Magnetiskt lager

Ett magnetiskt lager

Ett magnetiskt lager är en typ av lager som stödjer en belastning med hjälp av magnetisk levitation . Magnetiska lager stödjer rörliga delar utan fysisk kontakt. Till exempel kan de sväva en roterande axel och tillåta relativ rörelse med mycket låg friktion och inget mekaniskt slitage . Magnetiska lager stöder de högsta hastigheterna av alla typer av lager och har ingen maximal relativ hastighet.

Aktiva lager har flera fördelar: de lider inte av slitage, har låg friktion och kan ofta ta emot ojämnheter i massfördelningen automatiskt, vilket gör att rotorerna kan snurra runt deras massacentrum med mycket låga vibrationer.

Passiva magnetiska lager använder permanentmagneter och kräver därför ingen ineffekt men är svåra att designa på grund av de begränsningar som beskrivs av Earnshaws teorem . Tekniker som använder diamagnetiska material är relativt outvecklade och är starkt beroende av materialegenskaper. Som ett resultat är de flesta magnetiska lager aktiva magnetiska lager, som använder elektromagneter som kräver kontinuerlig strömtillförsel och ett aktivt kontrollsystem för att hålla belastningen stabil. I en kombinerad design används ofta permanentmagneter för att bära den statiska belastningen och det aktiva magnetiska lagret används när det svävande föremålet avviker från sitt optimala läge. Magnetiska lager kräver vanligtvis ett reservlager i händelse av ström- eller styrsystemfel.

Magnetiska lager används i flera industriella tillämpningar såsom elproduktion , petroleumförädling, verktygsmaskindrift och naturgashantering. De används också i centrifugen av Zippe-typ , för urananrikning och i turbomolekylära pumpar , där oljesmorda lager skulle vara en källa till förorening.

Design

Grundläggande drift för en enda axel

Ett aktivt magnetiskt lager fungerar enligt principen om elektromagnetisk suspension baserat på induktion av virvelströmmar i en roterande ledare . När ett elektriskt ledande material rör sig i ett magnetfält genereras en ström i materialet som motverkar förändringen i magnetfältet (känd som Lenz's lag) . Detta genererar en ström som kommer att resultera i ett magnetfält som är orienterat mitt emot det från magneten . Det elektriskt ledande materialet fungerar alltså som en magnetisk spegel .

Hårdvaran består av en elektromagnetenhet , en uppsättning effektförstärkare som matar ström till elektromagneterna, en styrenhet och gapsensorer med tillhörande elektronik för att ge den återkoppling som krävs för att styra rotorns position inom gapet. Effektförstärkaren levererar lika förspänningsström till två par elektromagneter på motsatta sidor av en rotor. Denna konstanta dragkamp förmedlas av styrenheten, som kompenserar förspänningsströmmen med lika och motsatta störningar av ström när rotorn avviker från sitt mittläge.

Spaltsensorerna är vanligtvis induktiva till sin natur och avkänner i ett differentiellt läge. Effektförstärkarna i en modern kommersiell tillämpning är solid state-enheter som arbetar i en pulsbreddsmodulationskonfiguration . Styrenheten är vanligtvis en mikroprocessor eller digital signalprocessor .

Två typer av instabilitet finns vanligtvis i magnetiska lager. Attraktiva magneter producerar en instabil statisk kraft som minskar med ökande avstånd och ökar vid minskande avstånd. Detta kan göra att lagret blir obalanserat. För det andra, eftersom magnetism är en konservativ kraft , ger den liten dämpning; svängningar kan orsaka förlust av framgångsrik fjädring om några drivkrafter finns.

Historia

Tabellen nedan listar flera tidiga patent för aktiva magnetiska lager. Tidigare patent för magnetiska upphängningar kan hittas men är uteslutna här eftersom de består av sammansättningar av permanentmagneter med problematisk stabilitet enligt Earnshaws teorem .

Tidiga amerikanska patent på aktiva magnetlager
Uppfinnare År Patentnummer Titel
Balkar, Holmes 1941 2,256,937 Upphängning av roterbara kroppar
Balkar 1954 2,691,306 Magnetiskt stödda roterande kroppar
Gilbert 1955 2,946,930 Magnetisk fjädring
Balkar 1962 3,041,482 Apparat för att rotera fritt upphängda kroppar
Balkar 1965 3,196,694 Magnetisk upphängningssystem
Varg 1967 3,316,032 Poly-fas magnetisk upphängningstransformator
Boden et al. 1968 DE1750602 Magnetische Lagerung (tyskt patent)
Lyman 1971 3,565,495 Magnetisk upphängningsapparat
Habermann 1973 3,731,984 Magnetisk lagerblockenhet för att stödja en vertikal axel anpassad för rotation med hög hastighet
Habermann, Loyen, Joli, Aubert 1974 3,787,100 Enheter inklusive roterande medlemmar som stöds av magnetiska lager
Habermann, Brunet 1977 4 012 083 Magnetiska lager
Habermann, Brunet, LeClére 1978 4,114,960 Radialförskjutningsdetektoranordning för magnetiska lager
Croot, Estelle 1990 1 988 024 350 Ytterligare förbättringar av magnetiska lager
Meeks, Crawford R 1992 5,111,102 Magnetisk lagerstruktur
Croot, Estelle 1994 1 991 075 982 Icke-linjärt magnetiskt lager

