß an den umgebenden Komponenten reduziert. Schmierfette werden nicht benötigt. Magnetkupplungen dringen auch durch nicht magnetische Bauteile hindurch, sodass Durchführungen und Dichtungen vermieden werden können.

Auch das Material des Spalttopfs kann man an die entsprechende Anwendung anpassen:

• Oxidkeramik: Oxidkeramik eignet sich z.B. hervorragend für den Einsatz in korrosiver oder sehr warmer Umgebung. Auch Trockenlauf ist möglich. Zudem sind Magnetkupplungen mit Spalttopf aus Keramik energieeffizient. Näheres zu den Eigenschaften technischer Keramik finden Sie auch in unserem Artikel Technische Keramiken in der Praxis - Keramikschrauben / Keramiklager / Hybridlager.
• Metall: Metallische Spaltköpfe sind die gängigste Variante. Sie decken den umfassendsten Leistungsbereich ab und eignen sich für Anwendungen mit vielen Flüssigkeiten.
• PEEK: Spalttöpfe aus PEEK eignen sich besonders für Trockenlauf und sind ebenfalls energieeffizient.

Weitere Vorteile von Magnetkupplungen sind:

• Überlastschutz: Die Magnetstärke und das daraus resultiernde Magnetfeld gibt das maximal übertragbare Drehmoment vor. Bei höheren Momenten überlastet das Magnetfeld und die Kupplung rutscht durch. Auf diese Weise werden die Bauteile sicher vor Beschädigung geschützt und auch einem Überhitzen vorgebeugt.
• Geräuscharm: Ohne direkten Kontakt zwischen den Komponenten arbeitet eine berührungslose Magnetkupplung vergleichsweise leise.
• Wartungsarm: Da sich der Verschleiß an den umgebenden Komponenten durch die berührungslose Kraftübertragung reduziert, gelten Magnetkupplungen im Allgemeinen als wartungsarm. Schmierfette sind nicht erforderlich.
• Präzise Steuerung: Die Magnetstärke beeinflusst das Drehmoment und lässt sich präzise steuern.
• Einsatz im Reinraum: Magnetkupplungen erzeugen keinen Abrieb, welcher in Reinräumen zu Problemen führt.

Verschiedene Varianten und Anwendungsmöglichkeiten

Magnetkupplungen lassen sich z.B. nach Art ihrer Energiequelle und Kraftübertragungsrichtung unterscheiden.

Permanentmagnetkupplungen sind berührungslose Kupplungen und können auch für eine Umlenkung oder Änderung der Drehrichtung genutzt werden. Wird die Antriebsseite in Bewegung gesetzt, erzeugt das Magnetfeld abhängig von der Ausrichtung der Abtriebswelle eine entsprechende Bewegung auf der Abtriebsseite. Der Einsatz von Permanentmagneten ermöglicht eine wartungsfreie und verschleißarme Kraftübertragung.

Wie die Kraftübertragung in Kupplungen allgemein funktioniert, können Sie in unserem Artikel Übertragung von Drehbewegungen - Grundlagen zu Kupplungen nachlesen.

Nachfolgend sind verschiedene Anwendungsbeispiele dargestellt:

Grenzen der Magnetkupplung

In Magnetkupplungen ist die übertragbare Drehmomentkapazität abhängig von der Magnetfeldstärke, dem trennenden Luftspalt und der Baugröße bzw. Fläche des Magnetfeldes.

Permanentmagnete sind meist temperaturempfindlich. Einige Materialien, wie z.B. das häufig für die Herstellung von Magneten verwendete Neodym, verlieren einen Teil ihrer Magnetkraft bereits ab 80 °C, Ferritmagnete bei etwa 250 °C. Da ein Neodym- Magnet aber im Vergleich zu Permanentmagneten aus anderen Materialien bei gleichen Abmessungen die stärkste Magnetkraft erzeugt, wird dieses Material dennoch gern verwendet. Mehr über die Eigenschaften, Vorteile und Anwendungsbereiche der Neodym-Magnete erfahren Sie in unseren Artikel Neodym-Magnete. Sobald eine höhere Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist, sind Magnete auf Samarium-Basis eine gute Alternative. Diese arbeiten problemlos bei Temperasturen bis zu 350 °C.

Eine weitere Einschränkung von Magnetkupplungen ist die übertragbare Leistung. In der Standard-Ausführung liegt diese niedriger als bei mechanischen Kupplungen mit vergleichbaren Abmessungen. Für Anwendungen mit höheren Leistungsanforderungen sind spezielle Ausführungen erforderlich.

Bei der Verwendung von metallischen Spalttöpfen können durch das rotierende Magnetfeld Wirbelströme entstehen, die nicht nur zu Energieverlusten und Erwärmung führen, sondern auch den Wirkungsgrad der Magnetkupplung erheblich beeinträchtigen. Zudem können die entstehende Hitze und Energieverluste zusätzliche Kühlmaßnahmen erforderlich machen, was den Einsatz weiter komplizieren kann. Eine mögliche Lösung besteht im Einsatz von Spalttöpfen aus Materialien wie Oxidkeramik, die solche Probleme reduzieren, jedoch oft teurer und mechanisch weniger belastbar sind.

Werden mehrere Magnetkupplungen oder andere magnetischer Antriebe in unmittelbarer Nähe verwendet, kann es außerdem zu Magnetfeldüberlagerungen kommen. Diese Wechselwirkungen können die übertragbare Leistung verringern und unerwünschte Drehmomentschwankungen verursachen. Um eine zuverlässige Funktion sicherzustellen, sollten daher ausreichende Sicherheitsabstände zwischen den einzelnen Antrieben eingehalten und das Systemdesign entsprechend angepasst werden.