Jakie magnesy pierścieniowe zastosować w hamulcu elektromagnetycznym?
Coraz więcej projektów wymaga precyzyjnego hamowania przy małej przestrzeni montażowej. W takich układach często pojawiają się magnesy pierścieniowe. Dają zwartą budowę, prosty montaż i powtarzalną siłę.
W tym przewodniku znajdziesz zasady doboru do dwóch typów hamulców: ciernego z magnesem stałym oraz prądów wirowych. Dowiesz się, kiedy wybrać neodym, jak dobrać wymiary i jak policzyć siłę potrzebną do uzyskania wymaganego momentu.
Jakie magnesy pierścieniowe najlepiej sprawdzą się w hamulcu?
Najczęściej sprawdzają się osiowo magnesowane magnesy pierścieniowe z materiału NdFeB z tylnym jarzmem stalowym. Dają wysoką gęstość strumienia i kompaktowy wymiar.
W hamulcach ciernych magnes przyciąga tarczę stalową i wytwarza siłę normalną. Moment powstaje przez tarcie. Tu liczy się wysoka indukcja w małej szczelinie oraz stabilność temperaturowa. W hamulcach prądów wirowych potrzebny jest rozkład pola wielobiegunowego wokół obwodu. Wtedy stosuje się pierścienie lub segmenty o układzie wielobiegunowym, często z podziałem na bieguny N-S na obwodzie. Standardowe, osiowo magnesowane pierścienie pracują głównie w układach ciernych. Do wirowych lepsze są rozwiązania wielobiegunowe. W obu przypadkach stalowe jarzmo za magnesem znacząco zwiększa strumień i siłę.
Kiedy wybrać magnes neodymowy zamiast ferrytowego?
Neodymowy, gdy:
brakuje miejsca, a wymagana jest duża siła,
potrzebna jest duża powtarzalność i sztywność strumienia,
temperatura pracy mieści się w zakresie dla wybranej klasy NdFeB.
Ferrytowy, gdy:
układ pracuje w podwyższonej temperaturze przez dłuższy czas,
siła może być mniejsza, a średnica większa,
środowisko jest korozyjne, a preferowane są powłoki niewymagające dodatkowej ochrony.
Warto rozważyć klasy NdFeB podwyższonej temperatury pracy, na przykład H, SH, UH lub EH. Dla bardzo wysokich temperatur alternatywą bywa SmCo. Dobór materiału powinien wynikać z temperatury, wymaganej siły i dostępnej przestrzeni.
Jak dobrać średnicę, otwór i wysokość pierścienia?
Średnica zewnętrzna. Dopasowana do średnicy roboczej tarczy. Większa średnica to większa powierzchnia i siła. Wzrost musi jednak mieścić się w obudowie.
Średnica otworu. Tylko tak duża, jak wymaga wał lub element montażowy. Zbyt szeroki otwór zmniejsza pole czynne.
Grubość ścianki. Ściana między otworem a krawędzią powinna być na tyle gruba, by nie pękała i nie wchodziła w nasycenie. Dobrą praktyką jest utrzymanie kilku milimetrów stałej grubości ścianki.
Wysokość pierścienia. Zbliżona do szczeliny roboczej lub większa. Zbyt cienki pierścień ograniczy strumień i obniży siłę.
Tolerancje. Popularne pierścienie mają tolerancje rzędu dziesiątych części milimetra. W hamulcu szczelina musi być równomierna.
Skalowanie. Łączenie kilku pierścieni w stos zwiększa siłę w przybliżeniu liniowo do pewnej wysokości. Później przyrost maleje.
Dla hamulca prądów wirowych ważna jest szerokość biegunów i podział na obwodzie. Typowy pojedynczy pierścień osiowy nie wytworzy właściwego pola. Potrzebne są segmenty lub wielobiegunowy pierścień.
Jak obliczyć siłę przyciągania potrzebną do hamowania?
Dla hamulca ciernego:
Zdefiniuj wymagany moment T.
Określ średni promień styku r_eff oraz współczynnik tarcia μ.
Jeśli pracują dwie powierzchnie tarcia, licz n jako liczbę par styków.
Wymagana siła normalna:
F_n = T / (μ · n · r_eff)
Ta siła to suma sił wszystkich magnesów w układzie. W praktyce dodaje się zapas na temperaturę, luzy i starzenie.
