Sommario
I giunti a magneti permanenti sono sempre più ricercati da ingegneri, responsabili della manutenzione e acquirenti del settore industriale che necessitano di sistemi di trasmissione di potenza affidabili, privi di guarnizioni e che richiedano poca manutenzione. La maggior parte di coloro che conducono ricerche su questo argomento si trova ad affrontare alcuni problemi ricorrenti relativi a perdite dalle guarnizioni, tempi di fermo elevati, interventi di manutenzione molto frequenti o rischi per la sicurezza nelle apparecchiature rotanti.
Sempre più spesso, i giunti meccanici tradizionali si rivelano inadeguati in un numero crescente di settori in cui anche il più piccolo guasto può comportare costosi fermi macchina o altri rischi ambientali. I giunti a magneti permanenti rappresentano una nuova soluzione, in quanto eliminano il contatto fisico tra le parti rotanti. In questa guida all’acquisto spiegheremo la tecnologia in dettaglio: come funziona, per quali applicazioni è più adatta e se vale la pena investire in questa soluzione.
1. Che cos’è un accoppiamento a magneti permanenti?
L'accoppiamento a magneti permanenti può essere definito come un dispositivo meccanico di tipo senza contatto utilizzato per trasmettere una determinata coppia rotativa sfruttando la forza magnetica. Consente di trasferire la coppia da un albero motore, solitamente fissato a un motore elettrico, senza che vi sia interazione tra i due alberi.
A differenza dei tradizionali giunti, che prevedono la trasmissione tramite attrito, ingranaggi e/o flessibilità, il giunto a magneti permanenti utilizza i campi magnetici generati dai magneti permanenti. Questi campi magnetici superano il traferro normalmente presente o qualsiasi altra barriera di contenimento che collega i due alberi. Si ottiene così la totale eliminazione dell'usura meccanica a livello del giunto.
Da un punto di vista ingegneristico, questo progetto elimina una delle principali cause di guasto in un gruppo rotante. Tradizionalmente, sia nelle tenute meccaniche che nei giunti a contatto, l’usura, le perdite o il disallineamento rappresentano problemi critici; in un PMC, invece, nessuno di questi problemi si presenta.
Questi giunti, di tipo a magneti permanenti, trovano il loro impiego più diffuso in impianti di pompaggio, miscelatori, compressori e agitatori. Dimostrano il massimo valore quando i fluidi di lavoro presentano caratteristiche quali corrosività, tossicità, infiammabilità e elevata purezza. Va sottolineato che anche piccole perdite costituiscono sempre un problema grave.
Un altro fattore che caratterizza i giunti a magneti permanenti è l'isolamento dell'albero. L'albero può essere completamente isolato grazie al guscio di contenimento non magnetico. Nella maggior parte dei giunti a magneti permanenti non sono necessarie tenute dinamiche.
Dal punto di vista dell’acquirente, gli accoppiamenti magnetici permanenti non sono solo una componente del sistema meccanico; rappresentano infatti una soluzione al problema dell’affidabilità in grado di ridurre i costi nel lungo periodo, garantendo al contempo un sistema sicuro che funziona in modo efficiente con costi iniziali inferiori. Sebbene abbiano un costo iniziale molto elevato, la maggior parte delle persone confermerebbe che, alla fine, l’investimento è valso davvero la pena.
2. Principio di funzionamento dei giunti a magneti permanenti
Il funzionamento dell'accoppiamento a magneti permanenti si basa sull'interazione magnetica controllata di due coppie di magneti permanenti. Queste coppie di magneti permanenti presentano poli nord e sud alternati, che generano un forte campo magnetico.
“Un gruppo magnetico è fissato all’albero motore, normalmente azionato da un motore elettrico. Il secondo gruppo magnetico è fissato all’albero condotto o ‘portante’, ad esempio la girante di una pompa o la pala di un miscelatore.” Sono disposti in modo tale da essere a contatto attraverso un piccolo «intercapedine d’aria o un involucro di contenimento non magnetico».
Man mano che si verifica il movimento rotatorio, anche il campo magnetico generato dai magneti motori ruota. A causa del campo magnetico rotante, nei magneti motori viene indotta una forza magnetica. Di conseguenza, si ottiene la rotazione tra l’albero motore e quello condotto senza alcun contatto fisico tra di essi.
