Магнитни лагери
Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009
Отличават се с редица предимства пред традиционно използваните лагерни опори в някои индустриални приложения
Напоследък все по-голямо приложение намират редица специални лагерни опори, каквито са магнитните лагери (magnetic bearing). Представляват машинни елементи, които поемат механични товари (лагерни реакции) чрез използването на определен физичен ефект, а именно магнитната левитация. Както читателите на сп. Инженеринг ревю знаят, левитацията е физично понятие за устойчиво положение на обекта в гравитационно поле без непосредствен контакт с други обекти.
Магнитна левитация
или магнитно окачване е метод, чрез който един обект е окачен над друг обект чрез използването на силата на магнитно поле. Действащата електромагнитна сила се използва за противодействие на гравитационната сила. Тези условия са изпълнени при магнитните лагери, за които е характерно, че лагеруването на валовете и въртящите се оси на различни машини се осъществява без физически контакт между елементите. Осигурява се въртеливо или друг вид относително движение практически без триене. Магнитни лагери се използват за лагеруване на електрически генератори, компресори, помпи, центрофуги и други машини.
Теоремата на Ърншоу (английски физик и математик от 19 век) доказва, че не е възможно да се постигне стабилна левитация чрез електрически заредени тела или магнити. В резултат на действието на силите, дължащи се на гравитацията и електростатично или магнитостатично поле, се създават предпоставки за нестабилно положение на обекта в пространството. Въпреки това, съществуват възможности за получаване на магнитна левитация. Например чрез изкуствена компютърно управлявана стабилизация на магнитен жироскоп (левитрон), както и при някои диамагнетици. Понятието е въведено от М. Фарадей през 1845 г.
Кои вещества са диамагнетици?
Диамагнетици са вещества, които се намагнитват срещу направлението на външното магнитно поле. При липса на такова поле, тези вещества са немагнитни. Диамагнетици са инертните газове, Si, P, Bi, Zn, Cu, Au, Ag и други органични и неорганични вещества. Човешкото тяло в магнитно поле се държи като диамагнетик.
Материал, който е диамагнитен, отблъсква магнитното поле. Теоремата на Ърншоу не е валидна за диамагнетици. Последните имат поведение, противоположно на това на типичните магнити поради факта, че тяхната относителна магнитна проницаемост е mr < 1. Всяка субстанция с диамагнитни свойства бива отблъсквана от магнита. Възникналата сила е значително по-малка в сравнение със силата на отблъскване между срещуположните полюси на нормалните магнити.
Свръхпроводниците - идеални диамагнетици
Левитация се получава при свръхпроводниците, които могат да бъдат считани за идеални диамагнетици (mr = 0), тъй като напълно отблъскват магнитното поле. Това се обяснява с така наречения ефект на Майснер, който е познат от физиката на ниските температури и важи за свръхпроводниците от първи род.
При свръхпроводниците от втори род, левитацията на магнита е стабилизирана поради "замръзването" на магнитния поток. Този принцип се използва при електродинамичното окачване (ЕДО) на левитиращите влакове.
Съществуват няколко метода за постигане на стабилна левитация за практически цели. Най-често използваните сред тях са сервостабилизираното електромагнитно окачване (ЕМО), електродинамичното окачване (ЕДО) и системата Индуктрак.
Магнитната транспортна система Индуктрак
Индуктрак (Inductrack) е експериментална магнитна транспортна система (разработка на американската лаборатория Lawrence Liwermore), съставена от подредени по специален начин (подреждане на Халбах) постоянни магнити от неодим-желязо-бор (Nd-Fe-B). Тази система се използва в промишлени и градски транспортни системи, както и от NASA за стартови ускорители на ракети.
Магнитни опори с постоянни магнити не се използват от вчера в уредостроенето за малки натоварвания. Те работят на принципа на привличане или отблъскване на два постоянни магнита с пръстеновидна или цилиндрична форма. Пръстеновидните магнити могат да бъдат намагнитени аксиално или радиално. При цилиндричните магнити се използва схема, характерно за която е двата магнита да са концентрични и да влизат един в друг. Създадената магнитна сила зависи от относителното изместване на краищата на магнитите.
