بلبرینگ مغناطیسی: انواع، نحوه کار و کاربردهای کلیدی

بلبرینگ مغناطیسی چیست و چرا اهمیت دارد؟

A بلبرینگ مغناطیسی نوعی یاتاقان است که محور چرخشی را به طور کامل از طریق نیروی مغناطیسی پشتیبانی می کند، بدون تماس فیزیکی بین روتور و استاتور. بر خلاف یاتاقان‌های معمولی عنصر نورد یا یاتاقان‌های لایه سیال، یاتاقان‌های مغناطیسی از میدان‌های الکترومغناطیسی کنترل‌شده برای معلق کردن شفت در فضا استفاده می‌کنند – حذف اصطکاک مکانیکی، سایش و نیاز به روان‌کاری. نتیجه یک سیستم یاتاقان است که قادر به کار در سرعت های فوق العاده، در محیط های خلاء، و در دماهای معمولی است. بلبرینگ ها کاملا شکست خواهد خورد.

اهمیت عملی این امر بسیار زیاد است. در کمپرسورهای صنعتی، توربوماشین‌ها، فلایویل‌های ذخیره انرژی و تجهیزات تولید نیمه‌رسانا، حذف سایش مبتنی بر تماس مستقیماً به عمر طولانی‌تر ماشین، هزینه نگهداری کمتر و کنترل چرخشی دقیق‌تر منجر می‌شود. یک یاتاقان مغناطیسی به سادگی جایگزین یک یاتاقان نورد نمی شود - پاکت عملکرد هر دستگاهی را که در آن نصب می شود تغییر می دهد.

1,000,000 RPM قابل دستیابی با یاتاقان های مغناطیسی فعال در شرایط آزمایشگاهی

0 روغن کاری مورد نیاز - بدون روغن، بدون گریس، بدون آلودگی

<1 میکرومتر دقت موقعیت روتور در سیستم های بلبرینگ مغناطیسی فعال دقیق

انواع بلبرینگ های مغناطیسی: فعال، غیرفعال و هیبریدی

فن آوری بلبرینگ مغناطیسی به سه خانواده بزرگ تقسیم می شود که هر کدام یک اصل عملیاتی مجزا دارند. درک تفاوت ها تعیین می کند که کدام پیکربندی بلبرینگ برای یک برنامه خاص مناسب است.

AMB

بلبرینگ مغناطیسی فعال (AMB)

یک یاتاقان مغناطیسی فعال از آهنرباهای الکترومغناطیسی استفاده می کند که توسط یک کنترل کننده بازخورد بلادرنگ انرژی می گیرند. سنسورها به طور مداوم موقعیت روتور را اندازه گیری می کنند. سیستم کنترل جریان را در هر آهنربای الکتریکی تنظیم می کند تا محور را در مرکز نگه دارد. این امر باعث می‌شود AMB‌ها بدون کنترل ذاتاً ناپایدار باشند – اما حلقه کنترل به سیستم سختی قابل برنامه‌ریزی، میرایی ارتعاش فعال و قابلیت تشخیصی را نیز می‌دهد. AMB ها شکل غالب در توربوماشین های صنعتی هستند از جمله کمپرسورهای خط لوله گاز طبیعی و اسپیندل های پرسرعت.

PMB

یاتاقان مغناطیسی غیرفعال (PMB)

یک یاتاقان مغناطیسی غیرفعال از آهنرباهای دائمی برای تولید نیروی دافعه یا جاذبه ساکن بدون هیچ منبع تغذیه یا کنترل الکترونیکی استفاده می کند. طبق قضیه ارنشاو، یک یاتاقان مغناطیسی صرفاً غیرفعال نمی‌تواند در تمام شش درجه آزادی به طور همزمان پایدار باشد - بنابراین PMB ها معمولاً با عناصر مکانیکی ترکیب می‌شوند تا محورهای ناپایدار را محدود کنند. آنها در فلایویل های ذخیره انرژی به عنوان یاتاقان های پشتیبانی شعاعی، با AMB یا محوری که محورهای باقی مانده را کنترل می کند، استفاده می شوند.

HMB

بلبرینگ مغناطیسی هیبریدی

یک یاتاقان مغناطیسی هیبریدی آهنرباهای دائمی را با آهنرباهای الکتریکی کوچک ترکیب می کند. آهنربای دائمی نیروی شناور پایه - به نام شار بایاس - را فراهم می کند، در حالی که آهنربای الکتریکی یک جریان کوتاه تر و سریعتر پاسخ می دهد. از آنجایی که آهنربای دائمی بیشتر بار را حمل می کند، توان جذب شده توسط سیم پیچ کنترل به طور قابل توجهی کمتر از یک یاتاقان کاملا فعال است. این باعث می‌شود که یاتاقان‌های هیبریدی برای سیستم‌ها و برنامه‌هایی که از باتری پشتیبانی می‌کنند، که در آن مصرف انرژی به شدت محدود است، مناسب باشند.

چگونه یک یاتاقان مغناطیسی فعال کار می کند: حلقه کنترل توضیح داده شده است

درک عملکرد بلبرینگ مغناطیسی فعال به معنای دنبال کردن مسیر سیگنال از سنسور به محرک است. این فرآیند هزاران بار در ثانیه تکرار می شود.

سنجش موقعیت

سنسورهای جریان گردابی یا القایی شکاف هوا بین روتور و هر یک از آهنرباهای الکتریکی یاتاقان را اندازه گیری می کنند. وضوح سنجش معمولاً در محدوده میکرون است. اکثر سیستم‌های AMB صنعتی از حسگرهای اضافی استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که خرابی یک سنسور باعث افت روتور نمی‌شود.

