Кіріспе
Магниттік левитация арқылы жүктемені көтеріп тұратын подшипник, компастың көрсеткіш бұрышы. Магниттік подшипник – магниттік левитацияны пайдаланып жүктемені көтеріп тұратын подшипник түрі. Магниттік подшипниктер физикалық байланыссыз қозғалатын бөлшектерді ұстап тұрады. Мысалы, олар айналатын білікті жекеге көтеріп, өте төмен үйкеліспен және механикалық тозусыз салыстырмалы қозғалысқа мүмкіндік береді. Магниттік подшипниктер кез келген подшипник түрінің ең жоғары жылдамдығын қамтамасыз етеді және ең жоғары салыстырмалы жылдамдық шегі жоқ. Белсенді подшипниктердің бірнеше артықшылығы бар: олар тозуға ұшырамайды, төмен үйкеліске ие және массаның теңсіздіктерін автоматты түрде өңдей алады, бұл роторларға масса орталығының айналасында өте төмен дірілмен айналуға мүмкіндік береді. Пассивті магниттік подшипниктер тұрақты магниттерді қолданады, сондықтан қосымша қуат қажет етпейді, бірақ Эрншоу теоремасында сипатталған шектеулерге байланысты оларды жобалау қиын. Диамагниттік материалдарды қолдану әдістері салыстырмалы түрде жетілмеген және материалдың қасиеттеріне күшті тәуелді. Сондықтан, көптеген магниттік подшипниктер белсенді магниттік подшипниктер болып табылады, олар жүктемені тұрақты ұстау үшін үздіксіз қуат беруді және белсенді басқару жүйесін қажет ететін электромагниттерді пайдаланады. Біріктірілген конструкцияда тұрақты магниттер көбінесе статикалық жүктемені көтеру үшін қолданылады, ал белсенді магниттік подшипник левитацияланған нысан оңтайлы орнынан ауытқанда қолданылады. Магниттік подшипниктер қуат немесе басқару жүйесінің істен шығуына байланысты қосымша подшипниктерді қажет етеді. Магниттік подшипниктер электр энергиясын өндіру, мұнайды қайта өңдеу, станоктарды пайдалану және табиғи газды өңдеу сияқты көптеген өнеркәсіптік салаларда қолданылады. Олар сондай-ақ Zippe типіндегі центрифугада, уранды байытуда және турбомолекулалық сорғыларда қолданылады, онда маймен майланған подшипниктер ластану көзі болуы мүмкін.
the angle displayed by a compass
A magnetic bearing is a type of bearing that supports a load using magnetic levitation. Magnetic bearings support moving parts without physical contact. For instance, they are able to levitate a rotating shaft and permit relative motion with very low friction and no mechanical wear. Magnetic bearings support the highest speeds of any kind of bearing and have no maximum relative speed. Active bearings have several advantages: they do not suffer from wear, have low friction, and can often accommodate irregularities in the mass distribution automatically, allowing rotors to spin around their center of mass with very low vibration. Passive magnetic bearings use permanent magnets and, therefore, do not require any input power but are difficult to design due to the limitations described by Earnshaw's theorem. Techniques using diamagnetic materials are relatively undeveloped and strongly depend on material characteristics. As a result, most magnetic bearings are active magnetic bearings, using electromagnets which require continuous power input and an active control system to keep the load stable. In a combined design, permanent magnets are often used to carry the static load and the active magnetic bearing is used when the levitated object deviates from its optimum position. Magnetic bearings typically require a back up bearing in the case of power or control system failure. Magnetic bearings are used in several industrial applications such as electrical power generation, petroleum refinement, machine tool operation and natural gas handling. They are also used in the Zippe type centrifuge, for uranium enrichment and in turbomolecular pumps, where oil lubricated bearings would be a source of contamination.
