磁気ドライブと磁気カップリング

磁気カップリングは壁を通してトルクを伝達する。ハウジングを貫通するシャフトが存在しないため、パッキンもメカニカルシールも漏れ経路もない。ポンプ、撹拌機、真空チャンバーは密封されたまま、外部のモーターが駆動する。

PinyiGearは図面に基づいて磁気ドライブおよびアセンブリを製作する。磁気回路、ハブとキャリアの形状、封入スリーブ、そして組み立て済みユニットである。本ページでは、各部品の動作原理、磁気回路設計が決定すべき事項、そして見積もりに先立って問い合わせに含めるべき内容を説明する。

トルクが壁を越える仕組み

二つのロータが静止した障壁を挟んで向かい合う。

• インナーロータはプロセス側に位置し、ポンプまたは撹拌機のシャフト上にある。従動磁石を保持する。
• アウターロータは外部に位置し、モーターで駆動される。駆動磁石を保持する。
• 封入スリーブが両者を分離する。非磁性で耐圧性の壁であり、エアギャップを小さく保つために十分薄く、圧力に耐え剛性を保つために十分厚い。

アウターロータが回転すると、磁界がインナーロータを引き連れる。すべりは通常負荷では小さく、負荷の上昇とともに増大する。最大トルクを超えるとカップリングは破断する。アウターロータは回転し続け、インナーロータは停止する。この挙動が磁気ドライブを化学・医薬用途に採用する理由である。過負荷時にはシールを破壊する代わりにプロセスが停止する。破壊すべきシールが存在しないからである。

カップリングにできないことは、モーターが押し続けている間に固着したロータを隔離することである。破断トルクは設計値であり、作業トルクに対して余裕を持って上回り、かつ従動シャフトが耐えうる値を下回る必要がある。

磁気ギア

磁気ギアは同じ役割を果たすが、速度を変える。二つのロータを一対一で結合する代わりに、ポールピースが少ない極対数の高速ロータと多い極対数の低速ロータの間の磁界を変調する。その結果、歯面接触のない変速比が得られる。潤滑剤不要、歯面摩耗なし、通常の意味でのバックラッシなし、そして固有の過負荷保護を備える。

その代償はトルク密度である。同じトルクに対して磁気ギアは機械式の一対より物理的に大きくなる。そのためギアボックスの汎用的な代替としてではなく、密封またはクリーンな用途に採用される。プロセス側に潤滑も開放もできない場合、この代償はしばしば支払う価値がある。

磁気回路設計が決定すべき事項

磁石は設計の中で最も関心の薄い部分である。カップリングが機能するかどうかを決めるのは、その周囲の回路である。

エアギャップ。 トルクはギャップの増大とともに急峻に低下する。ギャップはスリーブ厚さに運転クリアランスを加えたものであるため、スリーブ材質と壁厚は圧力だけでなくトルクの決定事項でもある。

磁石グレードと体積。 NdFeBは高エネルギーグレードをカバーし、N35からN52が通常の範囲であり、所定のトルクに対して最小のパッケージを実現する。SmCoはより高温でも出力を維持し、コーティングなしでも耐食性に優れる。フェライトは低トルク・温和な条件向けの低コスト路線である。グレード選定は温度、デューティサイクル、そして周囲構造が許容する条件に従う。

磁石部の温度。 重要な数値は周囲温度ではなく磁石表面の温度であり、すべりによる渦電流加熱を含む。NdFeBは最高使用温度に近づくにつれて出力が低下し、それを超えると永久に減磁する。当社が設計する使用範囲は−40 °Cから+150 °Cであり、実際の限界は選択したグレードによって決まる。

スリーブ内の渦電流。 回転磁界は封入スリーブに電流を誘起し、これを加熱してトルクを浪費する。金属スリーブは薄くするか低導電率材料で製作する必要がある。複合材スリーブは損失を回避できるが、より繊細である。