الگوریتم پردازش و کنترل سیگنال

سیگنال شکاف اندازه گیری شده با یک نقطه تنظیم مقایسه می شود. این خطا یک PID یا الگوریتم کنترل پیشرفته‌تر را هدایت می‌کند - برخی از سیستم‌ها از H-infinity یا کنترل پیش‌بینی مدل استفاده می‌کنند - که نیروی تصحیح مورد نیاز را محاسبه می‌کند. این کنترلر روی سخت افزار اختصاصی DSP یا FPGA با نرخ به روز رسانی 10 کیلوهرتز تا 50 کیلوهرتز یا بالاتر اجرا می شود.

تقویت کننده قدرت و الکترومغناطیس

خروجی کنترل کننده یک تقویت کننده توان خطی یا سوئیچینگ را به حرکت در می آورد که جریان عبوری از هر آهنربای الکتریکی یاتاقان را تنظیم می کند. نیروی مغناطیسی حاصل بر روتور فرومغناطیسی وارد می شود و موقعیت آن را اصلاح می کند. یک AMB محوری از یک دیسک رانش برای کنترل موقعیت در امتداد محور شفت استفاده می کند.

یاتاقان های کمکی (پشتیبان).

هر سیستم AMB شامل یاتاقان های تاچ داون یا کمکی است - معمولاً یاتاقان های غلتشی با فاصله کمی نسبت به یاتاقان مغناطیسی. در عملکرد عادی آنها هیچ باری را حمل نمی کنند. در صورت قطع برق یا خطای کنترل، روتور را می گیرند و از تماس مخرب با قطب های آهنربا جلوگیری می کنند. یاتاقان های تاچ داون باید طوری طراحی شوند که تعداد معینی از رخدادهای سقوط را جذب کنند بدون شکست، همانطور که در استانداردهایی مانند ISO 14839 تعریف شده است.

مزایای یاتاقان های مغناطیسی نسبت به یاتاقان های معمولی

شکاف عملکردی بین فناوری بلبرینگ مغناطیسی و یاتاقان‌های معمولی نورد یا فیلم سیال قابل توجه است. جدول زیر پارامترهای کلیدی را در انواع بلبرینگ برای کاربردهای صنعتی با سرعت بالا مقایسه می کند.

مقایسه فن آوری های بلبرینگ برای ماشین آلات دوار با سرعت بالا داده ها از راهنماهای مهندسی بلبرینگ SKF و ادبیات برنامه کاربردی Waukesha Bearings AMB گردآوری شده است.
پارامتر	بلبرینگ عنصر نورد	بلبرینگ سیال فیلم	بلبرینگ مغناطیسی فعال
حداکثر سرعت محیطی	~ 150 متر بر ثانیه	~ 200 متر بر ثانیه	> 600 متر بر ثانیه
تلفات اصطکاک	متوسط	بالا در سرعت کم	نزدیک به صفر
روغن کاری مورد نیاز است	بله (گریس یا روغن)	بله (روغن تحت فشار)	خیر
نظارت بر لرزش	نیاز به سنسورهای خارجی	نیاز به سنسورهای خارجی	یکپارچه (سنسورهای AMB)
محدوده دمای عملیاتی	تا 180 درجه سانتیگراد (گریس)	تا 150 درجه سانتیگراد (روغن)	تا 450 درجه سانتیگراد (وابسته به سیم پیچ)
به مرور زمان بپوشید	مستمر	شروع/توقف پوشیدن	صفر (روتور هرگز با استاتور تماس نمی گیرد)
کنترل / برنامه ریزی	هیچ کدام	محدود	کامل (سفتی، میرایی، رد عدم تعادل)

حذف روغن کاری به ویژه برای صنایع فرآیندی مهم است. در فشرده‌سازی گاز طبیعی، آلودگی نفتی گاز فرآیند یک نگرانی عملیاتی مداوم با سیستم‌های بلبرینگ معمولی است. یک یاتاقان مغناطیسی این خطر را به طور کامل حذف می کند، سیستم آب بندی را ساده می کند و هزینه عملیاتی را کاهش می دهد. بر اساس داده‌های منتشر شده توسط SKF Magnetic Mechatronics، ارتقاء یک کمپرسور گریز از مرکز از یاتاقان‌های روغن‌کاری شده به AMB می‌تواند لغزش روغن روان‌کاری، جداکننده روغن و سیستم‌های فیلتراسیون مرتبط را از بین ببرد و باعث صرفه‌جویی چند صد هزار دلاری در هزینه سرمایه در ماشین‌های فریم بزرگ شود.

محل استفاده از بلبرینگ های مغناطیسی: کاربردهای صنعتی کلیدی

سیستم های یاتاقان مغناطیسی یک فناوری خاص نیستند. آنها در تجهیزات دوار پرمخاطره در طیف گسترده ای از صنایع مستقر می شوند، هر جا که ترکیبی از سرعت بالا، حساسیت آلودگی یا به حداقل رساندن تعمیر و نگهداری بیشتر از هزینه اولیه سیستم بالاتر باشد.

انرژی

فشرده سازی و خط لوله گاز

کمپرسورهای گریز از مرکز بزرگ در ایستگاه های خط لوله گاز طبیعی یکی از پذیرندگان صنعتی اولیه فناوری بلبرینگ مغناطیسی فعال بوده است. سازندگانی از جمله زیمنس انرژی، بیکر هیوز، و MAN Energy Solutions کمپرسورهایی با AMB های یکپارچه را به عنوان پیکربندی استاندارد یا اختیاری ارائه می دهند. عملیات بدون روغن در تاسیساتی که خطر شعله باز یا جرقه باعث می شود حمل و نقل روغن خطرناک باشد، و در تاسیسات بدون سرنشین از راه دور که حذف تعمیر و نگهداری روغن روان کننده کاهش مستقیم هزینه عملیاتی است، بسیار مهم است.

