Bezkontaktowe łożyska magnetyczne: urządzenie, możliwości, zalety i wady

Mówiąc o łożyskach magnetycznych czy zawieszeniach bezkontaktowych, nie sposób nie wspomnieć o ich niezwykłych właściwościach: brak konieczności smarowania, brak części trących, a więc brak strat tarcia, wyjątkowo niski poziom drgań, duża prędkość względna, niskie zużycie energii, automatyczne sterowanie i monitorowanie łożysk system, zdolność uszczelniania.

Wszystkie te zalety sprawiają, że łożyska magnetyczne są najlepszym rozwiązaniem dla wielu zastosowań: w turbinach gazowych, w technologii kriogenicznej, w wysokoobrotowych generatorach elektrycznych, w urządzeniach próżniowych, w różnych maszynach do cięcia metalu i innych urządzeniach, w tym precyzyjnych i szybkobieżnych (około 100 000 obr/min), gdzie ważny jest brak strat mechanicznych, zakłóceń i błędów.

Zasadniczo łożyska magnetyczne dzielą się na dwa typy: pasywne i aktywne łożyska magnetyczne. Produkowane są pasywne łożyska magnetyczne oparte na magnesach trwałych, ale to podejście jest dalekie od ideału, dlatego jest rzadko stosowane.Bardziej elastyczne i szersze możliwości techniczne otwierają łożyska aktywne, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez prądy przemienne w uzwojeniach drutu.

Jak działa bezkontaktowe łożysko magnetyczne

Działanie aktywnego zawieszenia magnetycznego lub łożyska opiera się na zasadzie lewitacji elektromagnetycznej — lewitacji za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Tutaj obrót wału w łożysku odbywa się bez fizycznego kontaktu powierzchni ze sobą. Z tego powodu smarowanie jest całkowicie wykluczone, a zużycie mechaniczne nadal nie występuje. Zwiększa to niezawodność i wydajność maszyn.

Eksperci zwracają również uwagę na znaczenie monitorowania położenia wału wirnika. System czujników w sposób ciągły monitoruje położenie wału i dostarcza sygnały do ​​układu automatycznego sterowania w celu precyzyjnego pozycjonowania poprzez regulację pozycjonującego pola magnetycznego stojana - siła przyciągania po żądanej stronie wału jest wzmacniana lub osłabiana poprzez regulację prądu w uzwojenia stojana aktywnych łożysk.

Dwa stożkowe aktywne łożyska lub dwa promieniowe i jedno osiowe aktywne łożysko umożliwiają bezkontaktowe zawieszenie wirnika dosłownie w powietrzu. System sterowania gimbalem pracuje w sposób ciągły, może być cyfrowy lub analogowy. Zapewnia to wysoką wytrzymałość retencji, wysoką nośność oraz regulowaną sztywność i amortyzację. Technologia ta pozwala na pracę łożysk w niskich i wysokich temperaturach, w próżni, przy dużych prędkościach oraz w warunkach zwiększonych wymagań dotyczących sterylności.

Aktywne bezkontaktowe łożysko magnetyczne

Z powyższego wynika, że ​​głównymi częściami aktywnego magnetycznego układu zawieszenia są: łożysko magnetyczne i automatyczny elektroniczny układ sterowania. Elektromagnesy cały czas działają na wirnik z różnych stron, a ich działanie podporządkowane jest elektronicznemu układowi sterującemu.

Wirnik z promieniowymi łożyskami magnetycznymi wyposażony jest w płyty ferromagnetyczne, na które działa retencyjne pole magnetyczne z uzwojeń stojana, w wyniku czego wirnik jest zawieszony w środku stojana bez dotykania go.Czujniki indukcyjne monitorują położenie rotora przez cały czas. Każde odchylenie od prawidłowej pozycji skutkuje sygnałem, który jest wysyłany do sterownika w celu powrotu wirnika do żądanej pozycji. Luz promieniowy może wynosić od 0,5 do 1 mm.

Magnetyczne łożysko podporowe działa w podobny sposób. Elektromagnesy w kształcie pierścienia są przymocowane do wału tarczy trakcyjnej. Elektromagnesy znajdują się na stojanie. Czujniki osiowe znajdują się na końcach wału.

Aby niezawodnie utrzymać wirnik maszyny podczas jej postoju lub w momencie awarii systemu retencyjnego, stosuje się łożyska kulkowe bezpieczeństwa, które są zamocowane tak, aby szczelina między nimi a wałem była równa połowie szczeliny łożyska magnetycznego .

Układ automatycznej regulacji znajduje się w szafce i odpowiada za prawidłową modulację prądu przepływającego przez elektromagnesy zgodnie z sygnałami z czujników położenia wirnika. Moc wzmacniaczy związana jest z maksymalną siłą elektromagnesów, wielkością szczeliny powietrznej oraz czasem reakcji układu na zmianę położenia wirnika.

Możliwości bezkontaktowych łożysk magnetycznych

Maksymalna możliwa prędkość wirnika w promieniowym łożysku magnetycznym jest ograniczona jedynie zdolnością ferromagnetycznych płyt wirnika do przeciwstawiania się sile odśrodkowej. Zwykle granica prędkości obwodowej wynosi 200 m/s, podczas gdy dla osiowych łożysk magnetycznych granica ta jest ograniczona oporem staliwa ogranicznika — 350 m/s przy zwykłych materiałach.

Zastosowane ferromagnesy określają również maksymalne obciążenie, jakie może wytrzymać łożysko przy odpowiedniej średnicy i długości stojana łożyska. W przypadku standardowych materiałów maksymalny nacisk wynosi 0,9 N/cm2, czyli mniej niż w przypadku konwencjonalnych łożysk stykowych, ale stratę obciążenia można skompensować dużą prędkością obwodową przy zwiększonej średnicy wału.

Pobór mocy aktywnego łożyska magnetycznego nie jest bardzo wysoki. Największe straty w łożysku wynikają z prądów wirowych, ale są one dziesięć razy mniejsze niż energia, która jest tracona podczas stosowania konwencjonalnych łożysk w maszynach. Z wyłączeniem sprzęgieł, barier termicznych i innych urządzeń, łożyska działają skutecznie w próżni, helu, tlenie, wodzie morskiej i nie tylko. Zakres temperatur wynosi od -253°C do +450°C.

Względne wady łożysk magnetycznych

Tymczasem łożyska magnetyczne mają również wady.

Przede wszystkim konieczne jest zastosowanie pomocniczych łożysk tocznych zabezpieczających, które wytrzymają maksymalnie dwie awarie, po których należy je wymienić na nowe.

Po drugie, złożoność systemu automatycznego sterowania, który w przypadku awarii będzie wymagał skomplikowanych napraw.

Po trzecie, temperatura uzwojenia stojana łożyska wzrasta przy dużych prądach — uzwojenia nagrzewają się i potrzebują własnego chłodzenia, najlepiej cieczą.

Wreszcie, zużycie materiału łożyska bezstykowego jest wysokie, ponieważ powierzchnia łożyska musi być duża, aby wytrzymać wystarczającą siłę magnetyczną — rdzeń stojana łożyska jest duży i ciężki. Plus zjawisko nasycenia magnetycznego.

Jednak pomimo widocznych wad łożyska magnetyczne są obecnie szeroko stosowane, w tym w precyzyjnych systemach optycznych i instalacjach laserowych. Tak czy inaczej, od połowy ubiegłego wieku łożyska magnetyczne cały czas się poprawiają.