Съвременните магнитни лагери с голяма товароносимост и промишлено приложение разполагат с индуктивно базирана поддържаща (левитационна) система. Тя е базирана на т. нар. Maglev технология, основана на редица американски патенти, както и на системата Индуктрак.
Магнитните лагери са активни
представляват комплекс от серво стабилизираща електронна система и подредени по специален начин (подреждане на Халбах) обикновени контурни намотки.
Стабилизиращата система служи за поддържане на геометричната ос на въртящия се вал в стабилно състояние. Тази система консумира енергия. Това е причината магнитните лагери да се наричат активни. Поради сложността на системата за стабилизация на ротора, в случай на отказ тези лагери изискват наличието на поддържащи елементи, в ролята на каквито се използват и обикновени лагери.
История на магнитния лагер
Свидетелствата сочат за първото практическо приложение на магнитен лагер патента на Джес Биймс (Jesse Beams) oт Университета на Виржиния, САЩ. Според историческите сведения той е използван за пречистване на изотопи при производството на първата атомна бомба. Периодът съвпада с Втората световна война. Сериозен принос в областта, особено във въвеждането на електрониката и компютърно базирани технологии за контрол, имат разработките на Хаберман (Habermann, H) и Швайцер (Schweitzer, G).
Промишленото приложение на магнитни лагери стартира с газовите компресори на компанията NOVA Gas Transmission (NTGL), Канада, която е сред пионерите в изследването и усъвършенстването на цифровите управляващи системи за магнитни лагери. През 1992 г. изследователската група на NTGL се формира като отделна компания - Revolve Technologies Inc. Историята показва, че тя започва търговската реализация на магнитни лагери, базирани на цифрова технология за управление. По-късно тя е придобита от европейския концерн SKF. Съществуващите сведения за историята на магнитните лагери свидетелстват, че френската компания S2M, основана през 1976 г., първа започва да предлага активни магнитни лагери.
Как работят тези лагери?
Опростена принципна схема на активен магнитен лагер (АМЛ) може да се види на фиг. 1. АМЛ се състои от комплект електромагнити, усилватели на мощност, които захранват с ток електромагнитите, контролер (управляваща система) и сензори за хлабина със съответна електроника. С тях се осъществява контрол на положението на ротора и се регулира вътрешната хлабина на лагера. При равномерни хлабини между ротора и лагера, усилвателите на мощност осигуряват еднакви токове за двойките срещуположни полюсни намотки на електромагнитите. Описаното състояние се променя от контролера, ако от сензорите за хлабина се получи сигнал, че роторът се е изместил от центъра на отвора. Предприеманите действия са в посока промяна на токовете - с еднаква стойност, но с различен знак (за едната намотка се увеличава, за другата - намалява), докато сензорите покажат, че роторът е концентричен с лагерния отвор.
Обикновено сензорите за хлабина са индуктивни, с чувствителност от диференциален тип. В съвременните промишлени приложения се използват полупроводникови усилватели на мощност, работещи на принципа на широчинно-импулсна модулация (ШИМ).
Област на приложение
Най-общо предимствата на магнитното лагеруване могат да се систематизират в следните групи:
l много малко и предсказуемо триене (само от въздушната среда);
l възможности за работа без смазочни материали;
l работа на лагера във вакуум;
l дълъг експлоатационен срок.
При правилна експлоатация тези лагери имат дълготрайност над 20 години.
Магнитните лагери намират все по-широко приложение в машини като компресори, турбини, помпи, мотори и генератори. Подобни лагери се използват и в много точни измервателни инструменти, както и в някои измервателни уреди, като електромери, например. Известни са приложенията им в машини и уреди, работещи във вакуум, например в системи за съхранение на енергия, използващи маховици. Въпреки че въртящият се в технически вакуум маховик се характеризира с много малки загуби от завихряне на средата, конвенционалните лагери не се препоръчват, защото се износват твърде бързо, поради липсата на смазване. Магнитни лагери се използват и в областта на медицинската и биомедицинската техника.