تولید

اسپیندل ماشین ابزار با سرعت بالا

ماشین‌کاری دقیق اجزای هوافضا به سرعت‌های دوک نیاز دارد که بیش از آن چیزی است که یاتاقان‌های عنصر نورد معمولی می‌توانند بدون تخریب سریع تحمل کنند. دوک های بلبرینگ مغناطیسی می توانند در 60000 دور در دقیقه و بالاتر کار کنند و سیستم کنترل فعال به اسپیندل اجازه می دهد تا به طور فعال عدم تعادل ابزار را جبران کند، عمر ابزار را افزایش داده و سطح را بهبود بخشد. تحقیقات منتشر شده در مجله بین المللی ماشین ابزار و ساخت نشان داده است که دوک های AMB خطای سطح ناشی از پچ پچ را در مقایسه با سیستم های دوک معمولی در عمق های برش معادل کاهش می دهند.

انرژی Storage

سیستم های ذخیره انرژی فلایویل

یک سیستم ذخیره انرژی چرخ طیار انرژی جنبشی را در یک جرم در حال چرخش ذخیره می کند. کارایی چنین سیستمی به طور اساسی به حداقل کردن تلفات یاتاقان بستگی دارد، زیرا روتور ممکن است ساعت ها یا روزها بین چرخه شارژ و دشارژ با سرعت بالا بچرخد. ترکیب یاتاقان‌های مغناطیسی دائمی غیرفعال برای پشتیبانی شعاعی با یک AMB کوچک برای کنترل محوری - و قرار دادن روتور در خلاء - تلفات باد و یاتاقان را به سطحی می‌رساند که چرخ‌های فلایویل برای کاربردهای ذخیره‌سازی شبکه کوتاه مدت با باتری‌های الکتروشیمیایی رقابت می‌کنند. کارخانه های چرخ طیار بیکن پاور در استفنویل، تگزاس و شهر هازل، پنسیلوانیا از این پیکربندی بلبرینگ استفاده می کنند و خدمات تنظیم فرکانس را به شبکه ارائه می کنند.

نیمه هادی

پمپ های توربو مولکولی خلاء

پمپ های توربو مولکولی مورد استفاده در تجهیزات نیمه هادی فاب باید در خلاء بالا، در سرعت های بالاتر از 50000 RPM، بدون هیچ گونه آلودگی روان کننده در محفظه فرآیند کار کنند. یاتاقان های مغناطیسی - معمولاً آهنرباهای دائمی هیبریدی به همراه الکترومغناطیس های کوچک تریم - در اکثر پمپ های توربو مولکولی تولید شده توسط Pfeiffer Vacuum، Edwards، Leybold و سازندگان مشابه استاندارد هستند. روتور بدون هیچ تماسی معلق می شود و می چرخد و محیط خلاء را آلوده نگه می دارد.

پزشکی

دستگاه های کمکی بطنی

دستگاه‌های کمکی بطن چپ (LVAD) - پمپ‌های کاشته‌شده‌ای که عملکرد قلب نارسا را پشتیبانی یا جایگزین می‌کنند - از طرح‌های جریان محوری با یاتاقان‌های معمولی به طرح‌های گریز از مرکز منتقل شده‌اند که در آن پروانه به طور مغناطیسی معلق است. HeartMate 3 که توسط FDA تایید شده و به طور گسترده در عمل بالینی استفاده می شود، از شناور مغناطیسی کامل روتور بدون نقاط تماس مکانیکی استفاده می کند. همانطور که در کارآزمایی بالینی MOMENTUM 3 که در مجله پزشکی نیوانگلند منتشر شده است، حذف سطوح تماس بلبرینگ، محل اولیه تشکیل ترومبوز را در دستگاه‌های قبلی حذف می‌کند و به بهبود قابل توجه نتایج بالینی در مقایسه با پمپ‌های نسل قبلی کمک می‌کند.

تهویه مطبوع

چیلرهای بلبرینگ مغناطیسی

چیلرهای گریز از مرکز برای تهویه مطبوع ساختمان های تجاری از فناوری یاتاقان مغناطیسی در مرحله کمپرسور استفاده کرده اند. Daikin، Johnson Controls (با نام تجاری York) و Danfoss (Turbocor) همگی کمپرسورهای چیلر را به بازار عرضه می کنند که شفت کمپرسور بر روی AMB ها سوار می شود. افزایش بهره وری از دو جهت حاصل می شود: حذف اصطکاک یاتاقان های مکانیکی، و توانایی کارکردن کمپرسور با سرعت متغیر بدون گیربکس، که به واحد اجازه می دهد تا با شرایط بار جزئی دقیقا مطابقت داشته باشد. کمپرسورهای Turbocor ادعا می‌کنند که بازدهی بار جزئی 35 درصد یا بیشتر نسبت به کمپرسورهای گریز از مرکز روغن‌کاری سنتی تحت شرایط رتبه‌بندی AHRI بهبود یافته است.

ملاحظات طراحی روتور برای سیستم های بلبرینگ مغناطیسی

روتور در یک سیستم یاتاقان مغناطیسی باید طوری طراحی شود که با مدار الکترومغناطیسی کار کند، نه مستقل از آن. این نیاز به رویکرد مهندسی متفاوتی نسبت به روتورهای طراحی شده برای یاتاقان های عنصر نورد یا هیدرودینامیکی دارد.

انتخاب مواد: چند لایه در مقابل فولاد جامد

مواد روتور در منطقه فرود یاتاقان باید فرومغناطیسی باشد - نیروی مغناطیسی بر آهن موجود در روتور تأثیر می گذارد. با این حال، یک روتور فرومغناطیسی جامد که در معرض میدان مغناطیسی متناوب یک AMB قرار می گیرد، تلفات جریان گردابی ایجاد می کند که روتور را گرم کرده و کارایی محرک یاتاقان را کاهش می دهد. به همین دلیل، روتورهای AMB اغلب از فولاد سیلیکونی چند لایه در ژورنال های بلبرینگ، مشابه پشته های لایه لایه ای که در هسته موتورهای الکتریکی استفاده می شود، برای شکستن مسیرهای جریان گردابی استفاده می کنند. در کاربردهای با دمای بالا که لایه‌های فولادی سیلیکونی تخریب می‌شوند، از مواد جامد با هندسه قطب بهینه‌شده استفاده می‌شود و تلفات جریان گردابی از طریق انتخاب فرکانس کنترل مدیریت می‌شوند.

