Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с магнитных подшипников )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Магнитный подшипник

Магнитный подшипник представляет собой тип подшипника , который поддерживает нагрузку , используя магнитную левитацию . Магнитные подшипники поддерживают движущиеся части без физического контакта. Например, они способны левитировать вращающийся вал и допускать относительное движение с очень низким трением и без механического износа. Магнитные подшипники поддерживают самые высокие скорости любого типа подшипников и не имеют максимальной относительной скорости.

Активные подшипники имеют несколько преимуществ: они не подвержены износу, имеют низкое трение и часто могут автоматически компенсировать неровности в распределении массы, позволяя роторам вращаться вокруг своего центра масс с очень низкой вибрацией.

В пассивных магнитных подшипниках используются постоянные магниты, поэтому для них не требуется входная мощность, но их сложно спроектировать из-за ограничений, описанных теоремой Ирншоу . Методы использования диамагнитных материалов относительно не разработаны и сильно зависят от характеристик материала. В результате, большинство магнитных подшипников являются активными магнитными подшипниками, в которых используются электромагниты, требующие непрерывной подачи энергии, и активная система управления для поддержания устойчивости нагрузки. В комбинированной конструкции постоянные магниты часто используются для выдерживания статической нагрузки, а активный магнитный подшипник используется, когда левитируемый объект отклоняется от своего оптимального положения. Магнитные подшипники обычно требуют резервного подшипника на случай отказа системы питания или управления.

Магнитные подшипники используются в нескольких промышленных приложениях, таких как производство электроэнергии , переработка нефти, обработка станков и обращение с природным газом. Они также используются в Циппе центрифугу , [1] для обогащения урана и турбомолекулярных насосов , где масляной смазкой подшипники были бы источником загрязнения.

Дизайн [ править ]

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 будет генерироваться ток , который противодействует изменению магнитного поля (известный как закон Ленца ). Это генерирует ток, который приводит к возникновению магнитного поля, ориентированного противоположно полю от магнита . Таким образом, электропроводящий материал действует как магнитное зеркало . [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8][9] [10] [11]

Аппаратное обеспечение состоит из блока 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 осуществляется контроллером, который компенсирует ток смещения равными и противоположными возмущениями тока, когда ротор отклоняется от своего центрального положения.

Датчики зазора обычно индуктивные по своей природе и работают в дифференциальном режиме. Усилители мощности в современном коммерческом применении представляют собой твердотельные устройства, которые работают в конфигурации с широтно-импульсной модуляцией . Контроллер обычно представляет собой микропроцессор или цифровой сигнальный процессор .

Магнитные подшипники обычно имеют два типа нестабильности. Привлекательные 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 работоспособности подвески при наличии движущей силы.

История [ править ]

В таблице ниже перечислены несколько ранних патентов на активные магнитные подшипники. Можно найти более ранние патенты на магнитные подвески, но они здесь исключены, потому что они состоят из сборок постоянных магнитов с проблемной стабильностью согласно теореме Ирншоу .

Ранние патенты США на активные магнитные подшипники
Изобретатель (и)ГодНомер патентаЗаголовок
Балки, Холмс1941 г.2,256,937Подвеска вращающихся тел
Балки1954 г.2 691 306Вращающиеся тела с магнитной опорой
Балки1962 г.3 041 482Аппарат для вращения свободно подвешенных тел
Балки1965 г.3 196 694Магнитная подвеска
Волк19673 316 032Многофазный трансформатор с магнитной подвеской
Лайман1971 г.3,565,495Устройство магнитной подвески
Habermann19733,731,984Блок магнитного подшипника для поддержки вертикального вала, адаптированного для вращения с высокой скоростью
Хаберманн, Лойен, Жоли, Обер1974 г.3 787 100Устройства, включая вращающиеся элементы, поддерживаемые магнитными подшипниками
Хаберманн, Брюне1977 г.4 012 083Магнитные подшипники
Хаберманн, Брюне, Леклер1978 г.4 114 960Детектор радиального смещения для магнитных подшипников
Микс, Кроуфорд Р.1992 г.5,111,102Магнитная несущая конструкция