Jesse Beams från University of Virginia lämnade in några av de tidigaste patenten för aktiva magnetlager under andra världskriget. Patenten handlade om ultracentrifuger avsedda för anrikning av isotoper av element som behövs för Manhattanprojektet . Men magnetiska lager mognade inte förrän framstegen inom solid-state elektronik och modern datorbaserad styrteknik med arbete av Habermann och Schweitzer. 1987 förbättrade Estelle Croot den aktiva magnetiska lagertekniken ytterligare, men dessa konstruktioner tillverkades inte på grund av dyra produktionskostnader, som använde ett laserstyrningssystem. Estelle Croots forskning var föremål för tre australiska patent [4] och finansierades av Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK och Hitachi, och hennes beräkningar användes i andra teknologier som använde sällsynta jordartsmetaller men de aktiva magnetiska lagren utvecklades endast för att prototypstadiet. Croots design inkluderade också ett avancerat datoriserat kontrollsystem, medan den sista designen var ett icke-linjärt magnetiskt lager.

Kasarda går igenom historien om aktiva magnetiska lager på djupet. Hon noterar att den första kommersiella tillämpningen av aktiva magnetiska lager var i turbomaskineri . Det aktiva magnetiska lagret möjliggjorde eliminering av oljereservoarer på kompressorer för NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) gasledningar i Alberta, Kanada. Detta minskade brandrisken och möjliggjorde en avsevärd minskning av försäkringskostnaderna. Framgången med dessa magnetlagerinstallationer ledde till att NGTL banade väg för forskning och utveckling av ett digitalt styrsystem för magnetlager som en ersättning för de analoga styrsystemen som tillhandahålls av det amerikanska företaget Magnetic Bearings Inc. 1992 bildade NGTL:s forskargrupp för magnetlager företaget Revolve Technologies Inc. [5] för kommersialisering av den digitala magnetiska lagertekniken. Företaget köptes senare av SKF of Sweden. Det franska företaget S2M, grundat 1976, var först med att kommersiellt marknadsföra aktiva magnetlager. Omfattande forskning om magnetiska lager fortsätter vid University of Virginia i Rotating Machinery and Controls Industrial Research Program [ 6] .

Under årtiondet som började 1996 installerade det holländska olje- och gasföretaget NAM tjugo gaskompressorer, var och en driven av en 23 megawatts elmotor med variabel hastighet. Varje enhet var fullt utrustad med aktiva magnetiska lager på både motorn och kompressorn. Dessa kompressorer används i Groningen-gasfältet för att utvinna den återstående gasen från detta stora gasfält och för att öka fältkapaciteten. Motorkompressordesignen gjordes av Siemens och de aktiva magnetlagren levererades av Waukesha Bearings (ägs av Dover Corporation ). (Ursprungligen designades dessa lager av Glacier, detta företag togs senare över av Federal Mogul och är nu en del av Waukesha Bearings.) Genom att använda aktiva magnetlager och en direktdrift mellan motor och kompressor (utan att ha en växellåda emellan) och av Genom att applicera torra gastätningar uppnåddes ett helt torrt (oljefritt) system. Att applicera aktiva magnetiska lager i både föraren och i kompressorn (jämfört med den traditionella konfigurationen med växlar och kullager) resulterar i ett relativt enkelt system med ett mycket brett driftområde och hög verkningsgrad, särskilt vid dellast. Som gjordes i Groningenfältet kan hela installationen dessutom placeras utomhus utan behov av en stor kompressorbyggnad.

Beröringsfria permanentmagnetlager med elektromotorisk stabilisering ansöktes om patent av RG Gilbert 1955 (US-patent 2 946 930) och K. Boden, D. Scheffer 1968 (tyskt patent 1750602). Dessa uppfinningar ger den tekniska grunden för ett antal praktiska tillämpningar, av vilka några har nått stadiet av industriell serieproduktion under licens från Forschungszentrum Jülich sedan omkring 1980.

Meeks banade väg för design av hybridmagnetiska lager (US patent 5 111 102) där permanentmagneter tillhandahåller förspänningsfältet och aktiva kontrollspolar används för stabilitet och dynamisk kontroll. Dessa konstruktioner som använder permanentmagneter för förspänningsfält är mindre och har lägre vikt än rent elektromagnetiska lager. Det elektroniska styrsystemet är också mindre och kräver mindre elektrisk kraft eftersom förspänningsfältet tillhandahålls av permanentmagneterna.

