Mágneses csapágy: típusok, működésük és főbb alkalmazások

Ha az aktív mágneses csapágy áramellátása megszűnik, a forgórész a segédcsapágyakra esik (touchdown). Ezek gördülőcsapágyak, amelyek kis hézaggal rendelkeznek a mágneses csapágyréshez képest. Úgy tervezték, hogy biztonságosan támogassák a rotort teljes fordulatszámon, és lehetővé tegyék, hogy az elektromágneses pólusokkal való érintkezés nélkül lefelé forogjon. A leejtési eseményt szabályozzák, és a gép a touchdown csapágyakra áll. Minden AMB-rendszernek tartalmaznia kell érintési csapágyakat, és minden telepítésnek tartalmaznia kell egy szünetmentes tápegységet (UPS), hogy az azonnali leesés helyett a szabályosan szabályozott leállási szekvenciát biztosítsa, ami minimalizálja a csapágyak kopását.

Általában nem. A mágneses csapágyak csapágyátmérő egységenként kisebb teherbírással rendelkeznek, mint a gördülőelemes vagy folyadékfilmes csapágyak. A 100 mm furatú gördülőcsapágy több száz kN statikus terhelést is elbír; egy hasonló külső átmérőjű mágneses csapágy az elektromágneses kialakítástól és a megengedett teljesítménydisszipációtól függően talán 10-30 kN-t tart. Ez az oka annak, hogy a mágneses csapágyakat ritkán alkalmazzák olyan alkalmazásokban, amelyek nagy radiális terhelést igényelnek közepes fordulatszámon – előnyük a nagy sebesség, a pontosság, a szennyeződésérzékenység vagy a karbantartásmentes működés, nem pedig a nyers teherbírás. A mágneses csapágyrendszerek rotorjait kezdettől fogva ennek a terhelési korlátozásnak a figyelembevételével kell megtervezni.

A mágneses csapágyazott állórész és a forgórész alkatrészei – a rétegelt lemezek, tekercsek és házak – nem kopóalkatrészek, és normál üzemben nincs meghatározott kifáradási élettartamuk, mert nincs érintkezés közöttük. A korlátozó kopáselemek a csapágyak, amelyeket megelőző ütemezés szerint, jellemzően 3-5 évente, vagy meghatározott számú rotorleesés után cserélnek. Az elektronika (teljesítményerősítők, vezérlőkártyák) várható élettartama 10-15 év, szükség szerint alkatrész szintű javítással vagy kártyacserével. A csővezeték- és folyamatkompresszor-telepítésekről készült helyszíni jelentések azt mutatják, hogy a mágneses csapágyazású gépek több mint 20 éve működnek az eredeti csapágy hardverrel, csak a csapágyak és az elektronika karbantartásával.

Igen, a mágneses csapágyrendszerek használhatók és használhatók az ATEX/IECEx besorolású veszélyes területeken. A csapágyház belsejében található elektromágnesek és érzékelők érintkeznek a technológiai gázzal, és ezek az alkatrészek gyúlékony gázkörnyezetben történő használatra tervezhetők és értékelhetők. A kapcsolószekrény és a teljesítményerősítők jellemzően a veszélyes területen kívül, biztonságos helyiségben helyezkednek el, árnyékolt kábelekkel a csapágyhoz kötve. Az aktív elektronikának a veszélyes területtől való elkülönítése a földgázkompressziós berendezésekben szokásos gyakorlat. A felhasználóknak ellenőrizniük kell, hogy az adott termékkonfiguráció rendelkezik-e a zónájuknak és gázcsoportuknak megfelelő veszélyességi terület értékeléssel.