Джесси Бимс из Университета Вирджинии подал одни из самых первых патентов на активные магнитные подшипники [12] [13] во время Второй мировой войны. Патенты касались ультрацентрифуг, предназначенных для обогащения изотопов элементами, необходимыми для Манхэттенского проекта . Однако магнитные подшипники не стали зрелыми до достижений в области твердотельной электроники и современных компьютерных технологий управления с работами Хабермана [14] и Швейцера. [15] В 1987 году Эстель Крут усовершенствовала технологию активных магнитных подшипников, [16]но эти конструкции не были изготовлены из-за высокой стоимости производства, в котором использовалась лазерная система наведения. Исследование Эстель Крут было предметом трех австралийских патентов [3] и финансировалось 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 для этап прототипа.

Касарда [17] подробно рассматривает историю активных магнитных подшипников. Она отмечает, что первое коммерческое применение активных магнитных подшипников было в турбомашиностроении . Активный магнитный подшипник позволил ликвидации нефтяных резервуаров компрессоров для NOVA газа ООО передач (NGTL) газопроводов в провинции Альберта, Канада. Это снизило пожарную опасность, что позволило существенно снизить расходы на страхование. Успех этих установок на магнитных подшипниках привел к тому, что NGTL стала пионером в исследованиях и разработках цифровой системы управления магнитными подшипниками в качестве замены аналоговых систем управления, поставляемых американской компанией Magnetic Bearings Inc. В 1992 году исследовательская группа NGTL по магнитным подшипникам сформировала компанию. Revolve Technologies Inc.[4] для коммерциализации технологии цифровых магнитных подшипников. Позднее компания была куплена шведской SKF . Французская компания S2M , основанная в 1976 году, первой начала коммерческое использование активных магнитных подшипников. Обширные исследования магнитных подшипников продолжаются в Университете Вирджинии в рамках Программы промышленных исследований вращающихся машин и средств управления [5] .

В течение десятилетия, начиная с 1996 года, голландская нефтегазовая компания NAM установила двадцать газовых компрессоров, каждый из которых приводится в действие электродвигателем с регулируемой частотой вращения мощностью 23 мегаватта. Каждый блок был полностью оборудован активными магнитными подшипниками как на двигателе, так и на компрессоре. Эти компрессоры используются на газовом месторождении Гронинген для извлечения оставшегося газа из этого большого газового месторождения и для увеличения производительности месторождения. Конструкция мотор-компрессора была выполнена компанией Siemens, а активные магнитные подшипники были поставлены компанией Waukesha Bearings (принадлежит Dover Corporation).). (Первоначально эти подшипники были разработаны Glacier, позже эта компания была передана Federal Mogul и теперь является частью Waukesha Bearings.) За счет использования активных магнитных подшипников и прямого привода между двигателем и компрессором (без коробки передач между ними) и Благодаря применению сухих газовых уплотнений была получена полностью сухая-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 высоким КПД, особенно при частичной нагрузке. Как это было сделано на месторождении Гронинген, вся установка может быть дополнительно размещена на открытом воздухе без необходимости строительства большого компрессорного здания.

Микс [18] был пионером в конструкции гибридных магнитных подшипников (патент США 5,111,102), в которых постоянные магниты создают поле смещения, а катушки активного управления используются для обеспечения стабильности и динамического управления. Эти конструкции, использующие постоянные магниты для полей смещения, меньше по размеру и имеют меньший вес, чем чисто электромагнитные подшипники. Электронная система управления также меньше по размеру и требует меньше электроэнергии, поскольку поле смещения создается постоянными магнитами.

По мере развития необходимых компонентов научный интерес к этой области также увеличивался, достигнув своего пика на первом Международном симпозиуме по магнитным подшипникам, состоявшемся в 1988 году в Цюрихе с основанием Международного общества магнитных подшипников профессором Швейцером ( ETHZ ), проф. Аллер (Университет Вирджинии) и профессор Окада (Университет Ибараки). С тех пор симпозиум превратился в серию конференций, проводимых раз в два года, с постоянным порталом по технологии магнитных подшипников [6]где доступны все материалы симпозиума. Веб-портал поддерживается международным исследовательским и промышленным сообществом. В 2012 году в зал славы попали проф. Йоджи Окада, проф. Герхард Швейцер и Майкл Сван из Waukesha Magnetic Bearings [7] .

