stringtranslate.com

Магнитный подшипник

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 .

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

Внешние ссылки