Магнитный подшипник на постоянных магнитах

Магнитный подшипник на постоянных магнитах

Говоря о магнитных подшипниках или бесконтактных подвесах, нельзя не отметить их замечательные качества: не нужна смазка, отсутствуют трущиеся части, следовательно нет потерь на трение, крайне низкий уровень вибрации, высокая относительная скорость, малое энергопотребление, система автоматического контроля и мониторинга состояния подшипников, возможность герметизации.

Все эти достоинства делают магнитные подшипники лучшими решениями для множества применений: для газовых турбин, для криогенной техники, в высокооборотных электрогенераторах, для вакуумных устройств, для различных станков и прочего оборудования, в том числе высокоточного и высокоскоростного (порядка 100000 оборотов в минуту), где важно отсутствие механических потерь, помех и погрешностей.

Принципиально магнитные подшипники подразделяются на два типа: пассивные и активные магнитные подшипники. Пассивные магнитные подшипники изготавливаются на базе постоянных магнитов, но такой подход далеко не идеален, поэтому используется он крайне редко. Более гибкие и широкие технические возможности открываются с подшипниками активными, в которых магнитное поле создается переменными токами в обмотках сердечников.

Как работает бесконтактный магнитный подшипник

Работа активного магнитного подвеса или подшипника базируется на принципе электромагнитной левитации — левитации с использованием электрического и магнитного полей. Здесь вращение вала в подшипнике происходит без физического контакта поверхностей друг с другом. Именно по этой причине полностью исключается смазка, а механический износ тем не менее отсутствует. Так повышаются надежность и КПД машин.

Специалисты также отмечают важность наличия контроля положения вала ротора. Система датчиков непрерывно следит за положением вала и подает сигналы системе автоматического управления для точного позиционирования путем корректировки позиционирующего магнитного поля статора, — сила притяжения с нужной стороны вала делается сильнее или слабее путем регулировки тока в статорных обмотках активных подшипников.

Два конических активных подшипника либо два радиальных и один осевой активные подшипники — позволяют бесконтактно подвесить ротор буквально в воздухе. Система управления подвесом работает непрерывно, она может быть цифровой или аналоговой. Так обеспечивается высокая прочность удержания, высокая грузоподъемность, и регулируемые жесткость и амортизация. Данная технология позволяет подшипникам работать в условиях низких и высоких температур, в вакууме, на больших скоростях и в условиях повышенных требований к стерильности.

Устройство активного бесконтактного магнитного подшипника

Из вышеизложенного ясно, что основными частями системы активного магнитного подвеса являются: магнитный подшипник и автоматическая система электронного управления. Электромагниты все время действуют на ротор с разных сторон, и действие их подчинено электронной системе контроля.

Ротор радиального магнитного подшипника оснащен ферромагнитными пластинами, на которые и действует удерживающее магнитное поле от катушек статора, в результате чего ротор оказывается подвешен в центре статора, не соприкасаясь с ним. Индуктивные датчики все время следят за положением ротора. Любое отклонение от правильного положения приводит к появлению сигнала, который подается на контроллер, чтобы тот в свою очередь вернул ротор в нужное положение. Радиальный зазор может составлять от 0,5 до 1 мм.

Аналогичным образом функционирует упорный магнитный подшипник. Электромагниты в форме кольца закреплены на валу упорного диска. Электромагниты располагаются на статоре. На концах вала располагаются осевые датчики.

Для надежного удержания ротора машины во время ее остановки или в момент отказа системы удержания, используются страховочные шариковые подшипники, которые закреплены так, что зазор между ними и валом выставлен равным половине того, что имеет место в магнитном подшипнике.

Система автоматического регулирования располагается в шкафу, и отвечает за правильную модуляцию тока, проходящего по электромагнитам, в соответствии с сигналами от датчиков положения ротора. Мощность усилителей связана с максимальной силой электромагнитов, величиной воздушного зазора и временем реакции системы на изменение положения ротора.

Читайте также:  Как укрепить штекер на наушниках

Возможности бесконтактных магнитных подшипников

Максимально возможная скорость вращения ротора в радиальном магнитном подшипнике ограничена лишь способностью ферромагнитных пластин ротора сопротивляться центробежной силе. Обычно предел окружной скорости составляет 200 м/с, в то время как для осевых магнитных подшипников предел ограничен стойкостью литой стали упора — 350 м/с с обычными материалами.