الزامات تعادل

از آنجا که یک AMB می تواند به طور فعال ارتعاش سنکرون را جبران کند، گاهی اوقات فرض می شود که الزامات تعادل روتور آرام شده است. در عمل برعکس است. سیستم کنترل AMB باید به طور مداوم نیروهای متغیر را برای سرکوب پاسخ عدم تعادل اعمال کند - نیروهایی که گرما را در آهنرباهای الکتریکی تولید می کنند و جریان تقویت کننده را مصرف می کنند. روتور با تعادل ضعیف حاشیه حرارتی سیستم بلبرینگ را کوتاه می کند و نیروی موجود برای دفع اختلال را کاهش می دهد. ISO 1940 G1 یا کیفیت بالانس بهتر معمولاً برای روتورهای AMB مشخص می شود و برخی از برنامه ها نیاز به شناسایی و جبران عدم تعادل فعال از طریق خود سیستم کنترل AMB دارند.

نقشه برداری سرعت بحرانی و حاشیه های جداسازی

همه شفت‌های دوار دارای سرعت‌های بحرانی خمشی هستند - سرعت‌های روتور که در آن حالت خمشی با رزونانس برانگیخته و تقویت می‌شود. در یک یاتاقان معمولی، سفتی و میرایی بلبرینگ توسط هندسه و خواص روان کننده ثابت می شود. در یک AMB، سفتی و میرایی از طریق الگوریتم کنترل قابل تنظیم هستند. این بدان معناست که یک روتور AMB را می توان برای عبور از سرعت بحرانی خمشی تحت شرایط کنترل شده طراحی کرد و کنترل کننده برای سرکوب پاسخ میرایی اعمال می کند. این یک آزادی طراحی قابل توجه است - روتورهای بلندتر و باریک تری نسبت به بلبرینگ های با سختی ثابت عملی می کند. تحلیلگر روتور و مهندس کنترل باید از مرحله طراحی اولیه با هم کار کنند تا چشم انداز سرعت بحرانی را ترسیم کنند و پاسخ کنترل را بر اساس آن طراحی کنند.

تجزیه و تحلیل رخداد تخلیه و سقوط یاتاقان کمکی

فاصله بین روتور و یاتاقان های کمکی (تاچ داون) یک پارامتر طراحی حیاتی است. باید به اندازه‌ای کوچک باشد که روتور قبل از تماس با یاتاقان کمکی، حرکت مخرب ایجاد نکند، اما به اندازه‌ای بزرگ باشد که رشد حرارتی معمولی روتور و مدارهای نامتعادل باعث تماس ناخواسته نشود. فاصله معمولی AMB به روتور بسته به اندازه روتور از 0.3 میلی متر تا 0.8 میلی متر است و فاصله یاتاقان کمکی تقریباً نصف فاصله AMB تنظیم شده است. شبیه‌سازی رویداد افت با استفاده از نرم‌افزار دینامیک روتور گذرا انجام می‌شود تا تأیید شود که یاتاقان‌های کمکی و ساختار پشتیبانی آن‌ها می‌توانند در تعداد مشخصی از رویدادهای افت بدون شکست ساختاری زنده بمانند.

سیستم های کنترل بلبرینگ مغناطیسی: از PID تا رویکردهای مبتنی بر مدل

سیستم کنترل چیزی است که یک یاتاقان مغناطیسی فعال را از یک آهنربای الکتریکی ساده جدا می کند. پیچیدگی کنترل کننده پهنای باند سختی قابل دستیابی، کیفیت دفع ارتعاش و قابلیت تشخیصی سیستم بلبرینگ را تعیین می کند.

کنترل کلاسیک PID

کنترل مشتق متناسب-انتگرال که به صورت جداگانه برای هر محور یاتاقان اعمال می شود، رویکرد پایه برای اکثر سیستم های AMB صنعتی است. بهره متناسب سختی را فراهم می کند، بهره مشتق میرایی را فراهم می کند، و بهره انتگرال خطای وضعیت پایدار را حذف می کند. اتصال متقاطع بین محورها - این واقعیت که نیرویی در یک جهت می تواند روتور را به سمت دیگری حرکت دهد - معمولاً با جدا کردن فیلترها انجام می شود. کنترل PID به خوبی قابل درک است، راه اندازی آسان و قوی است و آن را به استانداردی عملی برای اکثر یاتاقان های مغناطیسی صنعتی نصب شده تبدیل می کند.

فیلترهای بریدگی و لغو همزمان

یک روتور نامتعادل چرخشی یک نیروی همزمان با سرعت کارکرد دقیقا 1 برابر ایجاد می کند. اگر حلقه کنترل AMB دارای بهره در این فرکانس باشد، سعی می کند پاسخ سنکرون را کنترل کند - برای انجام این کار، جریان را صرف می کند. یک الگوریتم لغو همزمان، جزء 1x را از سیگنال موقعیت شناسایی می‌کند و آن را از ورودی کنترل کم می‌کند، بنابراین بلبرینگ عدم تعادل سنکرون را نادیده می‌گیرد و به روتور اجازه می‌دهد حول مرکز جرم خود بچرخد. این جریان یاتاقان را در سرعت کار کاهش می دهد و در کنترلرهای صنعتی AMB استاندارد است. فیلترهای ناچ در فرکانس‌های تشدید خاص، حاشیه‌های پایداری را بیشتر شکل می‌دهند.