Стандартните магнитни лагери се използват за работа при висока температура (до 220 °C). За някои специални изпълнения се гарантира работата на лагерите в температурния диапазон от - 180 до 480 °C.
Видове магнитни лагери
Водещите компании, производители на магнитни лагери, предлагат както модели стандартно изпълнение, така и лагери, отговарящи на специфичните нужди на клиента. Стандартните размери могат да бъдат използвани за широк спектър приложения. Лагери специално изпълнение се проектират на базата на стандартизиран процес, в зависимост от специфичните условия на работа - натоварване, пространствено разположение, динамика на системата и операционна среда.
Произвеждат се радиални магнитни лагери, с товароносимост от 50 до 25 000 N, за валове с диаметри в диапазона от 9 mm до 230 mm (3/8 до 9 инча). Те могат да се инсталират на машини, които имат честота на въртене в диапазона от 1800 об/мин до 100 000 об/мин.
Предлагат се аксиални магнитни лагери, с товароносимост от 130 до 24 500 N, за валове с диаметри в диапазона от 9 mm до 130 mm (3/8 до 5 инча). Те също могат да се инсталират на машини, които имат честота на въртене в диапазона от 1800 об/мин до 100 000 об/мин.
Произвеждат се и радиално-аксиални (конусни) магнитни лагери. Те поемат едновременно радиални сили до 8900 N и аксиални сили до
17 800 N. С приложението им може да се спести ценно работно пространство.
Приложение на магнитните лагери в компресори
Магнитните лагери са много подходящи за приложение в различни видове индустриални турбокомпресори за сгъстени газове, например природен газ или водород. Типични приложни области на тези лагери са газодобивната и газопреносната промишлености, нефтодобивът, химическата и криогенната индустрии, в хладилни и климатични процеси. Системите с магнитни лагери са надеждни и ценово ефективни, споделят експерти в бранша. С внедряването им се постигат екологично съобразни решения, спестява се масло за смазване и се изключва процесът на замърсяване. Системите с магнитни лагери са компактни, отличават се с повишена надеждност, намалена консумация на енергия, минимална поддръжка и резервни части, сравнително ниска цена, дълъг живот, минимализиране на вибрациите, добри мониторингови възможности, дистанционно наблюдение, отсъствие на изискване за минималната скорост.
Приложение на магнитните лагери във вакуумна техника
Магнитните лагери са особено подходящи за ротационните системи, работещи във вакуум, вариращ от високовакуумна среда до атмосферно налягане. Вакуумната техника има широк спектър от промишлени приложения, например биотехнологични процеси, аналитична апаратура и газови лазери. Индустриалното оборудване, използвано за процеси под вакуум, трябва да отговаря на високи изисквания за херметичност и загряване, както и за отсъствие на замърсяване, като въглеводородните замърсители са особено нежелателни.
С използването на магнитните лагери се изключва необходимостта от смазване. Също така отсъства контакт между елементите на лагера, поради което не се отделят частици от износване. Следователно отсъства замърсяване. Постига се висока степен на херметичност и компактност на системата; повишена надеждност и достъпност; намалена консумация на енергия във вакуумна среда. Други предимства от използването на магнитни лагери са улеснена поддръжка и резервни части; намалена цена на жизнения цикъл; минимализиране на вибрациите.
Типичен случай на приложение на магнитен лагер, например, е в турбокомпресор. Използват се радиални лагери с товароносимост 4500 N и аксиален лагер с товароносимост 17 000 N, при диаметър на вала 120 mm. Във вакуумна помпа са използвани конусни лагери с товароносимост 350 N в радиална посока и 450 N в аксиално направление, при честота на въртене 38 500 об/мин. Други примери за лагеруване на магнитни лагери са турбовентилатори, системи с маховик за съхранение на енергия, турбомолекулярни помпи за свръхвисок вакуум и други.
Вижте още от Механични системи
Новият брой 5/2024
