Магнитный подшипник: типы, как он работает и основные области применения

Когда мощность на активном магнитном подшипнике теряется, ротор падает на вспомогательные (приземляющиеся) подшипники. Это подшипники качения с небольшим зазором относительно зазора магнитного подшипника. Они предназначены для безопасной поддержки ротора на полной скорости и позволяют ему вращаться без контакта с полюсами электромагнита. Падение контролируется, и машина останавливается на опорных подшипниках. Каждая система AMB должна включать в себя опорные подшипники, а каждая установка должна включать источник бесперебойного питания (ИБП) для обеспечения питания для упорядоченной контролируемой последовательности выбега, а не немедленного падения, что сводит к минимуму износ опорных подшипников.

В общем, нет. Магнитные подшипники имеют меньшую грузоподъемность на единицу диаметра подшипника, чем подшипники качения или подшипники с жидкостной пленкой. Подшипник качения диаметром 100 мм может выдерживать статическую нагрузку в несколько сотен кН; Магнитный подшипник аналогичного внешнего диаметра выдерживает примерно 10–30 кН в зависимости от конструкции электромагнита и допустимой рассеиваемой мощности. Вот почему магнитные подшипники редко используются в приложениях, требующих высоких радиальных нагрузок при умеренных скоростях — их преимуществом является высокая скорость, точность, чувствительность к загрязнению или работа без технического обслуживания, а не несущая способность. Роторы для систем магнитных подшипников должны быть спроектированы с учетом этого ограничения нагрузки с самого начала.

Компоненты статора и ротора магнитного подшипника — пластины, катушки и корпуса — не являются изнашиваемыми деталями и не имеют определенного усталостного ресурса при нормальной эксплуатации, поскольку между ними нет контакта. Компонентами с ограниченным износом являются опорные подшипники, которые заменяются по профилактическому графику, обычно каждые 3–5 лет или после определенного количества случаев падения ротора. Ожидаемый срок службы электроники (усилители мощности, платы контроллера) составляет 10–15 лет с ремонтом на уровне компонентов или заменой плат по мере необходимости. Полевые отчеты с трубопроводных и технологических компрессорных установок показывают, что оборудование с магнитными подшипниками работает более 20 лет с оригинальным подшипниковым оборудованием, с обслуживанием только приземляющихся подшипников и электроники.

Да, системы магнитных подшипников могут использоваться и используются в опасных зонах, классифицированных ATEX/IECEx. Электромагниты и датчики внутри корпуса подшипника контактируют с технологическим газом, и эти компоненты можно спроектировать и оценить для использования в средах с воспламеняющимися газами. Шкаф управления и усилители мощности обычно располагаются за пределами взрывоопасной зоны в безопасном помещении и подключаются к подшипнику экранированными кабелями. Такое отделение активной электроники от опасной зоны является стандартной практикой в ​​установках по сжатию природного газа. Пользователи должны убедиться, что конкретная конфигурация продукта имеет соответствующую оценку опасной зоны для своей зоны и группы газа.

Оба используют контролируемые магнитные силы для бесконтактной левитации объекта, но их применение и масштабы различны. Транспортные системы на магнитной подвеске поднимают в воздух и перемещают весь поезд по направляющим, что требует крупномасштабной линейной электромагнитной инфраструктуры. Магнитные подшипники поддерживают вращающиеся валы в машинах — компрессорах, турбинах, шпинделях, маховиках — и являются компонентом более крупной машины, а не отдельной транспортной системой. Основополагающие принципы физики и управления тесно связаны между собой; Фактически, активные исследования магнитных подшипников внесли непосредственный вклад в методы управления, используемые в современных коммерческих системах железных дорог на магнитной подвеске, таких как Шанхайская линия Transrapid и японская SCMaglev. На функциональном уровне магнитный подшипник, по сути, представляет собой систему магнитной подвески, прикрепленную к оси вращения внутри корпуса машины.

Модернизация технически возможна, но требует значительных инженерных работ. Ротор должен быть модифицирован или заменен с добавлением посадочных шеек подшипников из соответствующего материала и геометрии, а конструкция корпуса подшипника должна быть изменена для размещения статоров электромагнитов, датчиков и вспомогательных подшипников. Динамика ротора изменится с появлением новых характеристик жесткости и демпфирования подшипников, поэтому требуется полный динамический анализ ротора и повторная оценка критических скоростей. В некоторых случаях существующая конструкция ротора совместима с модернизацией магнитных подшипников; в других необходим новый ротор. Несколько компаний, в том числе Waukesha Bearings и SKF Magnetic Mechatronics, реализовали проекты модернизации центробежных компрессоров, а опубликованные тематические исследования доступны в материалах Симпозиума по турбомашинам и насосам (Техасский университет A&M).

Температура по-разному влияет на несколько компонентов системы магнитных подшипников. Остаточная плотность магнитного потока постоянных магнитов уменьшается с повышением температуры — это основное ограничение конструкции гибридных подшипников с использованием редкоземельных постоянных магнитов, которые могут терять значительную силовую способность при температуре выше 150°C. Изоляция обмоток катушек электромагнитов устанавливает верхний предел температуры подшипникового статора; высокотемпературная изоляция класса H или класса N увеличивает эту температуру до 180°C или 200°C соответственно. Ферромагнитный слоистый материал теряет проницаемость по мере приближения к температуре Кюри (около 770°C для железа), снижая несущую силу при очень высоких температурах. На нижнем уровне возможна криогенная работа при температурах жидкого азота или жидкого гелия — турбодетандеры на воздухоразделительных установках и установках СПГ работают с магнитными подшипниками при криогенных температурах технологического газа.

По установленному базовому объему сектор нефти и газа/компрессии природного газа является крупнейшим промышленным потребителем активных магнитных подшипников в больших турбомашинах. Вакуумное оборудование для производства полупроводников является крупнейшим пользователем по количеству единиц. Строительство систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — это растущий сегмент, обусловленный внедрением чиллеров с магнитными подшипниками крупными брендами. Медицинские устройства, в частности имплантируемые устройства для помощи при сердечной недостаточности, представляют собой небольшой, но ценный рынок, где эта технология стала клиническим стандартом оказания помощи при расширенной поддержке сердечной недостаточности. Хранение энергии с помощью маховиков — это развивающийся сегмент, в котором растет число установок регулирования частоты сети.