Az aktív mágneses csapágyak kritikus előnyökkel járnak a nagysebességű gépek tervezésében

Az aktív mágneses csapágyak (AMB-k) egyedülálló előnyökkel járnak a hagyományos görgős vagy folyadékfilm-csapágyakkal szemben, amikor nagy sebességű forgó gépeket terveznek, mint például turbinák, kompresszorok, Organic Rankine Cycle rendszerek és lendkerék energiatároló rendszerek. A hagyományos csapágyaktól eltérően az AMB-k mágneses mezőben függesztik fel a célrotort. Az eredmény egy érintés nélküli rotortartó rendszer, amely rendkívül kis súrlódással és érintés nélküli kopással rendelkezik.

Ebben a cikkben egyszerűsített magyarázatot adunk az aktív mágneses csapágyak működéséről, és megvitatjuk az AMB-k megvalósításának előnyeit és kihívásait.

Hogyan működnek az AMB-k

A mágneses csapágyak olyan eszközök, amelyek a tárgyak lebegésére szolgálnak mágneses erők segítségével. Egyes mágneses csapágyak teljes érintés nélküli támaszt nyújtanak egy tárgyhoz, míg mások csak egy részleges támaszt nyújtanak a hagyományosabb mechanikus csapágyakkal együtt.

Míg a mágneses csapágyak széles választékát fejlesztették ki, az iparágban eddig csak egy típust fogadtak el széles körben - az aktív mágneses csapágyakat. Az AMB-k ugyanis nagyobb sűrűségű erőket tudnak kifejteni a megtámasztott tárgyak felületén, mint bármely más típusú mágneses csapágyak. Szélesebb körű környezetben is működhetnek, tulajdonságaik pedig a szoftveres paraméterek révén erősen konfigurálhatóvá tehetők. A digitális jelfeldolgozók (DSP) folyamatos drámai fejlesztései gyorsabb teljesítményt, fontos perifériás szolgáltatások integrálását és költségcsökkentést tesznek lehetővé, ami tovább növeli azok kereskedelmi vonzerejét.

Az AMB-k alapvető működési elve nagyon egyszerű. A vasfém tárgyról ismert, hogy vonzza az állandó mágnes vagy az elektromágnes (a vasmag köré tekercselt elektromos tekercs). Például az 1. ábra egy vas objektumot mutat, amely vonzódni fog a mellette elhelyezett elektromágneshez, ha ez utóbbi áramot kap. Ne feledje, hogy az elektromágnes és a vas tárgy közötti erő mindig vonzó - nem lehet visszataszító.

kritikus
Kép jóváírása: Calnetix

Az elektromágnes által az objektumra kifejtett húzóerő két paramétertől függ: az elektromágnes áramától, valamint a tárgy és az elektromágnes közötti távolságtól. A stabil lebegés elérése érdekében az AMB-k érintés nélküli helyzetérzékelőkkel figyelik a tengely helyzetét, és visszajuttatják ezeket az információkat egy vezérlő rendszerbe. A mágneses csapágyszabályozó (MBC) ezen visszacsatolással állítja be a szükséges áramot a mágneses működtetőhöz a rotor megfelelő helyzetének fenntartása érdekében.

A 2. ábra egy teljes radiális csapágy egyszerű ábrázolását mutatja, amely felhasználható egy forgó gép tengelyének megtámasztására. Két vezérlőtengely van (X & Y), mindegyik tengelyen egy pár elektromágnes húzza a rotort ellentétes irányba. Valamennyi ipari AMB torzító fluxust alkalmaz az aktuátor erőáram-viszonyának linearizálására. Az előfeszítést a 2. ábra szerinti csapágy generálja úgy, hogy egyenletes előfeszítő áramot vezet át az összes tekercsen. Az MBC egy vezérlőárammal egészíti ki a nettó áramot az előfeszítési szinttől felfelé vagy lefelé, ha szükséges a kívánt helyzet fenntartásához.

Kép jóváírása: Calnetix

Az AMB-k előnyei

Az AMB rendszerben nincs fizikai érintkezés a forgó és álló alkatrészek között, így a súrlódás és a kopás minimálisra csökken. Mivel nincs szükség kenésre, az AMB rendszerek gyakorlatilag karbantartástól mentesek, csökkentve a kezdeti tőkebefektetést, valamint az üzemeltetési és karbantartási költségeket. Alacsony teljesítményveszteségük lehetővé teszi, hogy a gépek nagyobb sebességet, nagyobb hatékonyságot és hosszabb gépi élettartamot érjenek el, mint a hagyományos csapágyak. Az AMB-k zord környezeti körülmények között is alkalmazhatók, beleértve a rendkívül alacsony hőmérsékletet, a gravitációt és a korrozív környezetet.