От применяемых ферромагнетиков зависит и максимальная нагрузка, которую способен выдержать подшипник соответствующего диаметра и длины статора подшипника. Для стандартных материалов максимальное давление — 0,9 Н/см2, что меньше чем у обычных контактных подшипников, однако проигрыш в нагрузке может быть компенсирован высокой окружной скоростью при увеличенном диаметре вала.

Энергопотребление активного магнитного подшипника не очень велико. Наибольшие потери в подшипнике приходятся на вихревые токи, но это в десятки раз меньше чем та энергия, которая растрачивается при использовании в машинах обычных подшипников. Муфты, термоизоляционные барьеры и другие устройства исключаются, подшипники эффективно работают в условиях вакуума, гелия, кислорода, морской воды и т. д. Диапазон температур составляет от -253°С до +450°С.

Относительные недостатки магнитных подшипников

Между тем, есть у магнитных подшипников и недостатки.

В первую очередь — необходимость применять вспомогательные страховочные подшипники качения, которые выдерживают максимум два отказа, после чего их нужно менять на новые.

Во-вторых, сложность системы автоматического управления, которая при выходе из строя потребует сложного ремонта.

В-третьих, температура обмотки статора подшипника при высоких токах повышается — обмотки греются, и им нужно персональное охлаждение, лучше если жидкостное.

Наконец, материалоемкость бесконтактного подшипника оказывается высокой, потому что площадь несущей поверхности для поддержания достаточной магнитной силы должна быть обширной — сердечник статора подшипника получается большим и тяжелым. Плюс явление магнитного насыщения.

Но, несмотря на кажущиеся недостатки, магнитные подшипники уже достаточно широко применяются, в том числе в оптических системах высокой точности и в лазерных установках. Так или иначе, начиная с середины прошлого века магнитные подшипники все время совершенствуются.

Бесконтактные опоры – магнитные подшипники

Магнитные подшипники
(по ГОСТ Р ИСО 14839-1 – 2011):

АМП – активный магнитный подшипник;

ППМ – подшипник с постоянными магнитами;

СМП – сверхпроводниковый магнитный подшипник;

ГМП – гибридный магнитный подшипник


1 — катушка управления; 2 — датчик перемещения в радиальном направлении; 3 — 3 измерительная поверхность для датчика; 4 — сердечник ротора; 5 — ось полюса статора; 7- вал; D — внутренний диаметр сердечника статора; d — внешний диаметр сердечника статора; δᵣ — номинальный воздушный зазор; δᵣ = (D-d)/2; Lₜ — общая длина подшипника (включая обмотку электромагнита); L — эффективная подшипника; W — ширина полюса; Aᵣ — площадь полюса; Aᵣ = WL


1 — ротор; 2 — измерительная поверхность для датчика; 3 — датчик перемещения в осевом направлении; 4 — сердечник статора; 5 — катушка статора; 6 — центральная ось осевого АМП; 7 — упорный диск ротора; dₐ — внешний диаметр диска ротора; Dₒ — внешний диаметр внешнего полюса статора; dₒ — внутренний диаметр внешнего полюса статора; dᵢ — внешний диаметр внутреннего полюса статора; Dᵢ — внутренний диаметр внутреннего полюса статора; δₐ — номинальный воздушный зазор; Aₐ — площадь пары полюсов; Aₐ = Π/4(Dₒ² — dₒ² + dᵢ² — Dᵢ²)

АМП состоит из электромеханической части, или собственно магнитного подшипника (МП), и электронной системы управления. МП содержит ротор, статор, в пазы которого уложены обмотки электромагнитов, и датчики положения ротора.


Функциональная схема активного магнитного подшипника

Читайте также:  Как сделать авторизацию через вконтакте

Используя информацию, поступающую от датчиков положения, эта система управляет положением ротора воздействует на магнитное поле в зазоре путем изменения величины тока в обмотках электромагнитов. Управление величиной тока позволяет обеспечить устойчивое положение ротора в центральном положении, а также получить желаемые значения жесткости и демпфирования подвеса.

Смещение ротора от заданного равновесного положения измеряется датчиками положения, сигнал которых сравнивается с установками регулятора и используется для коррекции положения ротора по соответствующей оси.

