Experimental investigation of the dynamic behaviour of cogging-free magnetic clutches
Experimental Condensed Matter Physics
Final Report Abstract
Magnetische Kupplungen finden sich im Alltag beispielsweise in Kreiselpumpen von Aquarienfiltern oder in hochwertigen Milchaufschäumern. Auch in Laboren und in der Industrie finden magnetische Kupplungen in Form von Magnetrührern Anwendung. Berührungslose magnetische Kupplungen sind gerade dann vorteilhaft, wenn eine Drehmoment- oder Kraftübertragung in hermetisch geschlossene Behältnisse notwendig ist, da die Behälterwand dann nicht für eine mechanische Antriebswelle durchbrochen werden muss. So werden sie in der Chemie besonders beim Umgang mit gefährlichen oder giftigen Fluiden eingesetzt. In diesem experimentellen Projekt wurden Variationen einer speziellen magnetischen Kupplung untersucht. Sie beruht auf zwei kugelförmigen Dauermagneten, die auf jeweils einer Drehachse montiert sind. Eine Achse wird durch einen Motor angetrieben, der zweite Magnet dreht sich dann infolge der magnetischen Wechselwirkung zwischen den beiden Kugeln ebenfalls, ohne dass ein mechanischer Kontakt zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb besteht. Durch eine Änderung der geometrischen Anordnung der beiden Magnetkugeln kann man den Drehsinn des mitgedrehten Magneten umkehren. Für beide Drehrichtungen findet man jeweils einen Arbeitspunkt, bei dem sich dieser Abtriebs- Magnet völlig gleichmäßig dreht – das sind die sogenannten rastmomentfreien Realisationen dieser magnetischen Kupplung. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass das Verhalten des Abtriebs in der Nähe dieser beiden Arbeitspunkte sehr robust und stabil ist. In der Nähe des Umschlagpunktes der Drehrichtung wird das Verhalten allerdings sehr irregulär. Hier gelingen eine genauere Analyse und ein Verständnis dieser Bewegungsmuster erst durch Aufstellung eines vereinfachten mathematischen Modells für die Kupplung, welches eine detaillierte Betrachtung des zeitlichen Verhaltens von dem Abtrieb ermöglicht.
Publications
- Assembly of eight spherical magnets into a dotriacontapole configuration. Physical Review B 98, 214424 (2018)
Hartung, S., Sommer, F., Völkel, S., Schönke, J. & Rehberg, I.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.214424) - Cogging free magnetic gears. DPG Conference on Condensed Matter, Berlin (2018)
Borgers, S., Völkel, S., Hartung, S., & Rehberg, I.
- Exploring cogging free magnetic gears. American Journal of Physics 86 (6), 460-469 (2018)
Borgers, S., Völkel, S., Schöpf, W. & Rehberg, I.
(See online at https://doi.org/10.1119/1.5029823) - Dotriacontapoles – strange magnetic clusters. 3rd Ilmenau Symposium on Medical Application of Magnetic Nanoparticles and Ferrofluids (ISMAP), Ilmenau (2019)
Hartung, S., Sommer, F., Völkel, S. & Rehberg, I.
(See online at https://doi.org/10.13140/RG.2.2.16876.51840) - Dynamics of magnetic gears. DPG Conference on Condensed Matter, Regensburg (2019)
Hartung, S., Völkel, S. & Rehberg, I.
- Dynamics of a magnetic gear with two cogging-free operation modes. Archive of Applied Mechanics 91, 1423-1435 (2021)
Hartung, S. & Rehberg, I.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00419-020-01830-z) - Overload dynamics of a magnetic gear with two coggingfree operation modes. Dynamics Days, Nice (2021)
Hartung, S., & Rehberg, I.
- On rational reactions – and other ones – of overloaded magnetic gears. DPG Conference on Condensed Matter, Regensburg (2022)
Hartung, S., & Rehberg, I.