トルク余裕。 破断トルクは、温度による低減、ギャップ公差、磁石の経年劣化を考慮した余裕をもって作業トルクを上回る必要がある。作業トルクちょうどで指定されたカップリングは実使用で滑る。

漏洩磁界。 カップリング外部の磁界は、計器、センサー、近接機器に影響を与えない程度に低くなければならない。これはシールドと形状の問題であり、設計レビューに含まれるべき事項である。

材料と構造

組立と試験

磁気アセンブリは部品をボルトで締めただけのものではない。工程は次のとおり：

1. 磁気回路設計レビュー — トルク、速度、ギャップ、温度、圧力に対する負荷条件との照合。
2. 磁石検証 — グレードとコーティングを仕様書と照合。グレードの置き換えは起動トルクを黙って変化させるため。
3. ロータ組立 — 磁石を接着および機械的に保持し、回転アセンブリでバランスを確認。
4. カップリングの組立 — ギャップを設定し測定。
5. 起動トルク試験 — 完成ユニットに対して実施。
6. 慣らし運転と温度確認 — 負荷条件が要求する場合に実施。
7. ドキュメント — 磁石グレード、測定起動トルク、ギャップ設定値をユニットに添付。

起動試験が最も重要である。磁石、形状、ギャップを含むアセンブリ全体が設計どおりに動作することを確認する唯一の測定である。出荷するすべてのユニットは試験され、測定値はシリアル番号に対して記録される。

磁気ドライブの用途

• 化学ポンプと撹拌機 — シールなし、漏れなし、フラッシングプラン不要
• 真空装置 — 回転フィードスルーなしでチャンバー内へトルク伝達
• 食品・医薬品製造 — 洗浄可能、プロセスゾーンに潤滑剤なし
• 精密機器 — 滑らかな伝達、バックラッシなし、摩耗粉なし
• 高圧容器および海底機器 — 動的シールが弱点となる箇所

お問い合わせに必要な情報

カップリングについては、形状よりも負荷条件の情報が有用である：

• 使用トルクとピークトルク、またはモータ出力と速度
• 両側の軸径と取付配置
• プロセス側の圧力と温度
• 流体または環境（接液材料の選定のため）
• 指定がある場合は必要起動トルク
• 速度とデューティサイクル（渦電流発熱の確認のため）
• 漏れ磁界に関する制限がある場合

これらをお送りいただければ、磁気回路、磁石、スリーブをまとめて設計しお見積りいたします。「2.2 kW ポンプ用カップリング」だけをお送りいただいた場合、最初の返信は質問のリストになります。

磁気ドライブのお問い合わせ

FAQ

磁気カップリングは通常負荷で滑りますか？ 負荷に比例した小さな滑り角で運転される。インナーロータはトルクの増加に伴って増大する角度だけアウターロータより遅れる。起動トルクを超えると完全に切り離される。

被駆動側が固着した場合どうなりますか？ カップリングが切り離されて伝達を停止する。これによりシールとプロセスが保護されるが、モータは運転を続けるため、制御システムはプロセスフィードバックまたはアウターロータ負荷から停止を検知する手段が必要である。

ポンプを変更せずに既存のカップリングを交換できますか？ 通常可能である。一致させる必要があるのはギャップ、軸嵌合、スリーブ径である。既存部品の図面またはポンプの型番をお送りいただければ、カタログではなくインターフェースから設計する。

どの磁石グレードを使用すべきですか？ 磁石表面の温度と必要なトルク密度によって決まる。NdFeB は単位体積あたりのトルクが最も大きく、SmCo は高温での保持力に優れ、フェライトは軽負荷向けの低コストな選択肢である。選定は磁気回路レビューで行う。

アセンブリはバランス調整されていますか？ 回転アセンブリは顧客と合意した速度クラスに合わせてバランス調整される。高速カップリングはインナーロータとアウターロータが相互作用するため、個別部品ではなくアセンブリとしてバランス調整される。

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