АМП ЭРГА:
радиальные АМП, осевые АМП и суппорты датчиков

Основные характеристики:
Несущая способность одного радиального подшипника – 50 кг
Несущая способность осевого подшипника – 100 кг


Комбинированный датчик положения АМП

Фрагменты системы управления АМП
Модуль управления электромагнитом (МЭМ)
Модуль электромагнита формирует токи комплементарной пары электромагнитов подвеса. Сигналы блока управления поступают на драйверы полевых транзисторов.

Максимальный ток модуля – 35А, напряжение – 400В.

Относительно высокое напряжение модуля необходимо для обеспечения высокого быстродействия контура тока (быстрого роста и спада тока электромагнитов АМП, индуктивность которых составляет 2,6 мГн).

Датчики тока измеряют токи электромагнитов и передают аналоговый сигнал в блок управления по кабелю связи.

Фрагменты системы управления АМП
Контроллер управления АМП

Контроллер управления АМП обеспечивает обработку сигналов и выработку сигналов управления модулями электромагнитов.

Основные функции блока управления:

• формирование напряжения электропитания датчиков положения АМП;
• обработка сигналов датчиков положения АМП;
• обработка сигналов датчиков токов электромагнитов АМП;
• формирование сигналов управления МЭМ;
• обработка сигналов датчиков фазных токов и напряжений электрической машины;
• формирование сигналов управления инвертора;
•передача диагностической информации и сигналов внешнего управления по каналу RS-485.

Контроллер управления реализован на ПЛИС (программируемой логической интегральной схеме). После сопоставления различных вариантов выбрана ПЛИС из семейства Spartan-6 компании Xilinx. 24 тысячи логических вентилей вполне достаточно для задач параллельного управления АМП и инвертора.

Цикл выработки управляющего сигнала составляет 2 мкс: 1 мкс на обработку сигналов АЦП датчиков и 1 мкс на расчёт по заложенным алгоритмам.

ПЛИС XC6SLX25-2FT256I использована в корпусе BGA и для обеспечения трассировки сигналов печатная плата выполнена многослойной.

Неограниченный ресурс
Снижение расходов на обслуживание

Отсутствие системы подготовки и подачи смазочного материала (насосов, фильтров, уплотнителей, сборников и т.д.)
Экологическая чистота

Снижение эксплуатационных расходов за счет экономии электроэнергии
Малая отдача теплоты в окружающую среду
Малый коэффицент трения

Работа в вакууме

Работа при низких и высоких температурах (от -150 до +450°С)
Работа в условиях радиации
Работа в агрессивных средах
Сверхчистые технологии

Возможность создания контролируемых микроперемещений ротора в зазоре
Вращение ротора вокруг оси инерции (самоцентрирование ротора) и отсутствие вибраций вследствии дисбаланса
Возможность создания системы активного гашения колебаний ротора

Высокая точность позиционирования
Облегченый переход через критические скорости
Отсутствие шума и вибраций

Контроль скорости вращения
Контроль нагрузки на подшипники
Контроль положения ротора
Контроль дисбаланса и балансировки ротора

Пассивные магнитные подшипники (подвесы) на постоянных магнитах

Теорема (запрет) Ирншоу

В системе тел, взаимодействующих посредством полей, потенциал которых изменяется обратно пропорционально расстоянию от источника, и не способных к изотропному вытеснению полей взаимодействия из занимаемого пространства, устойчивое равновесие невозможно.

К полям, потенциал которых убывает пропорционально расстоянию от источника, относятся, в частности, гравитационное, магнитостатическое и электростатическое поле. Чтобы получить устойчивое равновесие в таких полях, необходимо сконструировать систему с минимумом потенциальной энергии в точке равновесия, т. е. создать в некоторой области пространства вокруг этой точки "потенциальную яму". Для этого можно использовать неоднородные среды, а также материалы, относительная диэлектрическая или относительная магнитная проницаемость которых меньше, чем у окружающей их среды. Если окружающей средой является воздух (вакуум), то устойчивое равновесие можно получить только в магнитостатическом поле, используя диамагнетики или сверхпроводники. Однако, поскольку относительная магнитная проницаемость известных диамагнетиков мало отличается от единицы, то и сила, возвращающая тело к положению равновесия, будет невелика. А использование сверхпроводящих материалов ограничено необходимостью их существенного охлаждения. Поэтому в практических конструкциях магнитных подшипников на постоянных магнитах имеется, как правило, хотя бы одна степень свободы, в направлении которой равновесие невозможно.

