Магнитный подшипник
Подшипник, удерживающий грузы с помощью магнитной левитации
Магнитный подшипник

Магнитный подшипник — это тип подшипника , который поддерживает нагрузку с помощью магнитной левитации . Магнитные подшипники поддерживают движущиеся части без физического контакта. Например, они способны левитировать вращающийся вал и обеспечивать относительное движение с очень низким трением и без механического износа . Магнитные подшипники поддерживают самые высокие скорости среди всех типов подшипников и не имеют максимальной относительной скорости.

Активные подшипники имеют ряд преимуществ: они не подвержены износу, имеют низкий коэффициент трения и зачастую могут автоматически компенсировать неравномерности распределения масс, позволяя роторам вращаться вокруг своего центра масс с очень низкой вибрацией.

Пассивные магнитные подшипники используют постоянные магниты и, следовательно, не требуют никакой входной мощности, но их сложно проектировать из-за ограничений, описанных теоремой Ирншоу . Методы с использованием диамагнитных материалов относительно неразвиты и сильно зависят от характеристик материала. В результате большинство магнитных подшипников являются активными магнитными подшипниками, использующими электромагниты , которым требуется непрерывная входная мощность и активная система управления для поддержания стабильной нагрузки. В комбинированной конструкции постоянные магниты часто используются для переноса статической нагрузки, а активный магнитный подшипник используется, когда левитирующий объект отклоняется от своего оптимального положения. Магнитные подшипники обычно требуют резервного подшипника в случае отказа питания или системы управления.

Магнитные подшипники используются в нескольких промышленных приложениях, таких как производство электроэнергии , переработка нефти, эксплуатация станков и обработка природного газа. Они также используются в центрифуге типа Zippe [ 1] для обогащения урана и в турбомолекулярных насосах , где подшипники с масляной смазкой могут стать источником загрязнения.

Дизайн

Базовая операция для одной оси

Активный магнитный подшипник работает по принципу электромагнитной подвески, основанной на индукции вихревых токов во вращающемся проводнике . Когда электропроводящий материал движется в магнитном поле , в материале генерируется ток , который противодействует изменению магнитного поля (известный как закон Ленца ). Это генерирует ток, который приведет к магнитному полю, ориентированному противоположно полю от магнита . Таким образом, электропроводящий материал действует как магнитное зеркало . [2] [3] [4] [5 ] [ 6] [7] [8] [9] [10] [11] [ чрезмерное цитирование ]

Аппаратное обеспечение состоит из сборки электромагнита , набора усилителей мощности, которые подают ток на электромагниты, контроллера и датчиков зазора с соответствующей электроникой для обеспечения обратной связи, необходимой для управления положением ротора в зазоре. Усилитель мощности подает равный ток смещения на две пары электромагнитов на противоположных сторонах ротора. Это постоянное перетягивание каната опосредуется контроллером, который компенсирует ток смещения равными и противоположными возмущениями тока, когда ротор отклоняется от своего центрального положения.

Датчики зазора обычно индуктивны по своей природе и работают в дифференциальном режиме. Усилители мощности в современном коммерческом применении представляют собой твердотельные устройства, работающие в конфигурации широтно-импульсной модуляции . Контроллером обычно является микропроцессор или цифровой сигнальный процессор .

В магнитных подшипниках обычно присутствуют два типа нестабильности. Притягивающие магниты создают нестабильную статическую силу, которая уменьшается с увеличением расстояния и увеличивается с уменьшением расстояния. Это может привести к разбалансировке подшипника. Во-вторых, поскольку магнетизм является консервативной силой , он обеспечивает небольшое демпфирование; колебания могут привести к потере успешной подвески, если присутствуют какие-либо движущие силы.

История

В таблице ниже перечислены несколько ранних патентов на активные магнитные подшипники. Более ранние патенты на магнитные подвески можно найти, но они здесь исключены, поскольку они состоят из сборок постоянных магнитов с проблематичной устойчивостью по теореме Эрншоу .

