Bezkontaktné magnetické ložiská: zariadenie, možnosti, výhody a nevýhody
Keď už hovoríme o magnetických ložiskách alebo bezkontaktných závesoch, nemôžeme opomenúť ich pozoruhodné vlastnosti: nie je potrebné žiadne mazanie, žiadne trecie časti, teda žiadne trecie straty, extrémne nízka úroveň vibrácií, vysoká relatívna rýchlosť, nízka spotreba energie, automatické ovládanie a monitorovanie ložísk systém, tesniaca schopnosť.
Všetky tieto výhody robia z magnetických ložísk najlepšie riešenia pre mnohé aplikácie: pre plynové turbíny, pre kryogénnu technológiu, vo vysokorýchlostných elektrických generátoroch, pre vákuové zariadenia, pre rôzne stroje na rezanie kovov a iné zariadenia, vrátane vysoko presných a vysokorýchlostných (asi 100 000 otáčok za minútu), kde je dôležitá absencia mechanických strát, porúch a chýb.
V zásade sú magnetické ložiská rozdelené do dvoch typov: pasívne a aktívne magnetické ložiská. Vyrábajú sa pasívne magnetické ložiská na báze permanentných magnetov, ale tento prístup nie je ani zďaleka ideálny, preto sa používa len zriedka.Flexibilnejšie a širšie technické možnosti otvárajú aktívne ložiská, v ktorých sa magnetické pole vytvára striedavými prúdmi vo vinutiach drôtov.
Ako funguje bezkontaktné magnetické ložisko
Činnosť aktívneho magnetického závesu alebo ložiska je založená na princípe elektromagnetickej levitácie — levitácie pomocou elektrických a magnetických polí. Tu dochádza k otáčaniu hriadeľa v ložisku bez fyzického kontaktu povrchov navzájom. Z tohto dôvodu je mazanie úplne vylúčené a mechanické opotrebovanie stále chýba. Tým sa zvyšuje spoľahlivosť a účinnosť strojov.
Odborníci tiež poznamenávajú dôležitosť sledovania polohy hriadeľa rotora. Senzorový systém nepretržite monitoruje polohu hriadeľa a poskytuje signály automatickému riadiacemu systému pre presné polohovanie úpravou polohovacieho magnetického poľa statora - príťažlivá sila na požadovanej strane hriadeľa sa zosilňuje alebo zoslabuje nastavením prúdu v statorové vinutia aktívnych ložísk .
Dve kuželíkové aktívne ložiská alebo dve radiálne a jedno axiálne aktívne ložisko umožňujú zavesenie rotora bez dotyku doslova vo vzduchu. Systém riadenia gimbalu pracuje nepretržite, môže byť digitálny alebo analógový. To poskytuje vysokú priľnavosť, vysokú nosnosť a nastaviteľnú tuhosť a tlmenie nárazov. Táto technológia umožňuje ložiskám pracovať pri nízkych aj vysokých teplotách, vo vákuu, pri vysokých rýchlostiach a v podmienkach zvýšených požiadaviek na sterilitu.
Aktívne bezkontaktné magnetické ložiskové zariadenie
Z vyššie uvedeného je zrejmé, že hlavnými časťami aktívneho magnetického závesného systému sú: magnetické ložisko a automatický elektronický riadiaci systém. Elektromagnety neustále pôsobia na rotor z rôznych strán a ich činnosť je podriadená elektronickému riadiacemu systému.
Rotor radiálneho magnetického ložiska je vybavený feromagnetickými doskami, na ktoré pôsobí retenčné magnetické pole z vinutia statora, v dôsledku čoho je rotor zavesený v strede statora bez toho, aby sa ho dotýkal.Indukčné snímače monitorujú polohu statora. rotor za každých okolností. Akákoľvek odchýlka od správnej polohy má za následok signál, ktorý sa odošle do ovládača, aby vrátil rotor do požadovanej polohy. Radiálna vôľa môže byť medzi 0,5 a 1 mm.
Magnetické podporné ložisko funguje podobným spôsobom. Na hriadeli ťažného kotúča sú pripevnené prstencové elektromagnety. Elektromagnety sú umiestnené na statore. Axiálne snímače sú umiestnené na koncoch hriadeľa.
Na spoľahlivé uchytenie rotora stroja pri jeho zastavení alebo pri poruche zádržného systému sa používajú bezpečnostné guľôčkové ložiská, ktoré sú upevnené tak, že medzera medzi nimi a hriadeľom je nastavená na polovicu veľkosti magnetického ložiska. .
Automatický riadiaci systém je umiestnený v skrini a zodpovedá za správnu moduláciu prúdu pretekajúceho elektromagnetmi v súlade so signálmi zo snímačov polohy rotora. Výkon zosilňovačov súvisí s maximálnou silou elektromagnetov, veľkosťou vzduchovej medzery a reakčným časom systému na zmenu polohy rotora.
Možnosti bezkontaktných magnetických ložísk
Maximálna možná rýchlosť rotora v radiálnom magnetickom ložisku je obmedzená len schopnosťou feromagnetických rotorových dosiek odolávať odstredivej sile. Obyčajne je limit pre obvodovú rýchlosť 200 m/s, zatiaľ čo pre axiálne magnetické ložiská je limit limitovaný odporom oceľovej liatiny dorazu — 350 m/s pri bežných materiáloch.
Použité feromagnety tiež určujú maximálne zaťaženie, ktoré ložisko znesie so zodpovedajúcim priemerom a dĺžkou statora ložiska. Pre štandardné materiály je maximálny tlak 0,9 N / cm2, čo je menej ako pri konvenčných kontaktných ložiskách, ale strata zaťaženia môže byť kompenzovaná vysokou obvodovou rýchlosťou so zväčšeným priemerom hriadeľa.
Spotreba energie aktívneho magnetického ložiska nie je príliš vysoká. Najväčšie straty v ložisku sú spôsobené vírivými prúdmi, je to však desaťkrát menej ako energia, ktorá sa stráca pri použití bežných ložísk v strojoch. S výnimkou spojok, tepelných bariér a iných zariadení fungujú ložiská efektívne vo vákuu, héliu, kyslíku, morskej vode a ďalších. Teplotný rozsah je od -253 ° C do + 450 ° C.
Relatívne nevýhody magnetických ložísk
Medzitým majú magnetické ložiská aj nevýhody.
V prvom rade je potrebné použiť pomocné bezpečnostné valivé ložiská, ktoré vydržia maximálne dve poruchy, po ktorých je potrebné ich vymeniť za nové.
Po druhé, zložitosť automatického riadiaceho systému, ktorý v prípade zlyhania bude vyžadovať zložité opravy.
Po tretie, teplota vinutia ložiskového statora stúpa pri vysokých prúdoch - vinutia sa zahrievajú a potrebujú vlastné chladenie, najlepšie kvapalinové.
Napokon, spotreba materiálu bezkontaktného ložiska je vysoká, pretože nosná plocha musí byť veľká, aby podporovala dostatočnú magnetickú silu – statorové jadro ložiska je veľké a ťažké. Plus fenomén magnetickej saturácie.
Ale napriek zjavným nevýhodám sú magnetické ložiská teraz široko používané, a to aj vo vysoko presných optických systémoch a v laserových inštaláciách. Tak či onak, od polovice minulého storočia sa magnetické ložiská neustále zdokonaľovali.