Magnetski ležaj: Vrste, kako radi i ključne primjene

Kada se energija izgubi na aktivnom magnetskom ležaju, rotor pada na pomoćne (touchdown) ležajeve. To su kotrljajući ležajevi s malim zazorom u odnosu na razmak magnetskog ležaja. Oni su dizajnirani da sigurno podržavaju rotor pri punoj brzini i omogućuju mu da se vrti prema dolje bez kontakta s polovima elektromagneta. Događaj pada je kontroliran i stroj se zaustavlja na dodirnim ležajevima. Svaki AMB sustav mora uključivati ​​kontaktne ležajeve, a svaka instalacija treba uključivati ​​neprekinuto napajanje (UPS) kako bi se osiguralo napajanje za uredno kontrolirani slijed zaustavljanja, a ne trenutni pad, što minimalizira trošenje ležajeva dodira.

Općenito, ne. Magnetski ležajevi imaju manju nosivost po jedinici promjera ležaja nego ležajevi s kotrljajućim elementima ili ležajevi s fluidnim filmom. Kotrljajući ležaj s provrtom od 100 mm može podnijeti statičko opterećenje od nekoliko stotina kN; magnetski ležaj sličnog vanjskog promjera podržava možda 10-30 kN ovisno o dizajnu elektromagneta i dopuštenoj disipaciji snage. Zbog toga se magnetski ležajevi rijetko koriste u aplikacijama koje zahtijevaju velika radijalna opterećenja pri umjerenim brzinama — njihova prednost je u velikoj brzini, preciznosti, osjetljivosti na kontaminaciju ili radu bez održavanja, a ne u čistoj nosivosti. Rotori za sustave magnetskih ležajeva moraju od samog početka biti dizajnirani imajući na umu ovo ograničenje opterećenja.

Komponente statora i rotora s magnetskim ležajem — lamele, zavojnice i kućišta — nisu potrošni dijelovi i nemaju definirani vijek trajanja u normalnom radu jer nema kontakta između njih. Komponente koje ograničavaju trošenje su kontaktni ležajevi, koji se zamjenjuju prema preventivnom rasporedu, obično svakih 3-5 godina ili nakon određenog broja slučajeva pada rotora. Očekivani životni vijek elektronike (pojačala snage, upravljačke ploče) je 10-15 godina, s popravkom na razini komponente ili zamjenom ploče po potrebi. Izvješća s terena iz instalacija cjevovoda i procesnih kompresora pokazuju da su strojevi s magnetskim ležajevima radili više od 20 godina s originalnim hardverom ležaja u upotrebi, uz samo održavanje ležaja za dodir i elektroniku.

Da, sustavi magnetskih ležajeva mogu se koristiti i koriste se u opasnim područjima klasificiranim prema ATEX/IECEx. Elektromagneti i senzori unutar kućišta ležaja su u kontaktu s procesnim plinom, a te se komponente mogu dizajnirati i procijeniti za upotrebu u okolini zapaljivog plina. Upravljački ormar i pojačala snage obično se nalaze izvan opasnog područja u sigurnoj prostoriji, povezani s ležajem zaštićenim kabelima. Ovo odvajanje aktivne elektronike od opasnog područja standardna je praksa u postrojenjima za kompresiju prirodnog plina. Korisnici bi trebali provjeriti ima li određena konfiguracija proizvoda odgovarajuću procjenu opasnog područja za njihovu zonu i skupinu plina.

Oba koriste kontrolirane magnetske sile za levitiranje objekta bez kontakta, ali primjene i mjerila su različiti. Maglev transportni sustavi lebde i pokreću cijelo željezničko vozilo duž staze, zahtijevajući linearnu elektromagnetsku infrastrukturu velikih razmjera. Magnetski ležajevi podržavaju rotirajuće osovine u strojevima - kompresori, turbine, vretena, zamašnjaci - i komponenta su unutar većeg stroja, a ne transportni sustav sam po sebi. Temeljna fizika i principi upravljanja usko su povezani; zapravo, istraživanje aktivnog magnetskog ležaja izravno je pridonijelo metodama upravljanja koje se koriste u modernim komercijalnim maglev željezničkim sustavima kao što su šangajska linija Transrapid i japanski SCMaglev. Na funkcionalnoj razini, magnetski ležaj je u biti maglev sustav primijenjen na rotirajuću os unutar kućišta stroja.

Naknada je tehnički moguća, ali zahtijeva značajan inženjerski rad. Rotor se mora modificirati ili zamijeniti kako bi se dodali klinovi ležaja s odgovarajućim materijalom i geometrijom, a kućište ležaja mora se redizajnirati za prilagodbu statorima elektromagneta, senzorima i pomoćnim ležajevima. Dinamika rotora će se promijeniti s novim karakteristikama krutosti ležaja i prigušenja, tako da je potrebna potpuna analiza dinamike rotora i ponovna procjena kritičnih brzina. U nekim slučajevima, postojeći dizajn rotora je kompatibilan s naknadnom ugradnjom magnetskih ležajeva; u drugima je potreban novi rotor. Nekoliko tvrtki — uključujući Waukesha Bearings i SKF Magnetic Mechatronics — izvelo je projekte naknadne ugradnje na centrifugalnim kompresorima, a objavljene studije slučaja dostupne su u zbornicima simpozija o turbostrojevima i pumpama (Texas A&M University).

Temperatura na različite načine utječe na nekoliko komponenti sustava magnetskih ležajeva. Gustoća zaostalog toka trajnih magneta smanjuje se s povećanjem temperature — to je primarno ograničenje dizajna za hibridne ležajeve koji koriste trajne magnete od rijetke zemlje, koji mogu izgubiti značajan kapacitet sile na temperaturama iznad 150°C. Izolacija namota u zavojnicama elektromagneta postavlja gornju granicu temperature za stator ležaja; visokotemperaturna izolacija klase H ili klase N produžava to na 180°C odnosno 200°C. Feromagnetski slojeviti materijal gubi propusnost kako se približava svojoj Curie temperaturi (oko 770°C za željezo), smanjujući nosivu silu na vrlo visokim temperaturama. Na nižem nivou, izvediv je kriogeni rad na temperaturama tekućeg dušika ili tekućeg helija - turbo-ekspanderi u postrojenjima za odvajanje zraka i LNG postrojenjima rade s magnetskim ležajevima na temperaturama plina u kriogenom procesu.

Prema instaliranom osnovnom volumenu, sektor kompresije nafte i plina/zemnog plina najveći je industrijski korisnik aktivnih magnetskih ležajeva u velikim turbostrojevima. Vakuumska oprema za proizvodnju poluvodiča najveći je korisnik po broju jedinica. HVAC u zgradama je rastući segment potaknut usvajanjem rashladnih uređaja s magnetskim ležajem od strane velikih marki. Medicinski uređaji — posebno implantabilni pomoćni uređaji za rad srca — malo su, ali visokovrijedno tržište na kojem je tehnologija postala klinički standard skrbi za naprednu podršku zatajenju srca. Pohranjivanje energije putem zamašnjaka segment je u nastajanju sa sve većim instalacijama u regulaciji frekvencije mreže.