Rulment magnetic: tipuri, cum funcționează și aplicații cheie

Când puterea este pierdută la un rulment magnetic activ, rotorul cade pe lagărele auxiliare (de atingere). Aceștia sunt rulmenți cu elemente de rulare cu un joc mic în raport cu golul magnetic al rulmentului. Sunt proiectate pentru a susține în siguranță rotorul la viteză maximă și pentru a-i permite să se rotească fără contact cu polii electromagneților. Evenimentul de cădere este controlat și mașina se oprește pe rulmenții de touchdown. Fiecare sistem AMB trebuie să includă rulmenți de touchdown și fiecare instalație ar trebui să includă o sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS) pentru a furniza energie pentru o secvență de rulare controlată ordonat, mai degrabă decât o cădere imediată, ceea ce reduce la minimum uzura rulmenților de touchdown.

În general, nu. Rulmenții magnetici au o capacitate de încărcare mai mică pe unitatea de diametru al rulmentului decât rulmenții cu elemente de rulare sau cu peliculă fluidă. Un rulment cu element de rulare cu alezaj de 100 mm poate suporta o sarcină statică de câteva sute de kN; un rulment magnetic cu diametru exterior similar suportă poate 10–30 kN, în funcție de proiectarea electromagnetului și de disiparea de putere permisă. Acesta este motivul pentru care rulmenții magnetici sunt rar utilizați în aplicații care necesită sarcini radiale mari la viteze moderate - avantajul lor este viteza mare, precizia, sensibilitatea la contaminare sau funcționarea fără întreținere, nu capacitatea de încărcare brută. Rotoarele pentru sistemele de rulmenți magnetici trebuie proiectate ținând cont de această limitare a sarcinii încă de la început.

Componentele statorului și rotorului lagărelor magnetice — laminatele, bobinele și carcasele — nu sunt piese de uzură și nu au o durată de viață definită la oboseală în funcționare normală, deoarece nu există niciun contact între ele. Componentele limită de uzură sunt rulmenții de contact, care sunt înlocuiți conform unui program preventiv, de obicei la fiecare 3-5 ani sau după un număr specificat de evenimente de cădere a rotorului. Elementele electronice (amplificatoare de putere, plăci de control) au o durată de viață estimată de 10-15 ani, cu reparații la nivel de componente sau înlocuire a plăcii, după cum este necesar. Rapoartele de teren de la instalațiile de conducte și de compresoare de proces indică faptul că mașinile pentru rulmenți magnetici au funcționat de peste 20 de ani cu hardware-ul original al rulmenților în funcțiune, cu doar întreținerea rulmenților de contact și a electronicii.

Da, sistemele de rulmenți magnetici pot fi și sunt utilizate în zonele periculoase clasificate ATEX/IECEx. Electromagneții și senzorii din interiorul carcasei rulmentului sunt în contact cu gazul de proces, iar aceste componente pot fi proiectate și evaluate pentru utilizare în medii cu gaze inflamabile. Dulapul de control și amplificatoarele de putere sunt amplasate de obicei în afara zonei periculoase într-o cameră sigură, conectate la rulment prin cabluri ecranate. Această separare a electronicii active de zona periculoasă este o practică standard în instalațiile de comprimare a gazelor naturale. Utilizatorii trebuie să verifice dacă configurația specifică a produsului are evaluarea adecvată a zonei periculoase pentru zona și grupul lor de gaze.

Ambele folosesc forțe magnetice controlate pentru a levita un obiect fără contact, dar aplicațiile și scalele sunt diferite. Sistemele de transport Maglev levitează și propulsează un întreg vehicul de tren de-a lungul unei căi de ghidare, necesitând o infrastructură electromagnetică liniară la scară largă. Rulmenții magnetici susțin arbori rotativi în mașini - compresoare, turbine, fusuri, volante - și sunt o componentă a unei mașini mai mari, mai degrabă decât un sistem de transport în sine. Fizica de bază și principiile de control sunt strâns legate; de fapt, cercetarea activă a rulmenților magnetici a contribuit direct la metodele de control utilizate în sistemele comerciale moderne de șine maglev, cum ar fi linia Shanghai Transrapid și SCMaglev japonez. La nivel funcțional, un rulment magnetic este în esență un sistem maglev aplicat pe o axă de rotație din carcasa unei mașini.

Modernizarea este posibilă din punct de vedere tehnic, dar necesită lucrări de inginerie semnificative. Rotorul trebuie modificat sau înlocuit pentru a adăuga suporturi de aterizare a rulmentului cu material și geometrie adecvate, iar carcasa lagărului trebuie reproiectată pentru a găzdui statoarele electromagneților, senzorii și rulmenții auxiliari. Dinamica rotorului se va schimba odată cu noile caracteristici de rigiditate și amortizare a rulmentului, astfel încât este necesară o analiză completă a dinamicii rotorului și o reevaluare a vitezelor critice. În unele cazuri, designul existent al rotorului este compatibil cu adaptarea lagărelor magnetice; în altele, este nevoie de un nou rotor. Mai multe companii – inclusiv Waukesha Bearings și SKF Magnetic Mechatronics – au realizat proiecte de modernizare a compresoarelor centrifugale, iar studiile de caz publicate sunt disponibile din cadrul procedurilor Turbomachinery and Pump Symposia (Texas A&M University).

Temperatura afectează mai multe componente ale unui sistem de rulmenți magnetici în moduri diferite. Densitatea de flux remanent a magneților permanenți scade odată cu creșterea temperaturii - aceasta este o constrângere de proiectare principală pentru rulmenții hibrizi care folosesc magneți permanenți din pământuri rare, care pot pierde capacitatea de forță semnificativă la temperaturi peste 150°C. Izolația înfășurării din bobinele electromagneților stabilește o limită superioară de temperatură pentru statorul rulmentului; Clasa de temperatură înaltă H sau izolația clasa N extinde aceasta până la 180°C sau, respectiv, 200°C. Materialul de laminare feromagnetică își pierde permeabilitatea pe măsură ce se apropie de temperatura lui Curie (aproximativ 770°C pentru fier), reducând forța portantă la temperaturi foarte ridicate. La nivelul scăzut, operarea criogenică la temperaturi de azot lichid sau heliu lichid este fezabilă - turbo-expansoarele din instalațiile de separare a aerului și instalațiile de GNL funcționează cu rulmenți magnetici la temperaturi ale gazului de proces criogenic.

După volumul de bază instalat, sectorul de comprimare a petrolului și gazelor naturale / gazelor naturale este cel mai mare utilizator industrial de rulmenți magnetici activi în turbomașini mari. Echipamentul de vid pentru fabricarea semiconductoarelor este cel mai mare utilizator după numărul de unități. Clădirile HVAC este un segment în creștere determinat de adoptarea răcitorilor de lichid cu rulmenți magnetici de către mărcile importante. Dispozitivele medicale - în special dispozitivele de asistență cardiacă implantabile - reprezintă o piață mică, dar de mare valoare, în care tehnologia a devenit standardul clinic de îngrijire pentru suportul avansat al insuficienței cardiace. Stocarea energiei prin volante este un segment emergent cu instalații în creștere în reglementarea frecvenței rețelei.