Дизайн
Белсенді магниттік подшипник айналмалы өткізгіштегі едәуір токтардың индукциясына негізделген электромагниттік серпіліс принципі бойынша жұмыс істейді. Электр өткізгіш материал магнит өрісінде қозғалғанда, материалда магнит өрісінің өзгеруіне қарсы ток туындайды (бұл Ленц заңы деп аталады). Бұл ток магнит өрісіне қарама-қарсы бағытталған магнит өрісін тудырады. Осылайша, электр өткізгіш материал магниттік күзгү сияқты әрекет етеді. Жабдық құрамына электромагниттік жиынтық, электромагниттерді токпен жабдықтау үшін қуат күшейткіштерінің жиынтығы, контроллер және ротордың саңылаудағы орнын басқару үшін қажетті кері байланыс беруге арналған электроникамен жабдықталған саңылау сенсорлары кіреді. Қуат күшейткіші ротордың қарама-қарсы жақтарындағы екі жұп электромагнитке теңдей ток береді. Бұл тұрақты тартыс-тартыс күресін контроллер реттейді, ол ротор орталық позициясынан ауытқанда токтың тең және қарама-қарсы өзгерістерін жасау арқылы ауытқуды өтейді. Саңылау сенсорлары көбінесе индуктивті болып келеді және дифференциалдық режимде сезінеді. Қазіргі коммерциялық қолданыстағы қуат күшейткіштері – импульстық ендік модуляция конфигурациясында жұмыс істейтін қатты күйдегі құрылғылар. Контроллер әдетте микропроцессор немесе цифрлық сигналды өңдеуші болып табылады. Магниттік подшипниктерде әдетте екі түрлі тұрақсыздық кездеседі. Тартымды магниттер қашықтық артқан сайын азаятын және қашықтық азайған сайын артатын тұрақсыз статикалық күшті тудырады. Бұл подшипник тепе-теңдігін бұзуы мүмкін. Екіншіден, магнетизм консервативті күш болғандықтан, ол аз демпферлеуді қамтамасыз етеді; тербелістер кез келген күштердің әсерінен сәтті серпілістің жоғалуына әкелуі мүмкін.
acting as a magnetic mirror. The hardware consists of an electromagnet assembly, a set of power amplifiers which supply current to the electromagnets, a controller, and gap sensors with associated electronics to provide the feedback required to control the position of the rotor within the gap. The power amplifier supplies equal bias current to two pairs of electromagnets on opposite sides of a rotor. This constant tug of war is mediated by the controller, which offsets the bias current by equal and opposite perturbations of current as the rotor deviates from its center position. The gap sensors are usually inductive in nature and sense in a differential mode. The power amplifiers in a modern commercial application are solid state devices which operate in a pulse width modulation configuration. The controller is usually a microprocessor or digital signal processor. Two types of instabilities are typically present in magnetic bearings. Attractive magnets produce an unstable static force that decreases with increasing distance and increases at decreasing distances. This can cause the bearing to become unbalanced. Secondly, because magnetism is a conservative force, it provides little damping; oscillations may cause loss of successful suspension if any driving forces are present.
Тарих
Төмендегі кестеде белсенді магниттік подшипниктерге қатысты бірнеше алғашқы патенттер тізімделген. Магниттік серпіліске қатысты бұрынғы патенттер табылуы мүмкін, бірақ олар мұнда келтірілмейді, себебі Эрншоу теоремасына сәйкес, олар тұрақсыздығымен мәлім тұрақты магниттер жиынтығынан тұрады. + Белсенді магниттік подшипниктерге қатысты ерте АҚШ патенттері: Өнертапқышы(лары) Жылы Патент нөмірі Атауы Бимс, Холмс 1941 2,256,937 Айналмалы денелердің серпілісі Бимс 1954 2,691,306 Магниттік түрде қолдау көрсетілген айналмалы денелер Гилберт 1955 2,946,930 Магниттік серпіліс Бимс 1962 3,041,482 Бос серпілісте айналатын денелерге арналған аппарат Бимс 1965 3,196,694 Магниттік серпіліс жүйесі Вольф 1967 3,316,032 Көп фазалы магниттік серпіліс трансформаторы Boden және басқалар. 1968 DE1750602 Magnetische Lagerung (неміс патенті) Лайман 1971 3,565,495 Магниттік серпіліс аппараты Хаберманн 1973 3,731,984 Жоғары жылдамдықпен айналуға бейімделген тік осьті қолдауға арналған магниттік подшипник құрылғысы Хаберманн, Лойен, Жоли, Обер 1974 3,787,100 Магниттік подшипниктермен қолдау көрсетілген айналмалы мүшелері бар құрылғылар Хаберманн, Брюне 1977 4,012,083 Магниттік подшипниктер Хаберманн, Брюне, Леклер 1978 4,114,960 Магниттік подшипниктер үшін радиалдық орынды анықтау құрылғысы Крут, Эстель 1990 1,988,024,350 Магниттік подшипниктерді одан әрі жетілдіру Микс, Кроуфорд Р 1992 5,111,102 Магниттік подшипник конструкциясы Крут, Эстель 1994 1,991,075,982 Сызықтық емес магниттік подшипник