Szacowanie siły pojedynczego pierścienia na płaskiej stali:
F ≈ B^2 · A / (2 · μ0)
gdzie B to indukcja w szczelinie, A to efektywna powierzchnia robocza pierścienia, a μ0 to przenikalność próżni. Indukcja zależy od materiału, geometrii, szczeliny i jarzma. Jeśli to możliwe, warto wesprzeć się pomiarem lub symulacją polową. Dla hamulców prądów wirowych moment rośnie z B^2, prędkością i wymiarem biegunów. Tam dobór bazuje na testach i symulacji, a nie na prostym wzorze na F.
Jak temperatura i odmagnesowanie wpływają na wybór?
Indukcja magnesów maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dla NdFeB zwykle o około jedną dziesiątą procenta na każdy stopień Celsjusza. Dla ferrytu spadek bywa większy. Wysoka temperatura może też spowodować nieodwracalne odmagnesowanie. Ryzyko rośnie przy dużych szczelinach i przeciwnym polu od cewki zwalniającej.
Aby ograniczyć ryzyko:
dobieraj klasy NdFeB o wyższej odporności temperaturowej,
projektuj możliwie małą i stałą szczelinę,
stosuj stalowe jarzmo o odpowiedniej grubości, by zamknąć obwód,
analizuj najgorsze stany, na przykład maksymalną temperaturę i przeciwne pole cewki.
W układach z częstymi cyklami hamowania istotne są również zmiany temperatury w krótkim czasie. To wpływa na siłę oraz trwałość powłok i klejów.
Jakie powłoki i zabezpieczenia przeciwkorozyjne stosować?
NiCuNi. Popularna powłoka dla NdFeB. Daje dobrą odporność na korozję w suchych warunkach. Nie jest przeznaczona do pracy w wodzie.
Epoksyd. Lepsza osłona przed wilgocią. Ograniczona odporność mechaniczna na ścieranie i ograniczona odporność cieplna.
Cynk lub fosforanowanie. Ułatwia klejenie i zapewnia podstawową ochronę.
Parylene lub inne cienkie polimery. Dobre uszczelnienie cienką warstwą.
Obudowa stalowa lub nierdzewna. Pełna kapsulacja zwiększa trwałość, a przy okazji poprawia obwód magnetyczny.
Nakładki gumowe. Chronią powierzchnie i zwiększają tarcie, choć wprowadzają dodatkową szczelinę.
W hamulcach ciernych powierzchnia pracująca powinna być stalowa. Magnes nie powinien się ścierać. Lepszym rozwiązaniem jest stalowy bieżnik po stronie tarcia i zabudowany magnes.
Jak zamocować pierścieniowy magnes w układzie hamulcowym?
Otwór przelotowy. Umożliwia montaż na tulei lub osi. Daje równe dociskanie przez płytę dociskową.
Otwór stożkowy pod wkręt. Łatwy montaż, lecz śruba stalowa może częściowo zamykać strumień. Wymaga weryfikacji siły.
Klejenie. Sprawdza się w osłoniętych miejscach. Stosuje się kleje o wysokiej wytrzymałości na ścinanie. Powierzchnie muszą być czyste i chropowate.
Zalewanie w gnieździe. Stabilne i odporne na wibracje. Wymaga materiału zalewowego dobranego do temperatury.
Pasowanie wciskowe. Wymaga kontroli tolerancji i ograniczenia naprężeń, bo magnesy są kruche.
Niezależnie od sposobu montażu warto zadbać o mechaniczne zabezpieczenie przed obrotem, stałą szczelinę roboczą i unikanie udarów. Stalowe jarzmo za magnesem zwiększa siłę i stabilizuje układ.
Jakie kroki podjąć, by dobrać magnes do konkretnego hamulca?
Określ typ hamulca. Cierny z magnesem stałym czy prądy wirowe.
Zdefiniuj zabezpieczenia. Powłoka, kapsulacja, sposób montażu i prowadzenie ciepła.
Zweryfikuj. Wykonaj prototyp. Zmierz siłę i temperatury. Skoryguj projekt.
Przygotuj produkcję. Ustal tolerancje, testy odbiorcze i kontrolę jakości.
Dobór magnesu do hamulca to balans między siłą, temperaturą i przestrzenią. Właściwie zaprojektowany obwód magnetyczny potrafi znacząco zmniejszyć gabaryty, a jednocześnie podnieść niezawodność. Warto patrzeć na cały układ: od szczeliny i jarzma, przez powłoki, po montaż i testy. Dzięki temu magnesy pierścieniowe będą pracować stabilnie i bezpiecznie przez długi czas.
Wyślij zapytanie z wymaganym momentem i miejscem pracy, a dobierzemy magnesy pierścieniowe i przygotujemy wycenę indywidualną.