La trasmissione della coppia è dovuta al fatto che, per loro natura, i poli magnetici hanno la capacità di allinearsi tra loro. Finché la coppia richiesta rientra nei valori specificati, il funzionamento è sincrono.
Data l'assenza di attrito all'interno dei componenti del giunto, il livello di calore generato è notevolmente basso. Un altro vantaggio è rappresentato dal livello di vibrazioni rispetto ai giunti meccanici. Ciò significa che il funzionamento sarà silenzioso e che il sistema garantirà stabilità nel tempo.
Dal punto di vista dell'utente, il principio sopra esposto si traduce in una risposta prevedibile in caso di guasto. Può essere considerato sia come un dispositivo per la trasmissione della coppia sia come un dispositivo di sicurezza automatico.
3. Da cosa sono costituiti i giunti a magneti permanenti?
I giunti a magneti permanenti sono costituiti da diversi componenti progettati con cura. Ogni parte influisce direttamente sulla capacità di coppia, sull'efficienza, sulla durata e sul costo complessivo. Comprendere questi componenti aiuta gli acquirenti a valutare la qualità del prodotto.
Magneti permanenti
I magneti permanenti sono i componenti principali che costituiscono il nucleo. Gli accoppiamenti industriali a magneti permanenti utilizzano solitamente magneti permanenti al neodimio o al ferromagnetico ND, poiché si tratta dei materiali più potenti tra quelli utilizzati per i magneti permanenti.
Questo tipo di magneti consente di trasmettere coppie elevate pur mantenendo un design compatto. L'efficienza della macchina aumenta con l'uso di magneti di qualità superiore, poiché si riduce il rischio di slittamenti. La qualità del magnete influisce direttamente sul funzionamento regolare dell'apparecchiatura.
Il processo di selezione del grado di un magnete è altrettanto importante per quanto riguarda la resistenza alla temperatura e la durata nel tempo. Gli acquirenti solitamente confrontano le varie specifiche tecniche di un magnete prima di acquistarne uno specifico da un produttore.
Gruppo rotore interno
Il rotore interno è montato sull'albero motore. Mantiene i magneti in una posizione precisa.
Il rotore è solitamente realizzato in acciaio ad alta resistenza o in acciaio inossidabile. Una lavorazione accurata garantisce una rotazione fluida anche a velocità elevate.
Tra le conseguenze di un bilanciamento inadeguato vi sono vibrazioni eccessive della macchina che causano il guasto prematuro dei cuscinetti.
Un buon rotore interno contribuisce a garantire l'efficienza nella trasmissione della coppia, nonché l'affidabilità nel funzionamento a lungo termine.
Gruppo rotore esterno
Il rotore esterno è collegato all'albero condotto. Contiene dei magneti disposti in modo da interagire con il campo magnetico del rotore interno.
Man mano che il campo magnetico ruota, il rotore esterno lo segue senza alcun contatto fisico. Un allineamento preciso tra i rotori è fondamentale per garantire un funzionamento stabile.
Nei sistemi a tenuta stagna, il rotore esterno del motore è completamente isolato dal lato motore. In questo modo, garantisce una separazione totale tra i componenti di azionamento e i fluidi di processo.
Guscio di contenimento
La maggior parte dei giunti a magneti permanenti prevede un involucro di contenimento situato tra i due rotori. In sostanza, tale involucro separa fisicamente il lato motore da quello condotto.
In genere viene realizzato con materiali non magnetici, quali l’acciaio inossidabile, l’Hastelloy o il titanio. La pressione, la corrosione e le sollecitazioni meccaniche sono le condizioni a cui il mantello deve resistere.
Il guscio di contenimento elimina la necessità di guarnizioni meccaniche. Ciò è fondamentale nelle applicazioni pericolose, ad alta purezza o sensibili dal punto di vista ambientale.
4. Quali sono i parametri prestazionali dei giunti a magneti permanenti?
L'idoneità di un accoppiamento a magneti permanenti per una determinata applicazione dipende dai parametri prestazionali. Questi fattori incidono sulla sicurezza, sull'efficienza e sulla durata.
Coppia nominale
La coppia nominale definisce la coppia massima continua che il giunto è in grado di trasmettere. Si tratta del parametro di selezione più importante.