A grafikus felhasználói felületet (GUI) általában kereskedelmi AMB-kkel szállítják, hogy hozzáférést biztosítsanak a vezérlő firmware-be beépített számos funkcióhoz, például a kalibráláshoz, az állapotfigyeléshez, az adatnaplózáshoz és a hibaelhárításhoz. A dinamikus tulajdonságok, például a merevség és a csillapítás, könnyen mérhetők és könnyen megváltoztathatók a GUI és az AMB firmware közötti interakció révén. Ezzel szemben a hagyományos csapágyak dinamikus tulajdonságainak megváltoztatása általában teljes átalakítást, újragyártást, újratesztelést és újratelepítést igényel.

Ezenkívül az AMB-k nagy statikus merevsége pontosabb vezérlést biztosít a névleges tengely középpontja felett terhelés alatt, és az AMB-k lehetővé teszik a szinkron erőelutasító sémákat (szinkron törlés), amelyek gyakorlatilag kiküszöbölik a rotor kiegyensúlyozatlansági erőinek átadását a külső szerkezetre.

Kihívások és megoldások

Van néhány belső veszteség az AMB-k között. Az AMB által a rotorra gyakorolt ​​sugárirányú mágneses erő gyengül, ha a rotor kellően nagy sebességgel forog. Ennek oka, hogy a jellemzően vezetőképes puha-mágneses anyagból készült rotor indukált örvényáramokat produkál, amikor a radiális erő kiváltásához szükséges nem egyenletes mágneses mezőben forog.

A forgórész örvényáramának és ennek következtében a sugárirányú erő csökkenésének csökkentése érdekében a rotor egy része általában elektromosan szigetelt acéllemezekből készül. A vékonyabb laminálások csökkentik az örvényáramot, és így kisebb az erőveszteség egy adott forgási sebességnél. A sugárerő elvesztése attól a mágneses mező frekvenciájától is függ, amelyet egy rotor lát forgás közben, vagy egy adott centrifugálási sebességnél a tér eloszlásának térbeli frekvenciájától a rotor körül. Például egy olyan mágneses téreloszlású mágneses csapágynak, amelynek négy ciklikus változása van a rotor körül (2. ábra), kisebb lesz a terhelhetősége egy adott sebességnél, mint egy hasonló mágneses csapágynál, amelynek csak egy ciklikus változása van.

Ezen veszteségek optimális megoldása az, ha olyan homopoláris technológiát alkalmazunk, amelyben a mezőeloszlásnak csak egy ciklikus változása van a rotor körül, és csak akkor, ha a rotort sugárterhelésnek vetik alá, ellentétben a heteropoláris kialakítással, amelyben a rotor körüli mágneses téreloszlás legalább négy ciklikus változások. Homopoláris működtető egységet mutat a 3. ábra. Az előfeszítő fluxust ebben a működtetőben tengelyirányban polarizált állandó mágnesek generálják az elektromágnes kerületén. A torzító fluxus egy holt (szilárd, kontrollálatlan) póluson keresztül áramlik a tengelybe, és laminált úton vezet vissza az elektromágnesbe. Ebben a homopoláris topológiában a torzító fluxus névlegesen egyenletesen oszlik el a rotor körül.

Kép jóváírása: Calnetix

A homopoláris mágneses csapágy technológia csökkent örvényáram-veszteségeinek további előnye, hogy lényegesen alacsonyabb hőtermelés fordul elő forgó rotorban. Valójában a homopoláris mágneses csapágyakban szinte semmiféle hő nem keletkezik a rotorban radiális terhelés hiányában, mivel a mágneses mező szinte egyenletesen oszlik el a rotor körül, így nem keletkezik jelentős örvényáram. Ezzel szemben a heteropoláris mágneses csapágyak sugárterhelés hiányában is hőt termelnek a forgó rotorban. Alacsony hőtermelés a homopoláris állandó mágneses előfeszített mágneses csapágyak álló és forgó részeiben egyaránt nagyon energiatakarékosak és jól alkalmazhatók olyan alkalmazásokban, ahol a hőelszívó mechanizmusok korlátozottak, például vákuumban.

