Введение
Подшипник, который поддерживает нагрузки с помощью магнитной левитации; угол, отображаемый компасом. Магнитный подшипник – это тип подшипника, который поддерживает нагрузку посредством магнитной левитации. Магнитные подшипники поддерживают движущиеся части без физического контакта. Например, они способны левитировать вращающийся вал и обеспечивают относительное движение с очень низким трением и отсутствием механического износа. Магнитные подшипники обеспечивают самые высокие скорости среди всех типов подшипников и не имеют ограничения по максимальной относительной скорости. Активные подшипники обладают рядом преимуществ: они не подвержены износу, имеют низкое трение и часто способны автоматически компенсировать неравномерность распределения массы, позволяя роторам вращаться вокруг своего центра масс с минимальной вибрацией. Пассивные магнитные подшипники используют постоянные магниты и, следовательно, не требуют внешнего питания, однако их проектирование затруднено из-за ограничений, описанных теоремой Эрншоу. Технологии, использующие диамагнитные материалы, относительно слабо развиты и сильно зависят от свойств материала. В результате большинство магнитных подшипников являются активными, использующими электромагниты, требующие постоянной подачи энергии и активной системы управления для поддержания стабильности нагрузки. В комбинированных конструкциях постоянные магниты часто используются для восприятия статической нагрузки, а активный магнитный подшипник – для стабилизации положения левитируемого объекта при отклонении от оптимального. Магнитные подшипники обычно оснащаются резервным подшипником на случай отказа электропитания или системы управления. Магнитные подшипники применяются в различных промышленных областях, таких как производство электроэнергии, нефтепереработка, работа станков и переработка природного газа. Они также используются в центрифугах типа Zippe для обогащения урана и в турбомолекулярных насосах, где смазываемые маслом подшипники могут стать источником загрязнения.
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
Активный магнитный подшипник работает по принципу электромагнитной подвески, основанной на индукции вихревых токов во вращающемся проводнике. Когда электрически проводящий материал движется в магнитном поле, в материале генерируется ток, противодействующий изменению магнитного поля (это явление известно как закон Ленца). Этот ток создает магнитное поле, ориентированное противоположно полю магнита. Таким образом, проводящий материал действует как магнитное зеркало. Аппаратное обеспечение состоит из электромагнитной сборки, набора усилителей мощности, подающих ток в электромагниты, контроллера и датчиков зазора с соответствующей электроникой, обеспечивающей обратную связь, необходимую для управления положением ротора в зазоре. Усилитель мощности подает равный ток смещения двум парам электромагнитов, расположенных по обе стороны от ротора. Эта постоянная борьба сил регулируется контроллером, который компенсирует ток смещения равными и противоположными изменениями тока при отклонении ротора от центрального положения. Датчики зазора обычно индуктивные и работают в дифференциальном режиме. В современных коммерческих применениях усилители мощности представляют собой твердотельные устройства, работающие в режиме широтно-импульсной модуляции. Контроллер обычно представляет собой микропроцессор или цифровой сигнальный процессор. В магнитных подшипниках обычно проявляются два типа нестабильности. Притягивающие магниты создают нестабильную статическую силу, которая уменьшается с увеличением расстояния и увеличивается с его уменьшением. Это может привести к дисбалансу подшипника. Во-вторых, поскольку магнетизм является консервативной силой, он обеспечивает слабую демпфирующую способность; колебания могут привести к потере стабильной подвески при наличии внешних воздействующих сил.
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.
История
В таблице ниже перечислены несколько ранних патентов на активные магнитные подшипники. Ранее патенты на магнитные подвесы можно найти, но они исключены здесь, поскольку они состоят из сборок постоянных магнитов с проблемной стабильностью согласно теореме Эрншоу. + Ранние патенты США на активные магнитные подшипники Изобретатель(и) Год Номер патента Название Бимс, Холмс 1941 2 256 937 Подвеска вращающихся тел Бимс 1954 2 691 306 Магнитно поддерживаемые вращающиеся тела Гилберт 1955 2 946 930 Магнитная подвеска Бимс 1962 3 041 482 Аппарат для вращения свободно подвешенных тел Бимс 1965 3 196 694 Магнитная подвесная система Вольф 1967 3 316 032 Многофазный магнитный подвесной трансформатор Боден и др. 1968 DE1750602 Magnetische Lagerung (немецкий патент) Лайман 1971 3,565,495 Магнитный подвесной аппарат Хаберманн 1973 3,731,984 Магнитный подшипник – блочное устройство для поддержки вертикального вала, адаптированное для вращения на высокой скорости Хаберманн, Лойен, Жоли, Обер 1974 3,787,100 Устройства, включающие вращающиеся элементы, поддерживаемые магнитными подшипниками Хаберманн, Брюне 1977 4,012,083 Магнитные подшипники Хаберманн, Брюне, Леклер 1978 4,114,960 Радиальный датчик смещения для магнитных подшипников Крот, Эстель 1990 1,988,024,350 Дальнейшие улучшения в магнитных подшипниках Микс, Кроуфорд Р. 1992 5,111,102 Конструкция магнитного подшипника Крот, Эстель 1994 1,991,075,982 Нелинейный магнитный подшипник