Se la coppia di funzionamento supera tale valore, si verifica uno slittamento magnetico anziché un guasto meccanico. Ciò protegge le apparecchiature collegate da eventuali danni. Spesso gli acquirenti specificano giunti selezionati con un margine di sicurezza.
La scelta della coppia corretta garantisce un funzionamento stabile nel lungo periodo. I giunti sottodimensionati possono slittare eccessivamente e generare calore.
Velocità massima di funzionamento
Ogni giunto ha una velocità di rotazione massima consentita che dipende dall’equilibratura del rotore, dalla forza di ritenzione dei magneti e dal progetto strutturale.
È necessaria una lavorazione di precisione per garantire un funzionamento ad alta velocità. Il funzionamento al di fuori dei limiti di velocità provoca vibrazioni o sollecitazioni meccaniche.
Questo parametro è particolarmente importante per le pompe e i compressori.
Intervallo di temperatura
I magneti permanenti perdono la loro forza all'aumentare della temperatura. Un calore eccessivo può causare una smagnetizzazione irreversibile.
I produttori specificano le temperature massime di esercizio. I magneti alle terre rare offrono generalmente prestazioni migliori alle alte temperature.
Una buona gestione termica è fondamentale in ambienti difficili.
Tolleranza di disallineamento
Gli accoppiamenti magnetici tollerano lievi disallineamenti dell'albero. Ciò semplifica l'installazione e riduce i tempi di allineamento.
Tuttavia, un disallineamento eccessivo riduce la capacità di coppia. Può inoltre aumentare le vibrazioni.
Questa tolleranza conferisce maggiore flessibilità alla progettazione del sistema.
5. Vantaggi e svantaggi dei giunti a magneti permanenti
«I giunti a magneti permanenti presentano numerosi vantaggi, ma anche alcuni limiti. Gli acquirenti devono tenere conto di tali limiti al momento di scegliere questi giunti.»
Vantaggi dei giunti a magneti permanenti
1. Nessun contatto meccanico
Non è necessario alcun contatto fisico per trasmettere la coppia. L'assenza di contatto esclude qualsiasi attrito. Maggiore durata dei componenti del sistema. Maggiore affidabilità nel tempo.
2. Manutenzione minima
Non ci sono parti a sfregamento che richiedano lubrificazione.
La manutenzione è semplice.
I costi della manodopera e i tempi di inattività vengono ridotti. I risparmi sono notevoli.
3. Trasmissione di potenza senza perdite
La coppia viene trasmessa attraverso una sezione bloccata di un involucro chiuso. Le tenute meccaniche vengono eliminate.
In questo modo si eviteranno del tutto le perdite. Ciò migliorerà sia la sicurezza che la tutela dell'ambiente.
4. Protezione da sovraccarico integrata
Lo slittamento magnetico si verifica in condizioni di sovraccarico. Non si verificano danni meccanici associati.
È garantita la protezione dei motori e dei riduttori. Il ripristino è rapido in caso di guasti.
5. Maggiore durata delle attrezzature
Il trasferimento fluido della coppia contribuisce a ridurre al minimo le vibrazioni. Inoltre, i cuscinetti sono sottoposti a sollecitazioni molto inferiori.
Una maggiore durata delle attrezzature. Gli intervalli di sostituzione sono più lunghi.
6. Funzionamento silenzioso e fluido
Il livello di rumore prodotto è basso. Anche i livelli di vibrazione sono contenuti.
Ciò migliora l'ambiente di lavoro. Si riduce inoltre l'affaticamento strutturale.
7. Miglioramento della sicurezza operativa
I modelli a tenuta stagna eliminano le parti rotanti esposte. Il rischio di lesioni risulta così ridotto.
La sicurezza migliora negli ambienti pericolosi. Questo aspetto è fondamentale in molti settori industriali.
8. Affidabile in condizioni ambientali difficili
Gli accoppiamenti magnetici garantiscono ottime prestazioni in condizioni di umidità o in ambienti corrosivi. Presentano un numero inferiore di punti di guasto.
Sono ideali per applicazioni a funzionamento continuo. I tempi di fermo vengono ridotti al minimo.