Az AMB rendszer másik kritikus eleme a helyzetérzékelők, amelyek pontos információkat szolgáltatnak a mágneses csapágyszabályozónak a rotor helyzetéről, amelyet nem befolyásolnak olyan külső tényezők, mint a sebesség, hőmérséklet, por, munkaközegek, valamint a külső mágneses és elektromos mezők. Míg a hagyományos mágneses reluktancia érzékelők nagyon jól működhetnek a radiális elmozdulások mérésében, az axiális elmozdulások mérése gyakran sokkal nagyobb kihívást jelent. A kihívás leküzdésére ajánlott megoldás az állandó fluxusú élérzékelő alkalmazása. Ez egyértelmű teljesítményelőnyöket nyújt, beleértve a külső mágneses mezőkkel és a radiális elmozdulásokkal szembeni immunitást, a jobb hőmérsékleti stabilitást, a tágabb mérési tartományt, az áteresztő rotor szerelvényt és a magas nyers erősítést 100 V/in nagyságrendben.

Rendszerintegráció

Az AMB-k nem kapható termékek. A mágneses csapágyakon futó teljes gép tervezéséhez erősen ajánlott együttműködni az AMB beszállítójával, aki rendelkezik a házon belüli multidiszciplináris szakértelemmel. Ez biztosítja a gép optimális teljesítményét integrált rendszerként, és teljes mértékben megvalósítja az aktív mágneses csapágyrendszer potenciálját.

Az aktív mágneses csapágyak túlélik az amerikai haditengerészet súlyos és rázkódási tesztjeit

Az amerikai haditengerészet nemrégiben sikeresen befejezte az új generációs nagy hatékonyságú szuper kapacitású (HESC) hűtőrendszer végső gyártási prototípusának ütés- és rezgéstesztjét. A Calnetix Technologies volt a felelős a nagy sebességű állandó mágneses motorért, a mágneses csapágyakért, a mágneses csapágy vezérlésért és a kétlépcsős, változó fordulatszámú kompresszorok hűtőrendszerének középpontjában álló tartalék csapágyrendszerekért. A HESC VSD-t a Calnetix és a Fairlead Integrated Power and Controls közösen fejlesztette ki, a Calnetix biztosította a változtatható sebességű teljesítménymodult és a vezérlőket.

A sikeres ütés- és rezgéstesztekkel a HESC hűtőberendezés/VSD most a gyártási szakaszba lép, és az első fedélzeti telepítést a USS John P. Murtha-n (LPD-26) hajtják végre. Más hajógyártások a következő évtizedben is folytatják a gyártást.

A MIL-S-901D A fokozatú, nagy súlyú ütésvizsgálathoz a HESC hűtőt egy úszó emelvényre szerelték, és a víz alatt 24 méteres távolságban egy nagy robbanásveszélyes töltésből álló négy ütésnek vetették alá, egy robbantással 40 láb távolságra. az úszó emelvény eleje, a másik három pedig 30, 25 és 20 láb távolságra van a peron oldalától. A hűtő három robbantás alatt és egy robbantás készenléti üzemmódjában működött. A kompresszor tartalék csapágyrendszere elnyelte a sokkhatásokat; a mágneses csapágyak helyreállították a lebegést a terveknek megfelelően; és a motor minden probléma nélkül teljesített. A MIL-STD-167-1A rezgésvizsgálathoz a hűtőt egy rázó platformra szerelték, és változó frekvenciákon és amplitúdókon hajtották három tengelyen működés közben.

A HESC hűtőberendezések várhatóan csökkentik a hajó beszerzési és életciklus költségeit azáltal, hogy legalább 50 százalékkal növelik a hűtőkapacitást, több mint 50 százalékkal javítják a megbízhatóságot, és több mint 25 százalékkal csökkentik a hűtő üzemanyag-fogyasztását, mindeközben teljesítik a környezeti célokat, vagyis a hűtőközeg szivárgása 90 százalékkal és a veszélyes olajos hulladék megszüntetése.

Larry Hawkins, a Calnetix Technologies mágneses csapágyainak technológiai igazgatója és Alekszej Filatov, a Calnetix Technologies vezető kutatómérnöke