Приложения [ править ]

Преимущества магнитных подшипников включают очень низкое и предсказуемое трение, а также способность 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 электроэнергии в ватт-часах для измерения потребления электроэнергии в доме. Они также используются в приложениях для хранения или транспортировки энергии и для поддержки оборудования в вакууме, например, в системах хранения энергии с маховиком . [19] 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 обеспечить низкий уровень шума и плавность 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 чиллеров, у которых вал из магнитного материала расположен между магнитными подшипниками. Небольшой ток создает магнитную левитацию на валу, который остается свободно подвешенным в воздухе, обеспечивая нулевое трение между подшипником и валом.

Новое применение магнитных подшипников - искусственные сердца. Использование магнитной суспензии в желудочковой оказания помощи устройства был впервые проф Paul Allaire и проф Хьюстон Вуд из Университета Вирджинии, что привело к первым магнитным приостановлено желудочка помогают центробежный насос ( VAD ) в 1999 году [ править ]

Некоторые вспомогательные устройства для желудочков используют магнитные подшипники, в том числе сердечный насос LifeFlow [20], вспомогательную систему левого желудочка DuraHeart [21], Levitronix CentriMag [22] и Berlin Heart . В этих устройствах единственная движущаяся часть подвешивается за счет комбинации гидродинамической силы и магнитной силы. Исключая физические контактные поверхности, магнитные подшипники облегчают уменьшение областей высокого напряжения сдвига (что приводит к повреждению эритроцитов) и застоя потока (что приводит к свертыванию) в этих насосах для крови. [23]

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

Будущие достижения [ править ]

Осевой униполярный электродинамический подшипник

При использовании системы левитации на основе индукции, присутствующей в технологиях маглев, таких как система Inductrack , магнитные подшипники могут заменить сложные системы управления за счет использования массивов Хальбаха и простых катушек с замкнутым контуром. Эти системы более просты, но менее выгодны в отношении потерь на вихревые токи . Для вращающихся систем можно использовать конструкции униполярных магнитов вместо многополюсных структур Хальбаха, что значительно снижает потери.

Примером, который обошел проблемы теоремы Ирншоу, является униполярный электродинамический подшипник, изобретенный доктором Торбьорном Лембке. [24] [25] [26] 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 возвращающую силу. [27] [28] [29]

Принцип работы основан на индукции вихревых токов во вращающемся проводнике . Когда электропроводящий материал движется в магнитном поле , в материале будет генерироваться ток , который противодействует изменению магнитного поля (известный как закон Ленца ). Это генерирует ток, который приводит к возникновению магнитного поля, ориентированного противоположно полю от магнита . Таким образом, электропроводящий материал действует как магнитное зеркало . [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

См. Также [ править ]

  • Маховик
  • Левитрон
  • Спин-стабилизированная магнитная левитация
  • Электродинамическое колесо

