Magnetické ložisko: Typy, ako to funguje a kľúčové aplikácie

Keď dôjde k strate napájania aktívneho magnetického ložiska, rotor klesne na pomocné (dotykové) ložiská. Ide o valivé ložiská s malou vôľou voči medzere magnetického ložiska. Sú navrhnuté tak, aby bezpečne podopierali rotor pri plnej rýchlosti a umožňovali jeho otáčanie bez kontaktu s pólmi elektromagnetu. Udalosť pádu je riadená a stroj sa zastaví na dotykových ložiskách. Vyžaduje sa, aby každý systém AMB obsahoval dotykové ložiská a každá inštalácia by mala zahŕňať neprerušiteľný zdroj napájania (UPS), ktorý poskytuje energiu pre riadenú riadenú postupnosť dobiehania, a nie okamžitý pokles, čo minimalizuje opotrebovanie dotykových ložísk.

Vo všeobecnosti nie. Magnetické ložiská majú nižšiu nosnosť na jednotku priemeru ložiska ako ložiská s valivými prvkami alebo ložiská s kvapalinovým filmom. Valivé ložisko s otvorom 100 mm môže uniesť statické zaťaženie niekoľko stoviek kN; magnetické ložisko podobného vonkajšieho priemeru podporuje asi 10–30 kN v závislosti od konštrukcie elektromagnetu a prípustného rozptylu energie. To je dôvod, prečo sa magnetické ložiská zriedka používajú v aplikáciách vyžadujúcich vysoké radiálne zaťaženie pri stredných rýchlostiach - ich výhodou je vysoká rýchlosť, presnosť, citlivosť na znečistenie alebo bezúdržbová prevádzka, nie hrubá nosnosť. Rotory pre magnetické ložiskové systémy musia byť navrhnuté s ohľadom na toto obmedzenie zaťaženia od začiatku.

Súčiastky statora a rotora s magnetickým ložiskom – lamely, cievky a kryty – nie sú opotrebiteľné časti a pri normálnej prevádzke nemajú definovanú únavovú životnosť, pretože medzi nimi nie je žiadny kontakt. Komponenty obmedzujúce opotrebovanie sú dotykové ložiská, ktoré sa vymieňajú podľa preventívneho plánu, zvyčajne každých 3 až 5 rokov alebo po určitom počte prípadov pádu rotora. Elektronika (výkonové zosilňovače, riadiace dosky) má predpokladanú životnosť 10–15 rokov, s opravou na úrovni komponentov alebo výmenou dosky podľa potreby. Správy z terénu z inštalácií potrubí a procesných kompresorov naznačujú, že strojové zariadenia s magnetickými ložiskami fungovali viac ako 20 rokov s pôvodným ložiskovým hardvérom v prevádzke, iba s údržbou ložísk a elektroniky.

Áno, magnetické ložiskové systémy môžu byť a sú používané v nebezpečných oblastiach klasifikovaných podľa ATEX/IECEx. Elektromagnety a snímače vo vnútri ložiskového puzdra sú v kontakte s procesným plynom a tieto komponenty možno navrhnúť a posúdiť na použitie v prostredí s horľavými plynmi. Riadiaca skriňa a výkonové zosilňovače sú zvyčajne umiestnené mimo nebezpečnej oblasti v bezpečnom priestore a sú spojené s ložiskom tienenými káblami. Toto oddelenie aktívnej elektroniky od nebezpečnej oblasti je štandardnou praxou v zariadeniach na kompresiu zemného plynu. Používatelia by si mali overiť, že špecifická konfigurácia produktu má vhodné posúdenie nebezpečnej oblasti pre ich zónu a skupinu plynov.

Obidve používajú kontrolované magnetické sily na levitáciu objektu bez kontaktu, ale aplikácie a mierky sú odlišné. Dopravné systémy Maglev levitujú a poháňajú celé vlakové vozidlo pozdĺž vodiacej dráhy, čo si vyžaduje rozsiahlu lineárnu elektromagnetickú infraštruktúru. Magnetické ložiská podporujú rotujúce hriadele v strojoch – kompresory, turbíny, vretená, zotrvačníky – a sú skôr komponentom väčšieho stroja než samotným dopravným systémom. Základná fyzika a princípy riadenia spolu úzko súvisia; výskum aktívnych magnetických ložísk v skutočnosti priamo prispel k metódam riadenia používaným v moderných komerčných železničných systémoch maglev, ako sú trate Shanghai Transrapid a japonský SCMaglev. Na funkčnej úrovni je magnetické ložisko v podstate maglevový systém aplikovaný na rotačnú os v kryte stroja.

Dodatočné vybavenie je technicky možné, ale vyžaduje si značné inžinierske práce. Rotor sa musí upraviť alebo vymeniť, aby sa pridali ložiskové ložiskové čapy s vhodným materiálom a geometriou, a ložiskové puzdro musí byť prerobené tak, aby sa do neho zmestili statory elektromagnetu, snímače a pomocné ložiská. Dynamika rotora sa zmení s novou charakteristikou tuhosti ložísk a tlmenia, takže je potrebná úplná analýza dynamiky rotora a opätovné posúdenie kritických otáčok. V niektorých prípadoch je existujúca konštrukcia rotora kompatibilná s dodatočnou montážou magnetického ložiska; v iných je potrebný nový rotor. Niekoľko spoločností – vrátane Waukesha Bearings a SKF Magnetic Mechattronics – vykonalo projekty modernizácie odstredivých kompresorov a publikované prípadové štúdie sú dostupné v zborníku Turbomachinery and Pump Symposia (Texas A&M University).

Teplota ovplyvňuje niekoľko komponentov magnetického ložiskového systému rôznymi spôsobmi. Hustota zvyškového toku permanentných magnetov klesá so zvyšujúcou sa teplotou – toto je primárne konštrukčné obmedzenie pre hybridné ložiská využívajúce permanentné magnety zo vzácnych zemín, ktoré môžu stratiť významnú silovú kapacitu pri teplotách nad 150 °C. Izolácia vinutia v cievkach elektromagnetu stanovuje hornú hranicu teploty pre stator ložiska; Vysokoteplotná izolácia triedy H alebo triedy N to rozširuje na 180 °C alebo 200 °C. Feromagnetický laminovaný materiál stráca priepustnosť, keď sa blíži k Curieovej teplote (okolo 770 °C pre železo), čím sa znižuje nosná sila pri veľmi vysokých teplotách. Na spodnom konci je možná kryogénna prevádzka pri teplotách kvapalného dusíka alebo kvapalného hélia – turboexpandéry v závodoch na separáciu vzduchu a LNG pracujú s magnetickými ložiskami pri teplotách kryogénneho procesného plynu.

Podľa inštalovaného základného objemu je sektor kompresie ropy a plynu / zemného plynu najväčším priemyselným používateľom aktívnych magnetických ložísk vo veľkých turbostrojoch. Vákuové zariadenia na výrobu polovodičov sú najväčším používateľom podľa počtu kusov. Building HVAC je rastúci segment poháňaný prijatím chladičov s magnetickým ložiskom veľkými značkami. Zdravotnícka pomôcka – konkrétne implantovateľné pomôcky na podporu srdca – je malý, ale vysoko hodnotný trh, kde sa technológia stala klinickým štandardom starostlivosti o pokročilú podporu srdcového zlyhania. Skladovanie energie prostredníctvom zotrvačníkov je novovznikajúci segment s rastúcimi inštaláciami v oblasti regulácie frekvencie siete.