Схемы пассивных магнитных подшипников

Радиальные магнитные подшипники на постоянных магнитах

1. 2. 3.

Рис. 1. Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных аксиально.

1. 2. 3.

Рис. 2. Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных радиально.

Все радиальные магнитные подшипники имеют поперечную (радиальную) жесткость и неустойчивы в осевом направлении.

Аксиальные магнитные подшипники на постоянных магнитах

1. 2. 3.

Рис. 3. Аксиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных аксиально.

1. 2. 3.

Рис. 4. Аксиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных радиально.

Все аксиальные магнитные подшипники имеют продольную (осевую) жесткость и неустойчивы в радиальном направлении.

Примеры конструкций

На рис. 5 показан макет устройства, состоящего из вала с двумя пассивными радиальными магнитными подшипниками.

Рис. 5. Макет устройства с двумя пассивными радиальными магнитными подшипниками.

Каждый из подшипников состоит из двух постоянных магнитов — наружного кольцевого и внутреннего цилиндрического, намагниченных аксиально (схема 3 рис. 1). Для того, чтобы обеспечить устойчивость вала в осевом направлении, использована шаровая опора. С помощью регулировочного винта можно выставлять положение магнитов друг относительно друга таким образом, чтобы максимально уменьшить нагрузку на опору и снизить момент трения.

Намагничивание постоянных магнитов осуществлялось в установках намагничивания [5].

Ссылки:

  1. Eric Maslen. Magnetic Bearings. University of Virginia, Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering, Charlottesville, Virginia, 2000.
  2. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. — СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.: ил.
  3. Магнитные подшипники и подвесы
  4. Постоянные магниты: Справочник / Альтман А. Б., Герберг А. Н., Гладышев П. А. и др.; Под ред. Ю. М. Пятина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1980. — 488 с., ил.
  5. Установки импульсного намагничивания и размагничивания постоянных магнитов
  • Аксиальный подшипник — осесимметричный подшипник, создающий противодействие продольным (осевым) нагрузкам.
  • Ирншоу теорема (запрет) — правило невозможности устойчивого равновесия в системе тел, взаимодействующих посредством полей, потенциал которых изменяется обратно пропорционально расстоянию от источника, и не способных к изотропному вытеснению полей взаимодействия из занимаемого пространства.
  • Магнитный подвес — устройство для разгрузки опоры, действующее за счет сил магнитного притяжения или отталкивания.
  • Магнитный подшипник — подшипник, принцип работы которого основан на использовании сил магнитного притяжения или отталкивания.
  • Подшипник — узел, соединяющий отдельные элементы конструкции, обеспечивающий им некоторое количество степеней свободы друг относительно друга.
  • Радиальный подшипник — осесимметричный подшипник, создающий противодействие поперечным (радиальным) нагрузкам.
Преимущества Следствия
Отсутствие механического контакта
Отсутствие износа
Отсутствие смазки
Высокие скорости вращения Снижение габаритных размеров машины. Высокоскоростные технологии.
Низкое энергопотребление
Возможность работы в экстремальных условиях
Большой зазор Невосприимчивость к загрязнению
Наличие электронной системы управления
Контролируемость положения оси ротора
Регулируемость жесткости и депфирования подвеса
Возможность использования сигналов датчиков для контроля параметров рабочего процесса
Ссылка на основную публикацию
Люстра с пультом управления светодиодная инструкция
Идея установить и подключить люстру с пультом замечательна тем, что хозяева квартиры получают возможность управлять освещением, не привязываясь к выключателю....
Линза для лазерного диода
Асферические линзы используются для коррекции сферических аберраций. Вместо применения сложных линз такие аберрации могут быть снижены до минимума при использовании...
Линукс для нетбука acer aspire one
Автор — Андрес Брачо (Andrés Bracho) Я не технарь, не компьютерщик и не программист. Я всего лишь среднестатис-тический пользователь, кото-рый...
Ля рош позе скидки
12 актуальных предложений март 2020 Сэкономьте 10% с промокодом при покупке более 3000 рублей Приобретите в интернет-магазине La Roche Posay...
Adblock detector