H-Infinity و کنترل قوی

برای ماشین‌هایی با دینامیک روتور پیچیده - حالت‌های انعطاف‌پذیر چندگانه، جفت ژیروسکوپی قوی در سرعت بالا، یا سرعت‌های بحرانی با فواصل کم - PID کلاسیک ممکن است حاشیه‌های پایداری کافی را در سراسر محدوده سرعت عملیاتی کامل فراهم نکند. کنترل H-infinity کنترل‌کننده‌ای را ترکیب می‌کند که بدترین حالت را از ورودی‌های اختلال به خروجی‌های کنترل‌شده به حداقل می‌رساند، مشروط به یک مدل صریح از عدم قطعیت کارخانه. این امکان عملکرد پایدار در طیف وسیع تری از شرایط روتور را فراهم می کند و در برنامه های کاربردی مانند دوک های ماشین کاری با سرعت بالا و نمونه های اولیه ماشین آلات توربو فضا استفاده می شود.

بلبرینگ های خود سنج و بدون سنسور

AMB های استاندارد به حسگرهای موقعیت اختصاصی نیاز دارند. AMB های بدون سنسور یا خود حسگر اطلاعات موقعیت روتور را از تغییر اندوکتانس سیم پیچ های یاتاقان با تغییر شکاف هوا، با استفاده از تزریق سیگنال حامل فرکانس بالا یا سایر روش های تخمین استخراج می کنند. حذف سنسورهای اختصاصی هزینه را کاهش می دهد، قابلیت اطمینان را در محیط های سخت بهبود می بخشد و یاتاقان را فشرده تر می کند. گروه‌های تحقیقاتی در ETH زوریخ و سایر موسسات، AMB‌های خودحسگر را با عملکرد نزدیک به سیستم‌های حس‌گر نشان داده‌اند، اگرچه پذیرش تجاری محدود به کاربردهای خاص است.

نحوه انتخاب پیکربندی یاتاقان مغناطیسی مناسب برای برنامه شما

انتخاب یک سیستم بلبرینگ مغناطیسی مستلزم تطبیق نوع یاتاقان و پیکربندی آن با الزامات خاص برنامه است. معیارهای زیر باعث تصمیم گیری انتخاب می شود.

ظرفیت بار و جهت: AMB ها برای بارهای شعاعی و محوری در ماشین های دوار مناسب هستند. برای بارهای استاتیکی بسیار بالا، توان مغناطیس الکتریکی مورد نیاز می تواند زیاد شود. بلبرینگ هیبریدی که از آهنرباهای دائمی برای بار بایاس استفاده می کند، مصرف برق را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
محدوده سرعت: بلبرینگ های مغناطیسی در سرعت های محیطی بالا برتری دارند. اگر سرعت کاربرد کمتر از 10000 RPM باشد و ظرفیت بار مورد نیاز متوسط باشد، هزینه یک سیستم AMB ممکن است نسبت به یک فیلم سیال یا بلبرینگ عنصر نورد که به خوبی طراحی شده است توجیه نشود. بالاتر از 30000 RPM، یاتاقان های مغناطیسی معمولاً گزینه برتر هستند.
محیط زیست: محیط های خلاء، دمای بالا، برودتی، یا محیط های شیمیایی تهاجمی به شدت به نفع یاتاقان های مغناطیسی هستند زیرا اجرای سیستم های روغن کاری معمولی یا غیرممکن یا بسیار پرهزینه است. پمپ های توربو مولکولی و منبسط کننده های برودتی موارد واضحی هستند.
دسترسی به تعمیر و نگهداری: تأسیسات از راه دور یا بدون سرنشین - سکوهای دریایی، تجهیزات اعماق دریا، ایستگاه های کمپرسور خط لوله - به طور قابل توجهی از حذف یاتاقان های روغن کاری شده سود می برند، زیرا هر سرویس روغن کاری نیاز به بازدید از محل دارد و هزینه و ریسک قابل توجهی را به همراه دارد.
حساسیت به آلودگی: هر فرآیندی که در آن آلودگی روغن یا گریس محصول یا سیال فرآیند غیرقابل قبول باشد به بلبرینگ های مغناطیسی اشاره دارد. تولید نیمه هادی، فرآوری مواد غذایی، داروسازی و فشرده سازی اکسیژن نمونه هایی هستند.
الزامات تشخیصی: اگر نظارت مداوم بر سلامت دینامیک روتور برای یکپارچگی فرآیند یا نگهداری پیش‌بینی‌کننده مهم باشد، حسگرهای یکپارچه یک سیستم AMB این را به عنوان محصول جانبی عملکرد عادی، بدون هزینه حسگر اضافی ارائه می‌کنند.
قابلیت اطمینان منبع تغذیه: هر سیستم AMB برای حفظ شناور نیاز به توان مداوم دارد. برنامه‌های کاربردی در محیط‌هایی که قابلیت اطمینان منبع تغذیه نامشخص است باید شامل یک منبع تغذیه اضطراری (UPS) یا دستگاه ذخیره‌سازی انرژی باشد تا توان پایین‌رفته کنترل‌شده برای AMB و یاتاقان‌های سقوط منظم به تاچ داون را فراهم کند.

تعمیر و نگهداری سیستم های یاتاقان مغناطیسی: در عمل چه چیزی باید انتظار داشت

یکی از قوی ترین نقاط فروش فناوری بلبرینگ مغناطیسی کاهش بار تعمیر و نگهداری است. با این حال، "کاهش" "صفر" نیست - درک اینکه یک سیستم یاتاقان مغناطیسی واقعاً به چه تعمیراتی نیاز دارد برای برنامه ریزی هزینه چرخه عمر مهم است.