Вирджиния университетінен Джесси Бимс Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде белсенді магниттік подшипниктерге қатысты алғашқы патенттердің бірін тіркеген. Патенттер Манхэттен жобасы үшін қажетті элементтердің изотоптарын байытуға арналған ультрацентрифугаларға қатысты. Дегенмен, қатты күйдегі электроника мен Хаберманн мен Швайцердің жұмыстарымен қазіргі заманғы компьютерлік басқару технологиясы жетілгенге дейін магниттік подшипниктер дамымады. 1987 жылы Эстель Крут белсенді магниттік подшипник технологиясын одан әрі жетілдірді, бірақ осы жобалар лазерлік бағыттау жүйесін қолданған өндірістің жоғары құнына байланысты өндірілген жоқ. Эстель Круттың зерттеулері үш австралиялық патенттің тақырыбы болды және оны Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK және Hitachi қаржыландырды. Оның есептеулері сирек кездесетін жер магниттерін қолданатын басқа технологияларда қолданылды, бірақ белсенді магниттік подшипниктер тек прототип сатысында ғана жасалды. Круттың жобасына компьютерлік басқару жүйесі де кірді, ал соңғы жобасы сызықтық емес магниттік подшипник болды. Казарда белсенді магниттік подшипниктердің тарихын терең зерттейді. Ол белсенді магниттік подшипниктерді алғашқы коммерциялық қолдану турбомашиналарда болғандығын атап өтеді. Белсенді магниттік подшипник Канаданың Альберта штатындағы NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) газ құбыры үшін компрессорлардағы май резервуарларын жоюға мүмкіндік берді. Бұл өрт қаупін азайтып, сақтандыру шығындарын едәуір төмендетуге мүмкіндік берді. Осы магниттік подшипниктерді орнатудың табысы NGTL компаниясын американдық Magnetic Bearings Inc компаниясы ұсынған аналогты басқару жүйелерін алмастыру үшін цифрлық магниттік подшипниктерді басқару жүйесін зерттеу мен әзірлеуге бастады. 1992 жылы NGTL магниттік подшипниктер зерттеу тобы цифрлық магниттік подшипник технологиясын коммерцияландыру үшін Revolve Technologies Inc. компаниясын құрды. Кейіннен бұл компанияны Швецияның SKF компаниясы сатып алды. 1976 жылы құрылған француз компаниясы S2M коммерциялық белсенді магниттік подшипниктерді алғаш рет сатты. Вирджиния университетінде айналмалы машиналар мен басқарудың өндірістік зерттеу бағдарламасында магниттік подшипниктер туралы кеңінен зерттеулер жалғасуда. 1996 жылдан бастап басталған онжылдықта Голландияның мұнай және газ компаниясы NAM әрқайсысы 23 мегаватты ауыспалы жылдамдықты электр моторымен қозғалатын жиырма газ компрессорларын орнатқан. Әрбір агрегатта мотор мен компрессордың магниттік подшипниктері болды. Бұл компрессорлар Гроньенген газ кен орнында пайдаланылады, олар осы ірі газ кен орнындағы қалған газды шығарып, кен орнының қуатын арттырады. Мотор компрессорларын Siemens компаниясы, ал белсенді магниттік подшипниктерді Waukesha Bearings компаниясы (Dover Corporation компаниясына тиесілі) ұсынды. (Бұл подшипниктерді бастапқыда Glacier компаниясы жобалаған, кейіннен бұл компанияны Federal Mogul сатып алған және қазір Waukesha Bearings компаниясының бір бөлігі болып табылады.) Белсенді магниттік подшипниктерді пайдалану және мотор мен компрессордың арасында тікелей қозғалтқыш (араларында беріліс қорабы жоқ) және құрғақ газ пломбаларын қолдану арқылы толығымен құрғақ (майсыз) жүйеге қол жеткізілді. Белсенді магниттік подшипниктерді драйверде де, компрессорда да қолдану (дәстүрлі конфигурациядағы тісті доңғалақтар мен шарлы подшипниктерге қарағанда) салыстырмалы түрде қарапайым жүйеге, кең жұмыс диапазонына және жоғары тиімділікке, әсіресе жартылай жүктемеде әкеледі. Гроньенген кен орнында жасалғандай, толық орнатуды үлкен компрессорлық ғимарат қажеттілігінсіз сыртқа да орнатуға болады. Электрмотивтік тұрақтандыруы бар тұрақты магниттік подшипниктерге 1955 жылы Р. Г. Гилберт (АҚШ патенты 2,946,930) және 1968 жылы К. Боден, Д. Шеффер (неміс патенті 1750602) патент алған. Бұл өнертабыстар бірқатар практикалық қолданыстар үшін технологиялық базаны қамтамасыз етеді, олардың кейбіреулері 1980 жылдан бері Forschungszentrum Jülich лицензиясы бойынша өнеркәсіптік сериялық өндіріске жеткен. Микс гибридтік магниттік подшипниктерді (АҚШ патенты 5,111,102) жасады, онда тұрақты магниттер ығысу өрісін қамтамасыз етеді, ал белсенді басқару орамдары тұрақтылық пен динамикалық басқару үшін қолданылады. Тұрақты магниттерді ығысу өрісі үшін қолданатын бұл жобалар таза электромагниттік подшипниктерге қарағанда кішкені және жеңіл. Электрондық басқару жүйесі де кішкені және аз электр қуатын қажет етеді, себебі ығысу өрісі тұрақты магниттермен қамтамасыз етіледі. Қажетті компоненттердің дамуымен қатар, ғылыми қызығушылық та артты, 1988 жылы Цюрихте өткен Магниттік подшипниктерге арналған бірінші халықаралық симпозиумдағы жоғары нүктесіне жетті, содан кейін Профессор Швайцер (ETHZ), Профессор Аллер (Вирджиния университеті) және Профессор Окада (Ибараки университеті) Магниттік подшипниктердің халықаралық қоғамын құрды. Содан бері симпозиум магниттік подшипниктер технологиясы бойынша барлық симпозиум материалдары қолжетімді болатын тұрақты порталы бар екі жылдық конференциялар сериясіне айналды. Веб-портал халықаралық зерттеу және өнеркәсіптік қауымдастықпен қолдалады. 2012 жылы құрмет залына және өмір бойы жетістіктер сыйлығына ие болғандар: Профессор Ёдзи Окада, Профессор Герхард Швайцер және Waukesha Magnetic Bearings компаниясынан Майкл Суонн.