I takt med att utvecklingen av de nödvändiga komponenterna fortskred ökade också det vetenskapliga intresset inom området, och nådde en topp under det första internationella symposiet om magnetiska lager som hölls 1988 i Zürich med grundandet av International Society of Magnetic Bearings av prof. Schweitzer ( ETHZ ), prof . Allaire (University of Virginia) och Prof. Okada (Ibaraki University). Sedan dess har symposiet utvecklats till en tvåårig konferensserie med en permanent portal om magnetbärarteknik [ 7] där alla symposiebidrag görs tillgängliga. Webbportalen stöds av det internationella forsknings- och industrisamfundet. [8] gick med i Hall of Fame och fick utmärkelser för livstidsprestationer 2012 .

Ansökningar

Fördelarna med magnetiska lager inkluderar mycket låg och förutsägbar friktion och förmågan att köras utan smörjning och i vakuum. Magnetiska lager används alltmer i industrimaskiner som kompressorer, turbiner, pumpar, motorer och generatorer.

Magnetiska lager används vanligtvis i wattimmätare av elbolag för att mäta strömförbrukningen i hemmet. De används också i energilagrings- eller transportapplikationer och för att stödja utrustning i vakuum, till exempel i svänghjulsenergilagringssystem . Ett svänghjul i vakuum har mycket låga vindmotståndsförluster, men konventionella lager misslyckas vanligtvis snabbt i vakuum på grund av dålig smörjning. Magnetiska lager används också för att stödja maglev-tåg för att få lågt ljud och jämn gång genom att eliminera fysiska kontaktytor. Nackdelar inkluderar höga kostnader, tung vikt och relativt stor storlek.

Magnetiska lager används också i vissa centrifugalkompressorer för kylare med en axel som består av magnetiskt material mellan magnetiska lager. En liten mängd ström ger magnetisk levitation till axeln som förblir fritt upphängd i luften vilket säkerställer noll friktion mellan lagret och axeln.

Bland de viktigaste industriella tillämpningarna är turbomolekylära pumpar för vakuumgenerering i halvledarproduktionsanläggningar. De första kommersiella turbopumparna med magnetlager utan mekanisk stabilisering marknadsfördes av Leybold AG 1975 (elektromagnetiska) och 1989 (permanentmagnetbaserade).

Inom området för vakuummetrologi introducerades spinnrotormätaren (SRG) som referensstandard av BIPM, Paris 1979. En första laboratorieuppsättning av denna mätare etablerades av Jesse Beams 1946. Kommersiell serieproduktion startade 1980 under licenser från Forschungszentrum Jülich. SRG är viktig för vakuumprocesskontroll i halvledartillverkningsutrustning.

En ny tillämpning av magnetiska lager finns i konstgjorda hjärtan. Användningen av magnetisk upphängning i ventrikulära hjälpanordningar var banbrytande av Prof. Paul Allaire och Prof. Houston Wood vid University of Virginia, vilket kulminerade i den första magnetiskt upphängda ventrikulära assisterande centrifugalpumpen ( VAD ) 1999. [ Citat behövs ]

Flera ventrikulära hjälpenheter använder magnetiska lager, inklusive LifeFlow hjärtpump, DuraHeart Left Ventricular Assist System, Levitronix CentriMag och Berlin Heart . I dessa anordningar är den enda rörliga delen upphängd av en kombination av hydrodynamisk kraft och magnetisk kraft. Genom att eliminera fysiska kontaktytor gör magnetiska lager det lättare att minska områden med hög skjuvspänning (vilket leder till skador på röda blodkroppar) och flödesstagnation (som leder till koagulering) i dessa blodpumpar. Berlin Heart INCOR var den första kommersiella ventrikulära hjälpanordningen utan mekanisk eller vätskedynamisk stabilisering.

Calnetix Technologies , Synchrony Magnetic Bearings (dotterbolag till Johnson Controls International), Waukesha Magnetic Bearings och S2M (dotterbolag till SKF) är bland de största utvecklarna och tillverkarna av magnetlager över hela världen.

Framtida framsteg

Ett axiellt homopolärt elektrodynamiskt lager

Med användningen av ett induktionsbaserat levitationssystem som finns i maglev - teknologier såsom Inducttrack -systemet, kan magnetiska lager ersätta komplexa styrsystem genom att använda Halbach-arrayer och enkla spolar med sluten slinga. Dessa system vinner i enkelhet, men är mindre fördelaktiga med avseende på virvelströmsförluster . För roterande system är det möjligt att använda homopolära magnetkonstruktioner istället för flerpoliga Halbach-strukturer, vilket minskar förlusterna avsevärt.

Ett exempel som har kringgått Earnshaws teoremfrågor är det homopolära elektrodynamiska lagret som uppfanns av Dr Torbjörn Lembke. Detta är en ny typ av elektromagnetiskt lager baserat på en passiv magnetisk teknologi. Den kräver ingen styrelektronik för att fungera och fungerar eftersom de elektriska strömmar som genereras av rörelse orsakar en återställande kraft.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetic_bearing&oldid=1138104133 "