Bezkontaktní magnetická ložiska: zařízení, možnosti, výhody a nevýhody

Když už jsme u magnetických ložisek nebo bezkontaktních závěsů, nemůžeme si nevšimnout jejich pozoruhodných vlastností: žádné mazání, žádné třecí části, tudíž žádné třecí ztráty, extrémně nízká úroveň vibrací, vysoká relativní rychlost, nízká spotřeba energie, automatické ovládání a sledování ložisek systém, těsnící schopnost.

Všechny tyto výhody dělají z magnetických ložisek nejlepší řešení pro mnoho aplikací: pro plynové turbíny, pro kryogenní technologii, ve vysokorychlostních elektrických generátorech, pro vakuová zařízení, pro různé stroje na řezání kovů a další zařízení, včetně vysoce přesných a vysokorychlostních (asi 100 000 ot./min.), kde je důležitá absence mechanických ztrát, poruch a chyb.

V zásadě se magnetická ložiska dělí na dva typy: pasivní a aktivní magnetická ložiska. Vyrábí se pasivní magnetická ložiska na bázi permanentních magnetů, ale tento přístup není zdaleka ideální, takže se používá jen zřídka.Flexibilnější a širší technické možnosti otevírají aktivní ložiska, ve kterých je magnetické pole vytvářeno střídavými proudy ve vinutích drátu.

Jak funguje bezkontaktní magnetické ložisko

Činnost aktivního magnetického závěsu nebo ložiska je založena na principu elektromagnetické levitace — levitace pomocí elektrických a magnetických polí. Zde dochází k rotaci hřídele v ložisku bez fyzického kontaktu ploch mezi sebou. Z tohoto důvodu je mazání zcela vyloučeno a stále chybí mechanické opotřebení. To zvyšuje spolehlivost a efektivitu strojů.

Odborníci také upozorňují na důležitost sledování polohy hřídele rotoru. Senzorový systém nepřetržitě monitoruje polohu hřídele a poskytuje signály automatickému řídicímu systému pro přesné polohování úpravou polohovacího magnetického pole statoru - přitažlivá síla na požadované straně hřídele je zesílena nebo zeslabena úpravou proudu v statorová vinutí aktivních ložisek .

Dvě kuželíková aktivní ložiska nebo dvě radiální a jedno axiální aktivní ložisko umožňují zavěšení rotoru bez kontaktu doslova ve vzduchu. Systém ovládání gimbalu pracuje nepřetržitě, může být digitální nebo analogový. To poskytuje vysokou retenční pevnost, vysokou nosnost a nastavitelnou tuhost a tlumení nárazů. Tato technologie umožňuje ložiskům pracovat při nízkých i vysokých teplotách, ve vakuu, při vysokých otáčkách a v podmínkách zvýšených požadavků na sterilitu.

Aktivní bezkontaktní magnetické ložiskové zařízení

Z výše uvedeného je zřejmé, že hlavními částmi systému aktivního magnetického odpružení jsou: magnetické ložisko a automatický elektronický řídicí systém. Elektromagnety působí na rotor neustále z různých stran a jejich působení je podřízeno elektronickému řídicímu systému.

Rotor radiálního magnetického ložiska je vybaven feromagnetickými deskami, na které působí retentivní magnetické pole z vinutí statoru, v důsledku čehož je rotor zavěšen ve středu statoru, aniž by se ho dotýkal.Indukční snímače sledují polohu statoru. rotor za všech okolností. Jakákoli odchylka od správné polohy má za následek signál, který je odeslán do ovladače, aby vrátil rotor do požadované polohy. Radiální vůle může být mezi 0,5 a 1 mm.

Magnetické opěrné ložisko funguje podobným způsobem. Na hřídeli trakčního kotouče jsou připevněny prstencové elektromagnety. Elektromagnety jsou umístěny na statoru. Axiální snímače jsou umístěny na koncích hřídele.

Pro spolehlivé uchycení rotoru stroje při jeho zastavení nebo při poruše zádržného systému se používají bezpečnostní kuličková ložiska, která jsou upevněna tak, že mezera mezi nimi a hřídelí je nastavena na polovinu velikosti magnetického ložiska. .

Automatický řídicí systém je umístěn ve skříni a odpovídá za správnou modulaci proudu protékajícího elektromagnety v souladu se signály ze snímačů polohy rotoru. Výkon zesilovačů souvisí s maximální silou elektromagnetů, velikostí vzduchové mezery a reakční dobou systému na změnu polohy rotoru.

Možnosti bezkontaktních magnetických ložisek

Maximální možná rychlost rotoru v radiálním magnetickém ložisku je omezena pouze schopností feromagnetických rotorových desek odolávat odstředivé síle. Obvykle je limit pro obvodovou rychlost 200 m/s, zatímco pro axiální magnetická ložiska je limit omezen odporem ocelolitiny dorazu — 350 m/s u běžných materiálů.

Použité feromagnety také určují maximální zatížení, které ložisko vydrží s odpovídajícím průměrem a délkou statoru ložiska. Pro standardní materiály je maximální tlak 0,9 N / cm2, což je méně než u běžných kontaktních ložisek, ale ztrátu zatížení lze kompenzovat vysokou obvodovou rychlostí se zvětšeným průměrem hřídele.

Spotřeba energie aktivního magnetického ložiska není příliš vysoká. Největší ztráty v ložisku jsou způsobeny vířivými proudy, ale to je desetkrát méně než energie, která se ztrácí při použití konvenčních ložisek ve strojích. S výjimkou spojek, tepelných bariér a dalších zařízení fungují ložiska efektivně ve vakuu, heliu, kyslíku, mořské vodě a dalších. Teplotní rozsah je od -253 °C do + 450 °C.

Relativní nevýhody magnetických ložisek

Mezitím mají magnetická ložiska také nevýhody.

V první řadě je nutné použít pomocná bezpečnostní valivá ložiska, která vydrží maximálně dvě poruchy, poté je nutné je vyměnit za nová.

Za druhé, složitost automatického řídicího systému, který, pokud selže, bude vyžadovat složité opravy.

Za třetí, teplota vinutí ložiskového statoru stoupá při vysokých proudech — vinutí se zahřívají a potřebují vlastní chlazení, nejlépe kapalinové.

Konečně spotřeba materiálu bezkontaktního ložiska je vysoká, protože nosná plocha musí být velká, aby unesla dostatečnou magnetickou sílu – jádro statoru ložiska je velké a těžké. Plus fenomén magnetické saturace.

Ale navzdory zjevným nevýhodám jsou magnetická ložiska nyní široce používána, včetně vysoce přesných optických systémů a laserových instalací. Tak či onak, od poloviny minulého století se magnetická ložiska neustále zdokonalují.