Mindkettő szabályozott mágneses erőket használ a tárgy érintés nélküli lebegtetésére, de az alkalmazások és a léptékek eltérőek. A Maglev szállítórendszerek egy teljes vonatjárművet lebegtetnek és mozgatnak egy vezetőpálya mentén, ami nagyszabású lineáris elektromágneses infrastruktúrát igényel. A mágneses csapágyak támogatják a forgó tengelyeket a gépekben – kompresszorokban, turbinákban, orsókban, lendkerekekben –, és egy nagyobb gép alkatrészei, nem pedig önálló szállítórendszer. A mögöttes fizika és szabályozási elvek szorosan összefüggenek egymással; Valójában az aktív mágneses csapágykutatás közvetlenül hozzájárult a modern kereskedelmi maglev sínrendszerekben, például a Shanghai Transrapid vonalon és a japán SCMaglevben alkalmazott szabályozási módszerekhez. Funkcionális szinten a mágneses csapágy lényegében egy maglev rendszer, amelyet a gépházon belüli forgó tengelyre helyeznek.

A felújítás műszakilag lehetséges, de jelentős mérnöki munkát igényel. A forgórészt módosítani kell vagy ki kell cserélni, hogy a csapágyak csapágycsapjait megfelelő anyaggal és geometriával adják hozzá, a csapágyházat pedig újra kell tervezni, hogy az elektromágneses állórészek, érzékelők és segédcsapágyak befogadására alkalmas legyen. A forgórész dinamikája az új csapágymerevség és csillapítási jellemzők hatására megváltozik, ezért teljes rotordinamikai elemzésre és a kritikus fordulatszámok újraértékelésére van szükség. Egyes esetekben a meglévő rotor kialakítás kompatibilis a mágneses csapágyak utólagos felszerelésével; másokban új rotorra van szükség. Számos vállalat – köztük a Waukesha Bearings és az SKF Magnetic Mechatronics – végzett utólagos beépítési projekteket centrifugális kompresszorokon, és publikált esettanulmányok érhetők el a Turbomachinery and Pump Symposia (Texas A&M Egyetem) eljárásából.

A hőmérséklet különböző módon hat a mágneses csapágyrendszer több elemére. Az állandó mágnesek remanens fluxussűrűsége a hőmérséklet emelkedésével csökken – ez az elsődleges tervezési korlát a ritkaföldfém állandó mágneseket használó hibrid csapágyak esetében, amelyek 150°C feletti hőmérsékleten jelentős erőkapacitást veszíthetnek. Az elektromágneses tekercsekben lévő tekercsszigetelés felső hőmérsékleti határt állít be a csapágy állórészére; a magas hőmérsékletű H osztályú vagy N osztályú szigetelés ezt 180°C-ra, illetve 200°C-ra kiterjeszti. A ferromágneses laminált anyag elveszíti áteresztőképességét, ahogy közeledik Curie-hőmérsékletéhez (a vas esetében körülbelül 770 °C), így nagyon magas hőmérsékleten csökken a csapágyerő. A legalacsonyabb szinten a kriogén működés folyékony nitrogén vagy folyékony hélium hőmérsékleten megvalósítható – a légleválasztó üzemekben és az LNG-létesítményekben lévő turbó-expanderek mágneses csapágyakkal működnek kriogén folyamatgáz hőmérsékleten.

A beépített alapmennyiséget tekintve az olaj- és gáz-/földgáz-kompressziós szektor a legnagyobb ipari felhasználó az aktív mágneses csapágyaknak a nagy turbógépekben. A félvezetőgyártáshoz használt vákuumberendezések a legnagyobb felhasználó az egységnyi mennyiség alapján. Az épületgépészeti HVAC egyre növekvő szegmens, amelyet a nagy márkák mágneses csapágyas hűtőinek elfogadása vezérel. Az orvostechnikai eszközök – különösen a beültethető szívsegédeszközök – egy kicsi, de nagy értékű piac, ahol a technológia a fejlett szívelégtelenség-támogatás klinikai standardjává vált. A lendkerekeken keresztül történő energiatárolás egy feltörekvő szegmens a hálózatfrekvencia-szabályozás terén növekvő telepítésekkel.