Ранние патенты США на активные магнитные подшипники
Изобретатель(и)ГодНомер патентаЗаголовок
Бимс, Холмс19412,256,937Подвеска вращающихся тел
Балки19542,691,306Вращающиеся тела с магнитной поддержкой
Гилберт19552,946,930Магнитная подвеска
Балки19623,041,482Аппарат для вращения свободно подвешенных тел
Балки19653,196,694Система магнитной подвески
Волк19673,316,032Многофазный магнитный подвесной трансформатор
Боден и др.1968DE1750602Magnetische Lagerung (патент Германии)
Лиман19713,565,495Аппарат магнитной подвески
Хаберманн19733,731,984Магнитный подшипниковый блок-устройство для поддержки вертикального вала, приспособленного для вращения на высокой скорости
Хаберманн, Лойен, Жоли, Обер19743,787,100Устройства, включающие вращающиеся элементы, поддерживаемые магнитными подшипниками
Хаберманн, Брюне19774,012,083Магнитные подшипники
Хаберманн, Брюне, Леклер19784,114,960Устройство обнаружения радиального смещения для магнитных подшипников
Круут, Эстель19901,988,024,350Дальнейшие усовершенствования магнитных подшипников
Микс, Кроуфорд Р.19925,111,102Конструкция магнитного подшипника
Круут, Эстель19941,991,075,982Нелинейный магнитный подшипник

Джесси Бимс из Университета Вирджинии подал несколько самых ранних патентов на активные магнитные подшипники [12] [13] во время Второй мировой войны. Патенты касались ультрацентрифуг, предназначенных для обогащения изотопов элементов, необходимых для Манхэттенского проекта . Однако магнитные подшипники не были разработаны до достижений в области твердотельной электроники и современных компьютерных технологий управления с работами Хабермана [14] и Швейцера. [15] В 1987 году Эстель Крут дополнительно усовершенствовала технологию активных магнитных подшипников, [16] но эти конструкции не были изготовлены из-за высоких затрат на производство, в котором использовалась система лазерного наведения. Исследования Эстель Крут были предметом трех австралийских патентов [4] и финансировались Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK и Hitachi, а ее расчеты использовались в других технологиях, в которых использовались редкоземельные магниты , но активные магнитные подшипники были разработаны только до стадии прототипа. Конструкция Крута [17] также включала усовершенствованную компьютеризированную систему управления, в то время как последняя конструкция представляла собой нелинейный магнитный подшипник.

Касарда [18] подробно рассматривает историю активных магнитных подшипников. Она отмечает, что первое коммерческое применение активных магнитных подшипников было в турбомашиностроении . Активный магнитный подшипник позволил устранить масляные резервуары на компрессорах для газопроводов NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) в Альберте, Канада. Это снизило опасность возгорания, что позволило существенно сократить расходы на страхование. Успех этих установок магнитных подшипников привел NGTL к пионеру исследований и разработок цифровой системы управления магнитными подшипниками в качестве замены аналоговым системам управления, поставляемым американской компанией Magnetic Bearings Inc. В 1992 году исследовательская группа NGTL по магнитным подшипникам основала компанию Revolve Technologies Inc. для коммерциализации технологии цифровых магнитных подшипников. Позднее компания была куплена шведской SKF . Французская компания S2M, основанная в 1976 году, была первой, кто начал коммерчески продавать активные магнитные подшипники. Обширные исследования магнитных подшипников продолжаются в Университете Вирджинии в рамках Программы промышленных исследований вращающихся машин и средств управления. [19]