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чарльз, Д., Вращение ядерного возвращения , Наука, Vol. 315, (30 марта 2007 г.)
  2. ^ Basore PA, "Пассивное Стабилизация Маховик Magnetic Bearings" магистерской диссертации, Массачусетский технологический институт (США), 1980.
  3. ↑ Мураками С. и Сато И., «Эксперименты с очень простым радиально-пассивным магнитным подшипником на основе вихревых токов», в материалах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  4. ^ Бендер Д. и Пост РФ, «Пассивные магнитные подшипники для температуры окружающей среды для систем накопления энергии маховика», в материалах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  5. ^ Мозер Р., Регейми Ю. Дж., Сандтнер Дж. И Блейлер Х., «Пассивная диамагнитная левитация для маховиков», В материалах 8-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2002.
  6. ^ Филатов А.В., МакМаллен П., Дэйви К. и Томпсон Р., «Система накопления энергии маховика с униполярным электродинамическим магнитным подшипником», В материалах 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2006.
  7. ^ Санднер Дж. И Блейлер Х., «Электродинамические пассивные магнитные подшипники с плоскими решетками Хальбаха», в материалах 9-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  8. ^ Санднер Дж. И Блейлер Х., «Пассивный электродинамический магнитный упорный подшипник, специально разработанный для приложений с постоянной скоростью», в материалах 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  9. ^ Амати Н., Де Лепин X. и Тоноли А., «Моделирование электродинамических подшипников», ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, 2008.
  10. ^ Kluyskens В., Dehez Б., «Динамическая электромеханическая модель для пассивных магнитных подшипников», IEEE Transactions на Magnetics, 43, стр 3287-3292, 2007.
  11. ^ Клюйскенс В., Дехез Б., «Параметризованная электромеханическая модель для магнитных подшипников с наведенными токами», Журнал системного проектирования и динамики - специальный выпуск одиннадцатого Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2009 г. [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ Beams, J., Производство и использование высокоцентробежных полей , Science, Vol. 120, (1954)
  13. ^ Балка, J., Магнитные подшипники , бумаги 810A, Automotive Engineering Conference, Детройт, штат Мичиган, США, SAE (январь 1964)
  14. ^ Хаберманн, Х. , Лиард, Г. Практические магнитные подшипники , IEEE Spectrum, Vol. 16, No. 9 (сентябрь 1979 г.)
  15. ^ Швейцер, Г., Характеристики магнитного подшипника ротора для активного контроля вибрации , Документ C239 / 76, Первая международная конференция по вибрациям во вращающемся оборудовании, (1976)
  16. ^ Эстель Крут, австралийский Изобретатели Weekly , NSW Ассоциация изобретателей, Vol. 3 (апрель 1987 г.)
  17. ^ Касарда, М. Обзор активных магнитных подшипников технологии и приложения , шок и вибрации Digest, Vol.32, № 2: Публикация Shock и информационного центра вибрации, научноисследовательской лаборатории военноморского, (март 2000 г.)
  18. ^ Микс, CR, «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.
  19. ^ Ли, Сяоцзюнь; Анвари, Бахар; Палаццоло, Алан; Ван, Чжиян; Тольят, Хамид (14.08.2018). «Система накопления энергии на маховике общего назначения с безвальным, бесшумным высокопрочным стальным ротором» . IEEE Transactions по промышленной электронике . 65 : 6667–6675. DOI : 10.1109 / TIE.2017.2772205 .
  20. ^ «Недавняя работа над сердечным насосом LifeFlow» . Линц Центр мехатроники GmbH.
  21. ^ Умный, Фрэнк. «Сердечный насос с магнитной левитацией, имплантированный первому пациенту в США» . «Кардиология сегодня». Октябрь 2008 г.
  22. ^ Хоши, H; Шинши, Т; Такатани, S (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 . 
  23. ^ «Биологические системы - сердечный насос». Архивировано 8 октября 2016 г. в Wayback Machine . Лаборатория аэрокосмических исследований. Университет Вирджинии.
  24. ^ "Дизайн и анализ нового униполярного электродинамического подшипника с низкими потерями". Лембке, Торбьёрн. Кандидатская диссертация. Стокгольм: Universitetsservice US AB, 2005. ISBN 91-7178-032-7 
  25. ^ "3D-FEM анализ униполярного индукционного подшипника с низкими потерями". Архивировано 08.06.2011 в Wayback Machine Lembke, Torbjörn. 9-й Международный симпозиум по магнитным подшипникам (ISMB9). Август 2004 г.
  26. ^ Семинар в KTH - Королевском технологическом институте Стокгольма. 24 февраля 2010 г.
  27. ^ Амати, Н., Тоноли, А., Zenerino Е., Detoni, JG, Impinna, Ф., "Методология проектирования электродинамических подшипников", XXXVIII Associazione Italiana за l'Analisi делле Solecitazioni, Convegno Nazionale, № 109, 2009 г.
  28. ^ Филатов, А.В., Маслен, Э.Х., и Гиллис, Г.Т., "Метод подвески вращающихся тел с помощью электромагнитных сил", Журнал прикладной физики, Vol. 91
  29. ^ Филатов, А.В., Маслен, Э.Х., и Гиллис, Г.Т., "Устойчивость электродинамической подвески", Журнал прикладной физики, Vol. 92 (2002), стр. 3345-3353.
  30. ^ Basore PA, "Пассивное Стабилизация Маховик Magnetic Bearings" магистерской диссертации, Массачусетский технологический институт (США), 1980.
  31. ↑ Мураками С. и Сато И., «Эксперименты с очень простым радиально-пассивным магнитным подшипником на основе вихревых токов», в материалах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  32. ^ Бендер Д. и Пост РФ, «Пассивные магнитные подшипники для температуры окружающей среды для систем накопления энергии маховика», в материалах 7-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, март 2000 г.
  33. ^ Мозер Р., Регейми Ю. Дж., Сандтнер Дж. И Блейлер Х., «Пассивная диамагнитная левитация для маховиков», В материалах 8-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2002.
  34. ^ Филатов А.В., МакМаллен П., Дэйви К. и Томпсон Р., «Система накопления энергии маховика с униполярным электродинамическим магнитным подшипником», В материалах 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2006.
  35. ^ Санднер Дж. И Блейлер Х., «Электродинамические пассивные магнитные подшипники с плоскими решетками Хальбаха», в материалах 9-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  36. ^ Санднер Дж. И Блейлер Х., «Пассивный электродинамический магнитный упорный подшипник, специально разработанный для приложений с постоянной скоростью», в материалах 10-го Международного симпозиума по магнитным подшипникам, август 2004 г.
  37. ^ Амати Н., Де Лепин X. и Тоноли А., «Моделирование электродинамических подшипников», ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, 2008.
  38. ^ Kluyskens В., Dehez Б., «Динамическая электромеханическая модель для пассивных магнитных подшипников», IEEE Transactions на Magnetics, 43, стр 3287-3292, 2007.
  39. ^ Клюйскенс В., Дехез Б., «Параметризованная электромеханическая модель для магнитных подшипников с наведенными токами», Журнал системного проектирования и динамики - специальный выпуск одиннадцатого Международного симпозиума по магнитным подшипникам, 2009 г. [2] [ постоянная мертвая ссылка ]