بلبرینگ های مغناطیسی چه چیزی را از بین می برند

تجزیه و تحلیل دوره ای روان کننده و تعویض
بازرسی سیستم روغن روغن (فیلتر، پمپ، مخزن)
اندازه گیری سایش و جایگزینی بلبرینگ بر اساس عمر خستگی
بازرسی و تعویض مهر و موم روغن
سرویس گریس نوک سینه

آنچه که بلبرینگ های مغناطیسی نیاز دارند

تأیید سالانه یا دوسالانه کالیبراسیون سیستم کنترل و عملکرد سنسور
بازرسی دوره ای و تعویض بلبرینگ های تاچ داون (کمکی)، معمولاً هر 3 تا 5 سال یا پس از تعداد مشخصی از رویدادهای افت
بررسی نرم افزار سیستم کنترل و سیستم عامل برای به روز رسانی
تست باتری یو پی اس و تعویض آن در چرخه عمر باتری برنامه ریزی شده
تجزیه و تحلیل روند دوره ای جریان های بلبرینگ، مدار روتور و داده های شکاف هوا برای تشخیص زودهنگام خطا

تجربه میدانی از تاسیسات فشرده سازی گاز گزارش شده توسط بیکر هیوز و زیمنس انرژی نشان می دهد که کمپرسورهای دارای یاتاقان مغناطیسی در خدمات خط لوله به بیش از 99.5٪ در دسترس بودن با فواصل تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده 3 تا 5 سال، در مقایسه با ماشین های روغن کاری شده که معمولاً به خدمات سالانه سیستم روغن روغن کاری و بازرسی های مکرر نیاز دارند. داده‌ها نشان‌دهنده تأسیسات با هزاران ساعت عملیاتی هستند که در شبکه‌های خط لوله آمریکای شمالی و اروپا جمع‌آوری شده‌اند.

تجزیه و تحلیل هزینه باربری مغناطیسی: سرمایه گذاری اولیه در مقابل ارزش چرخه عمر

هزینه اولیه یک سیستم یاتاقان مغناطیسی فعال بیشتر از سیستم بلبرینگ عنصر نورد معمولی یا فیلم سیال است. این واقعیت به خوبی ثابت شده است و باید به طور مستقیم در هر ارزیابی تدارکات مورد توجه قرار گیرد. با این حال، هزینه اولیه به تنهایی تصویری ناقص است.

عناصر هزینه چرخه عمر شاخص برای یک کمپرسور گریز از مرکز 5 مگاوات در طول عمر عملیاتی 20 ساله. ارقام تخمین های نماینده ای بر اساس داده های خدمات OEM منتشر شده و تجربه صنعت هستند. مقادیر واقعی بسته به شرایط سایت و ساختار قرارداد به طور قابل توجهی متفاوت است.
عنصر هزینه	یاتاقان فیلم روغن روغن	بلبرینگ مغناطیسی فعال
حق بیمه هزینه سرمایه (فقط سیستم باربری)	خط مبنا	200 تا 400 هزار دلار
روغن لغزنده و لوازم جانبی (سرمایه)	150 تا 300 هزار دلار	$0
هزینه سالانه روغن و فیلتر روغن	20 تا 50 هزار دلار در سال	$0
بازرسی و تعویض بلبرینگ (20 سال)	300 تا 600 هزار دلار	80 تا 150 هزار دلار (فقط بلبرینگ های تاچ داون)
توقف برنامه ریزی نشده (20 سال برآورد)	بالاتر (ساییدگی بلبرینگ، رویدادهای آلودگی روغن)	پایین تر (بدون حالت خرابی سایش تماس)
بهبود کارایی (کاهش اصطکاک)	خط مبنا	کاهش 0.5-2٪ توان در بار کامل

هنگامی که صرفه جویی در هزینه سرمایه ناشی از حذف سیستم روغن روغن با حق بیمه سیستم AMB جبران شود، هزینه سرمایه اضافی خالص در یک کمپرسور بزرگ می تواند 50 تا 200 هزار دلار به جای 200 تا 400 هزار دلار باشد. در طول عمر عملیاتی 20 ساله با میانگین هزینه‌های نفت، صرفه‌جویی انباشته در مواد مصرفی و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده به تنهایی می‌تواند از حق بیمه اولیه سرمایه فراتر رود، قبل از اینکه باعث کاهش زمان توقف برنامه‌ریزی نشده شود.

روندهای نوظهور در فناوری بلبرینگ مغناطیسی

فن آوری بلبرینگ مغناطیسی در امتداد چندین جبهه به توسعه خود ادامه می دهد که با فشار برای راندمان بالاتر، هزینه کمتر و کاربردهای گسترده هدایت می شود.

الکترونیک قدرت با فاصله وسیع

تقویت‌کننده‌های قدرت AMB که با ترانزیستورهای کاربید سیلیکون (SiC) یا نیترید گالیم (GaN) ساخته شده‌اند، می‌توانند در فرکانس‌های بالاتری نسبت به طرح‌های مبتنی بر سیلیکون سوئیچ کنند و جریان امواج خروجی را که باعث گرم شدن روتور می‌شود، کاهش دهند. فرکانس سوئیچینگ بالاتر همچنین پهنای باند کنترل سریع‌تری را ممکن می‌سازد و توانایی بلبرینگ را برای رد اختلالات فرکانس بالا بهبود می‌بخشد. چندین تولید کننده کنترلر AMB در نسل های فعلی محصول خود به تقویت کننده های مبتنی بر SiC رفته اند.

یکپارچه سازی دوقلو دیجیتال

سیستم کنترل AMB در حال حاضر داده های پیوسته با سرعت بالا را در مورد موقعیت روتور، جریان های بلبرینگ و ارتعاش جمع آوری می کند. با اتصال این جریان داده به یک مدل دوقلوی دیجیتال از روتور و فرآیند، اپراتورها می‌توانند وضعیت دینامیکی واقعی دستگاه را به صورت بلادرنگ نظارت کنند، عیوب در حال توسعه را هفته‌ها قبل از ظاهر شدن در پایش ارتعاش معمولی تشخیص دهند و تعمیر و نگهداری را با دقت برنامه‌ریزی کنند. پلتفرم‌های صنعتی اینترنت اشیا از شرکت‌هایی مانند GE Vernova و Siemens در حال ادغام جریان‌های داده AMB در معماری‌های تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده در سطح کارخانه هستند.