В течение десятилетия, начавшегося в 1996 году, голландская нефтегазовая компания NAM установила двадцать газовых компрессоров, каждый из которых приводился в действие 23-мегаваттным электродвигателем с регулируемой скоростью. Каждый блок был полностью оснащен активными магнитными подшипниками как на двигателе, так и на компрессоре. Эти компрессоры используются на газовом месторождении Гронинген для извлечения остаточного газа из этого крупного газового месторождения и увеличения производительности месторождения. Проектирование мотор-компрессора было выполнено компанией Siemens, а активные магнитные подшипники были поставлены Waukesha Bearings (принадлежит Dover Corporation ). (Первоначально эти подшипники были разработаны Glacier, эта компания позже была приобретена Federal Mogul и теперь является частью Waukesha Bearings.) Благодаря использованию активных магнитных подшипников и прямого привода между двигателем и компрессором (без редуктора между ними) и применению сухих газовых уплотнений была достигнута полностью сухая (безмасляная) система. Применение активных магнитных подшипников как в приводе, так и в компрессоре (по сравнению с традиционной конфигурацией с использованием шестерен и шарикоподшипников) приводит к относительно простой системе с очень широким рабочим диапазоном и высокой эффективностью, особенно при частичной нагрузке. Как это было сделано на месторождении Гронинген, вся установка может быть дополнительно размещена на открытом воздухе без необходимости в большом здании компрессора.

Бесконтактные подшипники с постоянными магнитами с электродвижущей стабилизацией были запатентованы RG Gilbert в 1955 году (патент США 2,946,930) [20] и K. Boden, D. Scheffer в 1968 году (патент Германии 1750602). [21] Эти изобретения обеспечивают технологическую основу для ряда практических приложений, некоторые из которых достигли стадии промышленного серийного производства по лицензии Исследовательского центра Юлиха примерно с 1980 года. [22] [23]

Микс [24] был пионером в разработке гибридных магнитных подшипников (патент США 5,111,102), в которых постоянные магниты обеспечивают поле смещения, а активные катушки управления используются для обеспечения стабильности и динамического управления. Эти конструкции, использующие постоянные магниты для полей смещения, меньше и легче, чем чисто электромагнитные подшипники. Электронная система управления также меньше и требует меньше электроэнергии, поскольку поле смещения обеспечивается постоянными магнитами.

По мере развития необходимых компонентов научный интерес к этой области также рос, достигнув пика на первом Международном симпозиуме по магнитным подшипникам, состоявшемся в 1988 году в Цюрихе, когда профессор Швейцер ( ETHZ ), профессор Аллер (Университет Вирджинии) и профессор Окада (Университет Ибараки) основали Международное общество магнитных подшипников. С тех пор симпозиум превратился в двухгодичную серию конференций с постоянным порталом по технологии магнитных подшипников, где доступны все доклады симпозиума. Веб-портал поддерживается международным исследовательским и промышленным сообществом. В 2012 году в зал славы вошли и получили награды за достижения всей жизни профессор Йоджи Окада, профессор Герхард Швейцер и Майкл Суонн из Waukesha Magnetic Bearings.

Приложения

Преимущества магнитных подшипников включают очень низкое и предсказуемое трение, а также возможность работать без смазки и в вакууме. Магнитные подшипники все чаще используются в промышленных машинах, таких как компрессоры, турбины, насосы, двигатели и генераторы.

Магнитные подшипники обычно используются в счетчиках ватт-часов электростанциями для измерения потребления электроэнергии в домах. Они также используются в приложениях для хранения или транспортировки энергии и для поддержки оборудования в вакууме, например, в системах хранения энергии с маховиком . [25] [26] Маховик в вакууме имеет очень низкие потери на сопротивление ветру, но обычные подшипники обычно быстро выходят из строя в вакууме из-за плохой смазки. Магнитные подшипники также используются для поддержки поездов на магнитной подвеске , чтобы добиться низкого уровня шума и плавности хода за счет устранения физических контактных поверхностей. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, большой вес и относительно большой размер.

Магнитные подшипники также используются в некоторых центробежных компрессорах для охладителей с валом, изготовленным из магнитного материала, расположенного между магнитными подшипниками. Небольшое количество тока обеспечивает магнитную левитацию вала, который остается свободно подвешенным в воздухе, обеспечивая нулевое трение между подшипником и валом.