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Швейцер, G (2002). «Активные магнитные подшипники - возможности и ограничения» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 05 февраля 2009 года. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  • Чиба, А., Фукао, Т., Итикава, О., Осима, М., Такемото, М., Доррел, Д. (2005). Магнитные подшипники и безподшипниковые приводы . Newnes.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Швейцер, Г., Маслен, Х. (2009). Магнитные подшипники, теория, конструкция и применение во вращающихся машинах . Springer.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Джим Уилсон (сентябрь 1999 г.). «Победа над демоническим трением» . Популярная механика . Архивировано из оригинала на 2008-09-05.
  • Эстель Крут (1987–1995). Улучшенные магнитные подшипники . IPAustralia [Записи в базе данных Австралийского патентного ведомства].
  • Т. Лембке (2005). Кандидатская диссертация "Разработка и анализ нового униполярного электродинамического подшипника с низкими потерями" (PDF) . Стокгольм: Университетсервис США AB. ISBN 91-7178-032-7.
  • Фремери, Йохан К. (2000). «Подшипники с постоянными магнитами» .

Внешние ссылки [ править ]

  • Цифровая библиотека кинематических моделей для проектирования (KMODDL) - фильмы и фотографии сотен работающих моделей механических систем в Корнельском университете. Также включает в себя электронную библиотеку классических текстов по машиностроению и проектированию.
  • MADYN2000, программное обеспечение Rotordynamics поддерживает автоматизированное проектирование контроллеров магнитных подшипников и предоставляет множество аналитических отчетов о качестве конструкции.