Łożysko magnetyczne: rodzaje, jak to działa i kluczowe zastosowania

W przypadku utraty mocy na aktywnym łożysku magnetycznym wirnik opada na łożyska pomocnicze (przyziemienia). Są to łożyska toczne z niewielkim luzem względem szczeliny łożyska magnetycznego. Ich zadaniem jest bezpieczne podparcie wirnika przy pełnej prędkości i umożliwienie jego obracania się bez kontaktu z biegunami elektromagnesu. Zdarzenie upadku jest kontrolowane, a maszyna zatrzymuje się na łożyskach przyziemienia. Każdy system AMB musi zawierać łożyska przyziemienia, a każda instalacja powinna zawierać zasilacz bezprzerwowy (UPS), który zapewni moc na potrzeby uporządkowanej, kontrolowanej sekwencji dobiegu, a nie natychmiastowego spadku, co minimalizuje zużycie łożysk przyziemienia.

Ogólnie rzecz biorąc, nie. Łożyska magnetyczne mają mniejszą nośność na jednostkę średnicy łożyska niż łożyska toczne lub łożyska z powłoką płynną. Łożysko toczne o średnicy 100 mm może wytrzymać obciążenie statyczne rzędu kilkuset kN; łożysko magnetyczne o podobnej średnicy zewnętrznej wytrzymuje około 10–30 kN, w zależności od konstrukcji elektromagnesu i dopuszczalnego rozpraszania mocy. Z tego powodu łożyska magnetyczne są rzadko stosowane w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń promieniowych przy umiarkowanych prędkościach — ich zaletą jest duża prędkość, precyzja, wrażliwość na zanieczyszczenia lub bezobsługowa praca, a nie sama obciążalność. Wirniki do łożysk magnetycznych muszą być projektowane od początku z uwzględnieniem tego ograniczenia obciążenia.

Elementy stojana i wirnika łożyska magnetycznego — laminaty, cewki i obudowy — nie są częściami zużywalnymi i nie mają określonej trwałości zmęczeniowej w normalnej pracy, ponieważ nie ma między nimi kontaktu. Elementami ograniczającymi zużycie są łożyska przyziemienia, które wymienia się zapobiegawczo, zazwyczaj co 3–5 lat lub po określonej liczbie upadków wirnika. Oczekiwany okres użytkowania elektroniki (wzmacniacze mocy, płyty kontrolerów) wynosi 10–15 lat, z możliwością naprawy na poziomie komponentów lub w razie potrzeby wymianą płyty. Raporty terenowe z instalacji rurociągów i sprężarek procesowych wskazują, że maszyny z łożyskami magnetycznymi działają od ponad 20 lat z oryginalnym osprzętem łożyskowym, a konserwacja obejmuje jedynie łożyska przyziemne i elektronikę.

Tak, systemy łożysk magnetycznych mogą być i są stosowane w obszarach niebezpiecznych sklasyfikowanych przez ATEX/IECEx. Elektromagnesy i czujniki wewnątrz obudowy łożyska stykają się z gazem procesowym, a elementy te można zaprojektować i ocenić pod kątem stosowania w środowiskach gazów palnych. Szafa sterownicza i wzmacniacze mocy są zwykle zlokalizowane poza obszarem niebezpiecznym, w bezpiecznym pomieszczeniu i połączone z łożyskiem za pomocą ekranowanych kabli. To oddzielenie aktywnej elektroniki od obszaru niebezpiecznego jest standardową praktyką w instalacjach sprężających gaz ziemny. Użytkownicy powinni sprawdzić, czy konkretna konfiguracja produktu posiada odpowiednią ocenę obszaru niebezpiecznego dla ich strefy i grupy gazów.