Среди наиболее значимых промышленных применений — турбомолекулярные насосы для создания вакуума на заводах по производству полупроводников. Первые коммерческие турбонасосы с магнитным подшипником без механической стабилизации были выпущены на рынок компанией Leybold AG в 1975 году (электромагнитные) и в 1989 году (на основе постоянного магнита).

В области вакуумной метрологии вращающийся роторный датчик (SRG) был представлен в качестве эталонного стандарта BIPM в Париже в 1979 году. Первая лабораторная установка этого датчика была создана Джесси Бимсом в 1946 году. Коммерческое серийное производство началось в 1980 году по лицензии Исследовательского центра Юлиха. SRG имеет важное значение для управления вакуумным процессом в оборудовании для производства полупроводников.

Новое применение магнитных подшипников — искусственные сердца. Использование магнитной подвески в желудочковых вспомогательных устройствах было впервые предложено профессором Полом Аллером и профессором Хьюстоном Вудом в Университете Вирджинии, что привело к созданию первого магнитно-подвешенного желудочкового вспомогательного центробежного насоса ( VAD ) в 1999 году. [ необходима цитата ]

Несколько желудочковых вспомогательных устройств используют магнитные подшипники, включая сердечный насос LifeFlow, [27] систему поддержки левого желудочка DuraHeart, [28] Levitronix CentriMag, [29] и Berlin Heart . [30] В этих устройствах единственная движущаяся часть подвешена за счет комбинации гидродинамической силы и магнитной силы. Устраняя физические контактные поверхности, магнитные подшипники облегчают уменьшение областей высокого напряжения сдвига (что приводит к повреждению эритроцитов) и застоя потока (что приводит к свертыванию крови) в этих насосах крови. [31] Berlin Heart INCOR был первым коммерческим желудочковым вспомогательным устройством без механической или жидкостной динамической стабилизации.

Calnetix Technologies, Synchrony Magnetic Bearings (дочерняя компания Johnson Controls International), Waukesha Magnetic Bearings и S2M (дочерняя компания SKF) входят в число крупнейших разработчиков и производителей магнитных подшипников во всем мире.

Будущие достижения

Осевой униполярный электродинамический подшипник

При использовании индукционной левитационной системы, присутствующей в технологиях магнитной подвески , таких как система Inductrack , магнитные подшипники могут заменить сложные системы управления, используя массивы Хальбаха и простые замкнутые катушки. Эти системы выигрывают в простоте, но менее выгодны в отношении потерь на вихревые токи . Для вращающихся систем можно использовать конструкции гомополярных магнитов вместо многополюсных структур Хальбаха, что значительно снижает потери.