Джесси Бимс из Университета Вирджинии подал некоторые из первых патентов на активные магнитные подшипники во время Второй мировой войны. Патенты касались ультрацентрифуг, предназначенных для обогащения изотопов элементов, необходимых для Манхэттенского проекта. Однако магнитные подшипники не получили развития до появления достижений в твердотельной электронике и современной компьютерной технологии управления благодаря работам Хаберманна и Швайцера. В 1987 году Эстель Крот усовершенствовала технологию активных магнитных подшипников, но эти конструкции не были запущены в производство из-за высоких производственных затрат, связанных с использованием системы лазерного наведения. Исследования Эстель Крот были предметом трех австралийских патентов и финансировались компаниями Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK и Hitachi, а ее расчеты использовались в других технологиях, использующих редкоземельные магниты, но активные магнитные подшипники были разработаны только до стадии прототипа. В конструкцию Крот также входила передовая компьютеризированная система управления, а последняя конструкция представляла собой нелинейный магнитный подшипник. Казарда подробно рассматривает историю активных магнитных подшипников. Она отмечает, что первое коммерческое применение активных магнитных подшипников было в турбомашинах. Активный магнитный подшипник позволил отказаться от масляных резервуаров на компрессорах для газопроводов NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) в Альберте, Канада. Это снизило пожароопасность и позволило существенно сократить страховые взносы. Успех этих установок с магнитными подшипниками побудил NGTL к разработке и исследованию цифровой системы управления магнитными подшипниками в качестве замены аналоговым системам управления, поставляемым американской компанией Magnetic Bearings Inc. В 1992 году исследовательская группа NGTL по магнитным подшипникам создала компанию Revolve Technologies Inc. для коммерциализации технологии цифровых магнитных подшипников. Позже компания была приобретена шведской SKF. Французская компания S2M, основанная в 1976 году, первой начала коммерческое производство активных магнитных подшипников. В течение десятилетия, начиная с 1996 года, голландская нефтегазовая компания NAM установила двадцать газовых компрессоров, каждый из которых приводился в действие электродвигателем с переменной скоростью мощностью 23 МВт. Каждый агрегат был полностью оснащен активными магнитными подшипниками как на двигателе, так и на компрессоре. Эти компрессоры используются на газовом месторождении Гронинген для извлечения оставшегося газа из этого крупного месторождения и увеличения его мощности. Конструкция компрессора двигателя была выполнена компанией Siemens, а активные магнитные подшипники были поставлены компанией Waukesha Bearings (принадлежащей Dover Corporation). (Первоначально эти подшипники были разработаны компанией Glacier, которая позже была приобретена Federal Mogul и теперь является частью Waukesha Bearings.) Используя активные магнитные подшипники и прямой привод между двигателем и компрессором (без промежуточной коробки передач) и применяя сухие газовые уплотнения, была достигнута полностью сухая (безмасляная) система. Применение активных магнитных подшипников как в приводе, так и в компрессоре (по сравнению с традиционной конфигурацией с использованием шестерен и шарикоподшипников) приводит к относительно простой системе с широким диапазоном рабочих режимов и высокой эффективностью, особенно при частичной нагрузке. Как это было сделано на месторождении Гронинген, вся установка может быть дополнительно размещена на открытом воздухе без необходимости в большом здании компрессорной станции. Патенты на бесконтактные постоянные магнитные подшипники с электромагнитной стабилизацией были поданы Р. Г. Гилбертом в 1955 году (патент США 2 946 930) и К. Боденом, Д. Шеффером в 1968 году (немецкий патент 1750602). Эти изобретения обеспечили технологическую основу для ряда практических применений, некоторые из которых достигли стадии серийного производства по лицензии Forschungszentrum Jülich с примерно 1980 года. Микс разработал гибридные конструкции магнитных подшипников (патент США 5 111 102), в которых постоянные магниты обеспечивают предварительное усилие, а активные управляющие катушки используются для стабильности и динамического управления. Эти конструкции с использованием постоянных магнитов для создания предварительного усилия меньше и легче, чем чисто электромагнитные подшипники. Электронная система управления также меньше и требует меньше электроэнергии, поскольку предварительное усилие обеспечивается постоянными магнитами. По мере развития необходимых компонентов также возрос научный интерес к этой области, достигнув пика на первом Международном симпозиуме по магнитным подшипникам, состоявшемся в 1988 году в Цюрихе, с основанием Международного общества магнитных подшипников профессором Швайцером (ETHZ), профессором Аллером (Университет Вирджинии) и профессором Окадой (Университет Ибараки). С тех пор симпозиум превратился в двухлетнюю конференцию с постоянным порталом по технологии магнитных подшипников, где доступны все материалы симпозиума. Веб-портал поддерживается международным исследовательским и промышленным сообществом. В 2012 году в зал славы и за выдающиеся достижения были внесены профессор Ёдзи Окада, профессор Герхард Швайцер и Майкл Сванн из Waukesha Magnetic Bearings.
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 .
Будущие авансы
С использованием системы левитации на основе индукции, применяемой в магнитных технологиях, таких как система Inductrack, магнитные подшипники могут заменить сложные системы управления, используя массивы Халбаха и простые катушки с обратной связью. Эти системы выигрывают в простоте, но менее эффективны с точки зрения потерь на вихревые токи. Для вращающихся систем возможно использование однополюсных магнитных конструкций вместо многополюсных структур Халбаха, что значительно снижает потери. Примером решения проблем, связанных с теоремой Эрншоу, является гомополярный электродинамический подшипник, изобретенный доктором Торбьёрном Лембке. Это новый тип электромагнитного подшипника, основанный на пассивной магнитной технологии. Он не требует электронной аппаратуры управления и работает благодаря восстанавливающей силе, возникающей из-за электрических токов, генерируемых движением.