Contactloze magnetische lagers: apparaat, mogelijkheden, voor- en nadelen

Over magnetische lagers of contactloze ophangingen gesproken, we kunnen niet om hun opmerkelijke eigenschappen heen: geen smering nodig, geen wrijvende delen, dus geen wrijvingsverliezen, extreem laag trillingsniveau, hoge relatieve snelheid, laag energieverbruik, automatische controle en lagerbewaking systeem, afdichtingsvermogen.

Al deze voordelen maken magnetische lagers tot de beste oplossing voor vele toepassingen: voor gasturbines, voor cryogene technologie, in snelle elektrische generatoren, voor vacuümapparaten, voor verschillende metaalsnijmachines en andere apparatuur, waaronder hoge precisie en hoge snelheid (ongeveer 100.000 tpm), waarbij de afwezigheid van mechanische verliezen, storingen en fouten belangrijk is.

In principe worden magnetische lagers ingedeeld in twee typen: passieve en actieve magnetische lagers. Er worden passieve magnetische lagers vervaardigd gebaseerd op permanente magneten, maar deze benadering is verre van ideaal en wordt daarom zelden gebruikt.Meer flexibele en bredere technische mogelijkheden worden geopend met actieve lagers, waarbij een magnetisch veld wordt gecreëerd door wisselstromen in de draadwikkelingen.

Hoe het contactloze magnetische lager werkt

De werking van een actieve magnetische ophanging of lager is gebaseerd op het principe van elektromagnetische levitatie — levitatie met behulp van elektrische en magnetische velden. Hier vindt de rotatie van de as in het lager plaats zonder fysiek contact van de oppervlakken met elkaar. Om deze reden is smering volledig uitgesloten en is mechanische slijtage nog steeds afwezig. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en efficiëntie van de machines.

Deskundigen wijzen ook op het belang van het bewaken van de positie van de rotoras. Het sensorsysteem bewaakt continu de positie van de as en geeft signalen aan het automatische regelsysteem voor nauwkeurige positionering door het positioneringsmagneetveld van de stator aan te passen - de aantrekkingskracht aan de gewenste zijde van de as wordt versterkt of verzwakt door de stroom in de statorwikkelingen van de actieve lagers.

Twee conische actieve lagers of twee radiale en één axiale actieve lagers zorgen ervoor dat de rotor contactloos letterlijk in de lucht hangt. Het cardanische besturingssysteem werkt continu, het kan digitaal of analoog zijn. Dit zorgt voor een hoge retentiekracht, een hoog draagvermogen en instelbare stijfheid en schokdemping. Dankzij deze technologie kunnen de lagers werken bij lage en hoge temperaturen, in vacuüm, bij hoge snelheden en in omstandigheden met verhoogde steriliteitseisen.

Actief contactloos magnetisch lagerapparaat

Uit het bovenstaande is duidelijk dat de belangrijkste onderdelen van het actieve magnetische ophangsysteem zijn: magnetische lagering en automatisch elektronisch regelsysteem. De elektromagneten werken de hele tijd van verschillende kanten op de rotor en hun werking is ondergeschikt aan een elektronisch regelsysteem.

De radiaal magneetgelagerde rotor is voorzien van ferromagnetische platen, waarop een remanent magnetisch veld van de statorwikkelingen inwerkt, waardoor de rotor in het midden van de stator hangt zonder deze te raken.Inductieve sensoren bewaken de positie van de stator. altijd de rotor. Elke afwijking van de juiste positie resulteert in een signaal dat naar de controller wordt gestuurd om de rotor terug in de gewenste positie te brengen. De radiale speling kan tussen 0,5 en 1 mm liggen.

Een magnetisch steunlager functioneert op een vergelijkbare manier. Aan de as van de tractieschijf zijn ringvormige elektromagneten bevestigd. De elektromagneten bevinden zich op de stator. Axiale sensoren bevinden zich aan de uiteinden van de as.

Om de rotor van de machine betrouwbaar vast te houden tijdens het stoppen of op het moment dat het retentiesysteem uitvalt, worden veiligheidskogellagers gebruikt, die zo zijn bevestigd dat de opening tussen hen en de as gelijk is aan de helft van die van het magnetische lager .

Het automatische besturingssysteem bevindt zich in de kast en is verantwoordelijk voor de juiste modulatie van de stroom die door de elektromagneten vloeit in overeenstemming met de signalen van de rotorpositiesensoren. Het vermogen van de versterkers is gerelateerd aan de maximale sterkte van de elektromagneten, de grootte van de luchtspleet en de reactietijd van het systeem op een verandering in de positie van de rotor.

Mogelijkheden voor contactloze magnetische lagers

De maximaal mogelijke rotorsnelheid in een radiaal magnetisch lager wordt alleen beperkt door het vermogen van de ferromagnetische rotorplaten om de middelpuntvliedende kracht te weerstaan. Gewoonlijk is de limiet voor omtreksnelheid 200 m / s, terwijl voor axiale magnetische lagers de limiet wordt beperkt door de weerstand van het gegoten staal van de stop - 350 m / s met gewone materialen.

De toegepaste ferromagneten bepalen tevens de maximale belasting die een lager kan weerstaan ​​bij de bijbehorende lagerstatordiameter en -lengte. Voor standaardmaterialen is de maximale druk 0,9 N / cm2, wat minder is dan die van conventionele contactlagers, maar het belastingsverlies kan worden gecompenseerd door een hoge omtreksnelheid met een grotere asdiameter.

Het stroomverbruik van het actieve magnetische lager is niet erg hoog. De grootste verliezen in het lager zijn te wijten aan wervelstromen, maar dit is tien keer minder dan de energie die verloren gaat bij het gebruik van conventionele lagers in machines. Met uitzondering van koppelingen, thermische barrières en andere apparaten, werken de lagers effectief in vacuüm, helium, zuurstof, zeewater en meer. Het temperatuurbereik is van -253°C tot +450°C.

Relatieve nadelen van magnetische lagers

Ondertussen hebben magnetische lagers ook nadelen.

Allereerst is het noodzakelijk om extra veiligheidsrollagers te gebruiken, die maximaal twee storingen kunnen weerstaan, waarna ze moeten worden vervangen door nieuwe.

Ten tweede, de complexiteit van het automatische besturingssysteem, dat, als het faalt, complexe reparaties vereist.

Ten derde stijgt de temperatuur van de lagerstatorwikkeling bij hoge stromen - de wikkelingen worden warm en hebben hun eigen koeling nodig, bij voorkeur vloeistofkoeling.

Ten slotte is het materiaalverbruik van een contactloos lager hoog omdat het lageroppervlak groot moet zijn om voldoende magnetische kracht te ondersteunen - de statorkern van het lager is groot en zwaar. Plus het fenomeen van magnetische verzadiging.

Maar ondanks de ogenschijnlijke nadelen worden magnetische lagers nu veel gebruikt, ook in zeer nauwkeurige optische systemen en in laserinstallaties. Hoe dan ook, sinds het midden van de vorige eeuw zijn magnetische lagers steeds beter geworden.