Примером, который обошел проблемы теоремы Эрншоу, является униполярный электродинамический подшипник, изобретенный доктором Торбьёрном Лембке. [32] [33] [34] Это новый тип электромагнитного подшипника, основанный на пассивной магнитной технологии. Он не требует никакой управляющей электроники для работы и работает, потому что электрические токи, генерируемые движением, вызывают восстанавливающую силу. [35] [36] [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Чарльз, Д., Spinning a Nuclear Comeback , Science, т. 315, (30 марта 2007 г.)
  2. ^ Басоре П.А., «Пассивная стабилизация магнитных подшипников маховика», магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт (США), 1980.
  3. ^ Мураками К. и Сато И., «Эксперименты с очень простым радиально-пассивным магнитным подшипником на основе вихревых токов», в трудах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  4. ^ Бендер Д. и Пост Р.Ф., «Пассивные магнитные подшипники, работающие при температуре окружающей среды, для маховиковых систем хранения энергии», в трудах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  5. ^ Мозер Р., Регамей Ю.Дж., Сандтнер Й. и Блейлер Х., «Пассивная диамагнитная левитация для маховиков», в трудах 8-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2002.
  6. ^ Филатов А.В., МакМаллен П., Дэйви К. и Томпсон Р., «Маховиковая система хранения энергии с униполярным электродинамическим магнитным подшипником», Труды 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2006.
  7. ^ Сандтнер Й. и Блейлер Х., «Электродинамические пассивные магнитные подшипники с плоскими решетками Хальбаха», в трудах 9-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  8. ^ Сандтнер Й. и Блейлер Х., «Пассивный электродинамический магнитный упорный подшипник, специально разработанный для приложений с постоянной скоростью», в трудах 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  9. ^ Амати Н., Де Лепин X. и Тоноли А., «Моделирование электродинамических подшипников», Журнал ASME по вибрации и акустике, 130, 2008.
  10. ^ Клюйскенс В., Дехез Б., «Динамическая электромеханическая модель для пассивных магнитных подшипников», IEEE Transactions on Magnetics, 43, стр. 3287-3292, 2007.
  11. ^ Клюйскенс В., Дехез Б., «Параметризованная электромеханическая модель для магнитных подшипников с индуцированными токами», Журнал системного проектирования и динамики — Специальный выпуск, посвященный Одиннадцатому международному симпозиуму по магнитным подшипникам, 2009 г. [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ Бимс, Дж., Производство и использование сильных центробежных полей , Science, т. 120, (1954)
  13. ^ Бимс, Дж., Магнитные подшипники , статья 810A, Автомобильная инженерная конференция, Детройт, Мичиган, США, SAE (январь 1964 г.)
  14. ^ Хаберманн, Х., Лиард, Г. Практические магнитные подшипники , IEEE Spectrum, т. 16, № 9, (сентябрь 1979 г.)
  15. ^ Швейцер, Г., Характеристики магнитного роторного подшипника для активного контроля вибрации , Доклад C239/76, Первая международная конференция по вибрациям во вращающихся машинах, (1976)
  16. ↑ Эстель Крут, Australian Inventors Weekly , Ассоциация изобретателей Нового Южного Уэльса, том 3 (апрель 1987 г.)
  17. ^ Савсан Ахмед Эльхури Ахмед, Нуха Абдалла Мохаммед Бабкер и Мохамед Тоум Фадель, «Исследование классов магнетизма», IJISET — Международный журнал инновационной науки, техники и технологий, том 6, выпуск 4, 2348–7968, (2019).
  18. ^ Касарда, М. Обзор технологии активных магнитных подшипников и их применения , The Shock and Vibration Digest, том 32, № 2: публикация Информационного центра по ударам и вибрации, Военно-морская исследовательская лаборатория, (март 2000 г.)
  19. ^ "Rotating Machinery and Controls (ROMAC)". Университет Вирджинии . Архивировано из оригинала 5 февраля 2022 г.
  20. ^ RG Gilbert, «Магнитная подвеска» [2] 1955
  21. ↑ К. Боден, Д. Шеффер, «Магнитное лагерунг» [3] 1968 г.
  22. ^ Йохан К. Фремери, "Permanentmagnetische Lager", ноябрь 2000 г. (на немецком языке)
  23. ^ Йохан К. Фремерей, «Подшипники с постоянными магнитами», март 2019 г.
  24. ^ Микс, К. Р., «Магнитные подшипники — оптимальная конструкция и применение», доклад, представленный на Международном семинаре по редкоземельным кобальтовым постоянным магнитам, Дейтонский университет, Дейтон, Огайо, 14–17 октября 1974 г.
  25. ^ Йохан К. Фремерей и Майкл Колк (1999) «Мощный маховик мощностью 500 Вт·ч на подшипниках с постоянными магнитами»
  26. ^ Ли, Сяоцзюнь; Анвари, Бахар; Палаццоло, Алан; Ван, Чжиян; Толият, Хамид (14.08.2018). «Система хранения энергии на основе маховика коммунального масштаба с безвальным, безвтулочным, высокопрочным стальным ротором». Труды IEEE по промышленной электронике . 65 (8): 6667–6675. doi :10.1109/TIE.2017.2772205. S2CID  4557504.
  27. ^ "Недавние работы над сердечным насосом LifeFlow". Linz Center of Mechatronics GmbH.
  28. ^ Смарт, Фрэнк. «Насос для сердца с магнитной левитацией имплантирован первому пациенту в США». «Кардиология сегодня». Октябрь 2008 г.
  29. ^ Хоши, Х.; Шинши, Т.; Такатани, С. (2006). «Кровяные насосы третьего поколения с механическими бесконтактными магнитными подшипниками». Искусственные органы . 30 (5): 324–338. doi :10.1111/j.1525-1594.2006.00222.x. PMID  16683949.
  30. ↑ 10 марта 2004 г., «Юлихские магнитные подшипники в кардиохирургии»
  31. ^ "Биологические системы - Heart Assist Pump" Архивировано 2016-10-08 в Wayback Machine . Лаборатория аэрокосмических исследований. Университет Вирджинии.
  32. ^ "Проектирование и анализ нового униполярного электродинамического подшипника с низкими потерями". Лембке, Торбьёрн. Кандидатская диссертация. Стокгольм: Universitetsservice US AB, 2005. ISBN 91-7178-032-7 
  33. ^ "3D-FEM Analysis of a Low Loss Homopolar Induction Bearing" Архивировано 08.06.2011 в Wayback Machine Лембке, Торбьёрн. 9-й Международный симпозиум по магнитным подшипникам (ISMB9). Август 2004 г.
  34. ↑ Семинар в KTH – Королевском технологическом институте Стокгольма. 24 февраля 2010 г.
  35. ^ Амати, Н., Тоноли, А., Зенерино, Э., Детони, Дж. Г., Импинна, Ф., «Методология проектирования электродинамических подшипников», XXXVIII Associazione Italiana per l'Analisi delle Solecitazioni, Convegno Nazionale, № 109, 2009 год
  36. ^ Филатов, А.В., Маслен, Э.Х. и Джиллис, Г.Т., «Метод подвески вращающихся тел с использованием электромагнитных сил», Журнал прикладной физики, т. 91
  37. ^ Филатов, А. В., Маслен, Э. Х. и Джиллис, Г. Т., «Устойчивость электродинамического подвеса», Журнал прикладной физики, т. 92 (2002), стр. 3345-3353.