During the decade starting in 1996, the Dutch oil and gas company NAM installed twenty gas compressors, each driven by a 23 megawatt variable speed drive electric motor. Each unit was fully equipped with active magnetic bearings on both the motor and the compressor. These compressors are used in the Groningen gas field to extract the remaining gas from this large gas field and to increase the field capacity. The motor compressor design was done by Siemens and the active magnetic bearings were delivered by Waukesha Bearings (owned by Dover Corporation). (Originally these bearings were designed by Glacier, this company was later taken over by Federal Mogul and is now part of Waukesha Bearings.) By using active magnetic bearings and a direct drive between motor and compressor (without having a gearbox in between) and by applying dry gas seals, a fully dry dry (oil free) system was achieved. Applying active magnetic bearings in both the driver and in the compressor (compared to the traditional configuration using gears and ball bearings) results in a relatively simple system with a very wide operating range and high efficiencies, particularly at partial load. As was done in the Groningen field, the full installation can additionally be placed outdoors without the need for a large compressor building. Non contacting permanent magnet bearings with electromotive stabilisation were applied for patent by R. G. Gilbert in 1955 (U. S. Patent 2,946,930) and K. Boden, D. Scheffer in 1968 (German Patent 1750602). These inventions provide the technological basis for a number of practical applications, some of which have reached the stage of industrial series production under licence from Forschungszentrum Jülich since about 1980. Meeks pioneered hybrid magnetic bearing designs (US patent 5,111,102) in which permanent magnets provide the bias field and active control coils are used for stability and dynamic control. These designs using permanent magnets for bias fields are smaller and of lighter weight than purely electromagnetic bearings. The electronic control system is also smaller and requires less electrical power because the bias field is provided by the permanent magnets. As the development of the necessary components progressed, scientific interest in the field also increased, peaking in the first International Symposium on Magnetic Bearings held in 1988 in Zürich with the founding of the International Society of Magnetic Bearings by Prof. Schweitzer (ETHZ), Prof. Allaire (University of Virginia), and Prof. Okada (Ibaraki University). Since then, the symposium has developed into a biennial conference series with a permanent portal on magnetic bearing technology where all symposium contributions are made available. The web portal is supported by the international research and industrial community. Joining the hall of fame and earning lifetime achievement awards in 2012 were Prof. Yohji Okada, Prof. Gerhard Schweitzer, and Michael Swann of Waukesha Magnetic Bearings .
Болашақтағы ассигнованиялар
Индукцияға негізделген левитация жүйесін, мысалы Inductrack жүйесі сияқты магниттік көліктік технологияларда қолдану арқылы, магниттік подшипниктер Halbach тізімдері мен қарапайым жабық контурлы орамдарды пайдаланып күрделі басқару жүйелерін алмастыра алады. Бұл жүйелер қарапайымдылығымен ерекшеленеді, бірақ бұрандалы токтан болатын шығындарға қатысты кем артықшылықтары бар. Айналмалы жүйелер үшін көпполюсті Halbach құрылымдарының орнына гомополярлы магниттік конструкцияларды қолдану мүмкін, бұл шығындарды едәуір төмендетеді. Ерншоу теоремасының қиындықтарын шешкен мысал – доктор Торбьёрн Лембке ойлап тапқан гомополярлы электродинамикалық подшипник. Бұл пассивті магниттік технологияға негізделген электромагниттік подшипниктің жаңа түрі. Оның жұмыс істеуі үшін ешқандай басқару электроникасы қажет емес, себебі қозғалыс тудырған электр тоқтары қалпына келтіру күшін жасайды.