یاتاقان های مغناطیسی ابررسانا

مواد ابررسانا با دمای بالا (HTS) می توانند به عنوان یاتاقان های مغناطیسی غیرفعال از طریق پینینگ شار عمل کنند - مکانیزم فیزیکی که شناور پایدار را بدون هیچ گونه کنترل فعال یا مصرف انرژی فراهم می کند. یاتاقان‌های HTS برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی چرخ طیار توسعه داده می‌شوند، جایی که توانایی شناور کردن روتور چرخ فلایویل سنگین با تلفات بلبرینگ اساساً صفر، کارایی رفت و برگشت را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. توسعه در موسسات تحقیقاتی از جمله دانشگاه هیوستون و توسعه دهندگان تجاری در آلمان و ژاپن ادامه دارد. الزامات سرمایش برودتی (نیتروژن مایع در 77K) یک چالش عملی برای پذیرش گسترده است.

طرح های یکپارچه بلبرینگ-موتور

در برخی از کاربردهای فشرده با سرعت بالا - توربو کمپرسورهای کوچک، مته‌های دندانپزشکی، توربین‌های میکرو گاز - خط بین یاتاقان مغناطیسی و موتور الکتریکی در حال حل شدن است. طراحی‌های موتور بدون یاتاقان از یک مجموعه واحد از سیم‌پیچ‌های استاتور برای تولید همزمان گشتاور موتور و نیروی باربری شعاعی استفاده می‌کنند که توسط اجزای جریان جداگانه کنترل می‌شود. این امر فضای محوری اشغال شده توسط استاتورهای یاتاقان جداگانه را حذف می کند و پیکربندی روتور فشرده تری را امکان پذیر می کند. تحقیقات در مورد فناوری موتور بدون یاتاقان در ETH زوریخ، MIT و توسعه دهندگان تجاری در ژاپن و اروپا فعال است.

سوالات متداول در مورد بلبرینگ های مغناطیسی

در صورت قطع برق برای یاتاقان مغناطیسی چه اتفاقی می افتد؟

وقتی برق به یک یاتاقان مغناطیسی فعال از دست می‌رود، روتور روی یاتاقان‌های کمکی (تاچ داون) می‌افتد. این یاتاقان های غلتشی با فاصله کمی نسبت به شکاف یاتاقان مغناطیسی هستند. آنها به گونه ای طراحی شده اند که به طور ایمن از روتور با سرعت کامل پشتیبانی می کنند و به آن اجازه می دهند بدون تماس با قطب های آهنربا به سمت پایین بچرخند. رویداد افت کنترل می شود و دستگاه روی یاتاقان های تاچ داون قرار می گیرد. هر سیستم AMB باید شامل یاتاقان های تاچ داون باشد و هر نصبی باید دارای یک منبع تغذیه اضطراری (UPS) باشد تا به جای افت فوری، برق را برای یک توالی پایین کنترل شده منظم تامین کند، که سایش یاتاقان های تاچ داون را به حداقل می رساند.

آیا یک یاتاقان مغناطیسی می تواند بارهای مشابهی را تحمل کند که یک یاتاقان معمولی نورد با اندازه معادل؟

به طور کلی، خیر. یاتاقان های مغناطیسی ظرفیت بار کمتری در واحد قطر بلبرینگ نسبت به یاتاقان های عنصر نورد یا فیلم سیال دارند. یک یاتاقان غلتشی با سوراخ 100 میلی متری ممکن است بار استاتیکی چند صد کیلونیوتن را تحمل کند. یک یاتاقان مغناطیسی با قطر خارجی مشابه، بسته به طراحی آهنربای الکترومغناطیسی و اتلاف توان مجاز، ممکن است 10-30 کیلو نیوتن را پشتیبانی کند. به همین دلیل است که یاتاقان‌های مغناطیسی به ندرت در کاربردهایی که به بارهای شعاعی بالا در سرعت‌های متوسط نیاز دارند استفاده می‌شوند - مزیت آنها در سرعت بالا، دقت، حساسیت به آلودگی یا عملیات بدون تعمیر و نگهداری است، نه ظرفیت بار خام. روتورهای سیستم های یاتاقان مغناطیسی باید از ابتدا با در نظر گرفتن این محدودیت بار طراحی شوند.

یاتاقان مغناطیسی فعال چقدر دوام می آورد؟

اجزای استاتور و روتور یاتاقان مغناطیسی - لایه لایه ها، سیم پیچ ها و محفظه ها - قطعات سایشی نیستند و در عملکرد عادی عمر خستگی مشخصی ندارند، زیرا هیچ تماسی بین آنها وجود ندارد. اجزای سایش محدود کننده، یاتاقان های تاچ داون هستند که معمولاً هر 3 تا 5 سال یکبار یا پس از تعداد معینی از افت روتور، طبق یک برنامه پیشگیرانه تعویض می شوند. عمر مفید لوازم الکترونیکی (تقویت کننده های قدرت، بردهای کنترلر) 10 تا 15 سال است و در صورت نیاز، تعمیر در سطح قطعه یا تعویض برد وجود دارد. گزارش های میدانی از تاسیسات خط لوله و کمپرسور فرآیند نشان می دهد که ماشین آلات یاتاقان مغناطیسی بیش از 20 سال با سخت افزار اصلی یاتاقان در حال خدمت، تنها با یاتاقان های تاچ داون و تعمیر و نگهداری الکترونیک کار کرده است.

آیا یک یاتاقان مغناطیسی برای استفاده در اتمسفرهای انفجاری (مناطق ATEX/IECEx) مناسب است؟

بله، سیستم های بلبرینگ مغناطیسی را می توان در مناطق خطرناک طبقه بندی شده ATEX/IECEx استفاده کرد. الکترومغناطیس و حسگرهای داخل محفظه یاتاقان در تماس با گاز فرآیند هستند و این اجزا را می توان برای استفاده در محیط های گاز قابل اشتعال طراحی و ارزیابی کرد. کابینه کنترل و تقویت کننده های برق معمولاً در خارج از منطقه خطرناک در یک اتاق امن قرار دارند و توسط کابل های غربال شده به یاتاقان متصل می شوند. این جداسازی الکترونیک فعال از ناحیه خطرناک یک روش استاندارد در تاسیسات فشرده سازی گاز طبیعی است. کاربران باید بررسی کنند که پیکربندی محصول خاص ارزیابی منطقه خطرناک مناسب را برای منطقه و گروه گاز آنها دارد.