Дальнейшее чтение

  • Швейцер, Г. (2002). «Активные магнитные подшипники – возможности и ограничения» (PDF) . Труды 6-й Международной конференции IFToMM по динамике роторов . Архивировано из оригинала (PDF) 2009-02-05.
  • Чиба, А., Фукао, Т., Ичикава, О., Ошима, М., Такемото, М., Доррел, Д. (2005). Магнитные подшипники и приводы без подшипников . Новости.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Швейцер, Г., Маслен, Х. (2009). Магнитные подшипники, теория, конструкция и применение во вращающихся машинах . Springer.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Джим Уилсон (сентябрь 1999). "Beating Demon Friction". Popular Mechanics . Архивировано из оригинала 2008-09-05.
  • Эстель Крут (1987–1995). Улучшенные магнитные подшипники. IPAustralia [Записи в базе данных Австралийского патентного ведомства].
  • T. Lembke (2005). Кандидатская диссертация «Проектирование и анализ нового униполярного электродинамического подшипника с малыми потерями» (PDF) . Стокгольм: Universitetsservice US AB. ISBN 91-7178-032-7.
  • Фремерей, Йохан К. (2000). «Подшипники с постоянными магнитами».
  • Кинематические модели для проектирования Цифровая библиотека (KMODDL) - Видео и фотографии сотен рабочих моделей механических систем в Корнеллском университете. Также включает электронную библиотеку классических текстов по механическому проектированию и инжинирингу.
  • Программное обеспечение MADYN2000 Rotordynamics поддерживает автоматизированное проектирование контроллеров магнитных подшипников и предоставляет множество аналитических отчетов о качестве проектирования.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Магнитный_подшипник&oldid=1255020525"