Svantaggi dei giunti a magneti permanenti
1. Costo iniziale più elevato
Gli accoppiamenti a magneti permanenti comportano un costo iniziale più elevato. A ciò si aggiungono i costi dei magneti in terre rare.
Possono esserci anche alcuni vincoli di bilancio, ma nella maggior parte dei casi il vantaggio di risparmiare in vista del futuro
2. Capacità di coppia limitata
Anche la coppia è limitata dall'intensità magnetica. Le applicazioni che richiedono una coppia molto elevata rappresentano un problema.
Per coppie più elevate, potrebbero essere necessarie dimensioni maggiori. Lo spazio a disposizione potrebbe rappresentare un problema.
3. Sensibilità alla temperatura
Le alte temperature influiscono sulla forza magnetica. Provocano danni permanenti.
Ciò ne limita l'uso in condizioni di caldo estremo.
Il controllo termico è un fattore importante.
4. Rischio di interferenze magnetiche
I campi magnetici intensi possono influire sul funzionamento delle apparecchiature elettroniche. Potrebbe essere necessario ricorrere a misure di schermatura.
La complessità della progettazione del sistema aumenterà.
Sarà necessario pianificare la disposizione degli spazi.
5. Perdita di efficienza durante lo slittamento
Anche lo scorrimento genera calore. Lo scorrimento è indesiderabile quando è continuo.
Una corretta scelta della taglia consentirà di evitare questo problema. Si raccomanda di tenere sotto controllo la situazione.
6. Dimensioni maggiori per una coppia elevata
I progetti che richiedono una coppia elevata necessitano di giunti più grandi. Un sistema compatto potrebbe presentare dei problemi.
La flessibilità progettuale risulta ridotta. La pianificazione degli spazi è fondamentale.
7. Dipendenza dai materiali delle terre rare
Fornitura di magneti alle terre rare:
L'offerta di magneti alle terre rare è soggetta a variazioni.
Il prezzo varia.
Ciò comporta dei rischi legati all'approvvigionamento. È necessaria una pianificazione a lungo termine.
8. Prestazioni insufficienti in presenza di carichi d'urto
Un aumento improvviso della coppia provocherà lo slittamento ripetuto dell'oggetto. Si genererà calore.
I giunti meccanici potrebbero resistere meglio agli urti. L’analisi dell’applicazione è fondamentale.
6. Scenari di applicazione degli accoppiamenti a magneti permanenti
Gli accoppiamenti a magneti permanenti sono spesso necessari in applicazioni che richiedono sicurezza, tenuta e affidabilità.
Industria di trasformazione chimica
Queste pompe utilizzano accoppiamenti magnetici, che impediscono le perdite. Nelle pompe per sostanze chimiche, l’uso di accoppiamenti magnetici garantisce il contenimento delle sostanze pericolose
La sicurezza e la tutela dell'ambiente risultano migliorate. I costi di manutenzione sono ridotti.
Settore farmaceutico e dell'industria alimentare
Impediscono la contaminazione. Non si verificano perdite di lubrificante.
Pulizia e sterilizzazione: questi processi risultano più semplici.
Conformità normativa: Normativa
Trattamento dell'acqua e delle acque reflue
Deve poter continuare a funzionare senza interruzioni. Deve essere in grado di
Sono resistenti alla corrosione.
I costi operativi vengono ridotti.
Settore petrolifero e del gas
La prevenzione delle perdite è di fondamentale importanza.
L'accoppiamento magnetico elimina le tenute dinamiche.
La sicurezza migliora negli ambienti a rischio di incendio. I rischi presenti nell'ambiente diminuiscono.
Settore minerario e industria pesante
Si verificano frequenti variazioni dei carichi. Gli accoppiatori magnetici offrono una protezione contro i sovraccarichi.
I danni alle attrezzature sono minimi. I costi di manutenzione si riducono.
Conclusione
Gli accoppiamenti a magneti permanenti si sono affermati come una soluzione efficace per rispondere alle esigenze della moderna trasmissione di potenza industriale. Garantiscono un funzionamento privo di perdite e integrano di serie funzionalità di manutenzione e protezione.
L'elevato investimento iniziale si rivela vantaggioso nel lungo periodo, soprattutto perché l'affidabilità raggiunge il massimo in un ambiente sigillato e a funzionamento continuo.
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