تفاوت بین یاتاقان مغناطیسی و شناور مغناطیسی (maglev) چیست؟

هر دو از نیروهای مغناطیسی کنترل شده برای معلق کردن یک جسم بدون تماس استفاده می کنند، اما کاربردها و مقیاس ها متفاوت است. سیستم‌های حمل‌ونقل Maglev کل وسیله‌ی نقلیه قطار را در امتداد راهنما حرکت می‌دهند و به زیرساخت‌های الکترومغناطیسی خطی در مقیاس بزرگ نیاز دارند. یاتاقان‌های مغناطیسی از شفت‌های دوار در ماشین‌ها - کمپرسورها، توربین‌ها، دوک‌ها، فلایویل‌ها - پشتیبانی می‌کنند و جزء یک ماشین بزرگ‌تر هستند تا یک سیستم حمل‌ونقل به خودی خود. اصول اساسی فیزیک و کنترل ارتباط نزدیکی با هم دارند. در واقع، تحقیقات یاتاقان مغناطیسی فعال مستقیماً به روش‌های کنترلی مورد استفاده در سیستم‌های ریلی تجاری مدرن مانند خط ترانس‌راپید شانگهای و SCMaglev ژاپنی کمک کرد. در سطح عملکردی، یک یاتاقان مغناطیسی اساساً یک سیستم مغناطیسی است که بر روی یک محور چرخشی در محفظه دستگاه اعمال می شود.

آیا بلبرینگ های مغناطیسی را می توان به ماشین آلات دوار موجود مجهز کرد؟

مقاوم سازی از نظر فنی امکان پذیر است اما به کار مهندسی قابل توجهی نیاز دارد. روتور باید اصلاح یا جایگزین شود تا ژورنال های فرود یاتاقان با مواد و هندسه مناسب اضافه شود، و محفظه یاتاقان باید دوباره طراحی شود تا استاتورهای مغناطیسی، سنسورها و یاتاقان های کمکی را در خود جای دهد. دینامیک روتور با سختی یاتاقان‌ها و ویژگی‌های میرایی جدید تغییر خواهد کرد، بنابراین یک تحلیل کامل روتور دینامیکی و ارزیابی مجدد سرعت‌های بحرانی مورد نیاز است. در برخی موارد، طراحی روتور موجود با مقاوم سازی یاتاقان مغناطیسی سازگار است. در برخی دیگر، یک روتور جدید مورد نیاز است. چندین شرکت - از جمله Waukesha Bearings و SKF Magnetic Mechatronics - پروژه‌های مقاوم‌سازی را روی کمپرسورهای گریز از مرکز انجام داده‌اند و مطالعات موردی منتشر شده از مجموعه مقالات سمپوزیوم Turbomachinery و Pump (دانشگاه A&M تگزاس) در دسترس است.

دما چگونه بر عملکرد بلبرینگ مغناطیسی تأثیر می گذارد؟

دما به طرق مختلف بر چندین جزء یک سیستم یاتاقان مغناطیسی تأثیر می گذارد. چگالی شار باقیمانده آهنرباهای دائمی با افزایش دما کاهش می یابد - این یک محدودیت طراحی اولیه برای یاتاقان های هیبریدی با استفاده از آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب است که می تواند ظرفیت نیروی قابل توجهی را در دماهای بالاتر از 150 درجه سانتی گراد از دست بدهد. عایق سیم پیچ در سیم پیچ های آهنربای الکترومغناطیسی یک حد درجه حرارت بالایی را برای استاتور بلبرینگ تعیین می کند. عایق کلاس H یا کلاس N درجه حرارت بالا این را به ترتیب تا 180 درجه سانتیگراد یا 200 درجه سانتیگراد افزایش می دهد. مواد ورقه ورقه فرومغناطیسی با نزدیک شدن به دمای کوری خود (حدود 770 درجه سانتیگراد برای آهن) نفوذپذیری خود را از دست می دهند و نیروی باربری را در دماهای بسیار بالا کاهش می دهند. در پایین ترین سطح، عملیات برودتی در دمای نیتروژن مایع یا هلیوم مایع امکان پذیر است - توربو انبساط در کارخانه های جداسازی هوا و تاسیسات LNG با یاتاقان های مغناطیسی در دمای گاز فرآیند برودتی کار می کنند.

کدام صنایع در حال حاضر بزرگترین استفاده کننده از فناوری بلبرینگ مغناطیسی هستند؟

با حجم پایه نصب شده، بخش فشرده سازی نفت و گاز / گاز طبیعی بزرگترین کاربر صنعتی یاتاقان های مغناطیسی فعال در توربوماشین های بزرگ است. تجهیزات خلاء برای تولید نیمه هادی بزرگترین کاربر بر حسب تعداد واحد است. تهویه مطبوع ساختمان بخش رو به رشدی است که با پذیرش چیلرهای یاتاقان مغناطیسی توسط برندهای بزرگ هدایت می شود. دستگاه‌های پزشکی - به‌ویژه دستگاه‌های کمک قلبی قابل کاشت - بازاری کوچک اما با ارزش است که در آن این فناوری به استاندارد بالینی مراقبت برای پشتیبانی پیشرفته نارسایی قلبی تبدیل شده است. ذخیره انرژی از طریق فلایویل ها یک بخش نوظهور با تاسیسات رو به رشد در تنظیم فرکانس شبکه است.

منوی وب

جستجوی محصول

زبان

به اشتراک بگذارید

خروج از منو

news