Obydwa wykorzystują kontrolowane siły magnetyczne do lewitowania obiektu bez kontaktu, ale zastosowania i skala są różne. Systemy transportu Maglev lewitują i napędzają cały pojazd pociągowy po prowadnicy, co wymaga liniowej infrastruktury elektromagnetycznej na dużą skalę. Łożyska magnetyczne wspierają wały obrotowe w maszynach — sprężarkach, turbinach, wrzecionach, kołach zamachowych — i stanowią element większej maszyny, a nie samodzielny system transportowy. Podstawowe zasady fizyki i sterowania są ze sobą ściśle powiązane; w rzeczywistości badania nad aktywnymi łożyskami magnetycznymi przyczyniły się bezpośrednio do metod sterowania stosowanych w nowoczesnych komercyjnych systemach kolei maglev, takich jak linia Shanghai Transrapid i japońska SCMaglev. Na poziomie funkcjonalnym łożysko magnetyczne jest zasadniczo systemem magnetycznym zastosowanym do osi obrotowej w obudowie maszyny.

Modernizacja jest technicznie możliwa, ale wymaga znacznych prac inżynieryjnych. Wirnik należy zmodyfikować lub wymienić, dodając czopy łożyskowe z odpowiedniego materiału i geometrii, a obudowę łożyska należy przeprojektować, aby pomieścić stojany elektromagnesów, czujniki i łożyska pomocnicze. Dynamika wirnika zmieni się wraz z nową sztywnością łożyska i charakterystyką tłumienia, dlatego wymagana jest pełna analiza dynamiki wirnika i ponowna ocena prędkości krytycznych. W niektórych przypadkach istniejąca konstrukcja wirnika jest kompatybilna z modernizacją łożysk magnetycznych; w innych potrzebny jest nowy rotor. Kilka firm — w tym Waukesha Bearings i SKF Magnetic Mechatronics — przeprowadziło projekty modernizacji sprężarek odśrodkowych, a opublikowane studia przypadków są dostępne w materiałach z konferencji Turbomachinery and Pump Symposia (Texas A&M University).

Temperatura wpływa na kilka elementów układu łożyska magnetycznego na różne sposoby. Remanentna gęstość strumienia magnesów trwałych zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury — jest to główne ograniczenie konstrukcyjne łożysk hybrydowych wykorzystujących magnesy trwałe z metali ziem rzadkich, które mogą utracić znaczną zdolność przenoszenia siły w temperaturach powyżej 150°C. Izolacja uzwojeń w cewkach elektromagnesu wyznacza górną granicę temperatury dla stojana łożyska; Izolacja wysokotemperaturowa klasy H lub klasy N rozszerza tę temperaturę odpowiednio do 180°C lub 200°C. Ferromagnetyczny materiał laminujący traci przepuszczalność, gdy zbliża się do temperatury Curie (około 770°C dla żelaza), zmniejszając siłę nośną w bardzo wysokich temperaturach. W ostatecznym rozrachunku możliwa jest praca kriogeniczna w temperaturach ciekłego azotu lub ciekłego helu – turborozprężarki w instalacjach separacji powietrza i instalacjach LNG działają z łożyskami magnetycznymi w kriogenicznych temperaturach gazu procesowego.

Pod względem zainstalowanej bazy sektor sprężania ropy naftowej i gazu/gazu ziemnego jest największym przemysłowym użytkownikiem aktywnych łożysk magnetycznych w dużych maszynach turbinowych. Urządzenia próżniowe do produkcji półprzewodników są największym użytkownikiem pod względem liczby sztuk. Budownictwo HVAC to rosnący segment napędzany przyjęciem agregatów chłodniczych z łożyskami magnetycznymi przez główne marki. Wyroby medyczne – w szczególności wszczepialne urządzenia wspomagające pracę serca – to mały, ale niezwykle wartościowy rynek, na którym technologia ta stała się klinicznym standardem w leczeniu zaawansowanej niewydolności serca. Magazynowanie energii za pomocą kół zamachowych to wschodzący segment z rosnącą liczbą instalacji do regulacji częstotliwości sieci.