Magnetiske lejer: typer, hvordan det virker og nøgleapplikationer

Når strømmen går tabt til et aktivt magnetisk leje, falder rotoren ned på hjælpelejerne (touchdown). Disse er rullelejer med en lille spillerum i forhold til den magnetiske lejespalte. De er designet til sikkert at understøtte rotoren ved fuld hastighed og tillade den at snurre ned uden kontakt med elektromagnetens poler. Drophændelsen styres, og maskinen kommer til at hvile på touchdown-lejerne. Hvert AMB-system er forpligtet til at inkludere touchdown-lejer, og hver installation bør omfatte en uafbrydelig strømforsyning (UPS) for at levere strøm til en velordnet styret nedslidningssekvens snarere end et øjeblikkeligt fald, hvilket minimerer slid på touchdown-lejerne.

Generelt nej. Magnetiske lejer har en lavere belastningskapacitet pr. enhed af lejediameter end rullelejer eller væskefilmlejer. Et rulleleje med en boring på 100 mm kan understøtte en statisk belastning på flere hundrede kN; et magnetisk leje med lignende ydre diameter understøtter måske 10-30 kN afhængigt af elektromagnetdesignet og tilladt effekttab. Dette er grunden til, at magnetiske lejer sjældent bruges i applikationer, der kræver høje radiale belastninger ved moderate hastigheder - deres fordel er høj hastighed, præcision, forureningsfølsomhed eller vedligeholdelsesfri drift, ikke rå belastningskapacitet. Rotorer til magnetiske lejesystemer skal designes med denne belastningsbegrænsning for øje fra starten.

De magnetiske lejers stator- og rotorkomponenter - lamineringerne, spolerne og husene - er ikke sliddele og har ikke en defineret udmattelseslevetid ved normal drift, fordi der ikke er kontakt mellem dem. De begrænsende slidkomponenter er touchdown-lejerne, som udskiftes på en forebyggende tidsplan, typisk hvert 3.-5. år eller efter et specificeret antal rotorfald. Elektronikken (effektforstærkere, controllerkort) har en forventet levetid på 10-15 år, med reparation på komponentniveau eller udskiftning af kort efter behov. Feltrapporter fra rørlednings- og proceskompressorinstallationer indikerer, at magnetiske lejemaskiner har fungeret i over 20 år med den originale lejehardware i drift, med kun touchdown-lejer og elektronikvedligeholdelse.

Ja, magnetiske lejesystemer kan og bruges i ATEX/IECEx-klassificerede farlige områder. Elektromagneterne og sensorerne inde i lejehuset er i kontakt med procesgassen, og disse komponenter kan designes og vurderes til brug i brandfarlige gasmiljøer. Styreskabet og effektforstærkerne er typisk placeret uden for det farlige område i et sikkert rum, forbundet til lejet med skærmede kabler. Denne adskillelse af den aktive elektronik fra det farlige område er standardpraksis i naturgaskompressionsinstallationer. Brugere bør verificere, at den specifikke produktkonfiguration har den passende vurdering af farlige områder for deres zone og gasgruppe.

Begge bruger kontrollerede magnetiske kræfter til at svæve et objekt uden kontakt, men applikationerne og skalaerne er forskellige. Maglev-transportsystemer svæver og driver et helt togkøretøj langs en føringsvej, hvilket kræver lineær elektromagnetisk infrastruktur i stor skala. Magnetiske lejer understøtter roterende aksler i maskiner - kompressorer, turbiner, spindler, svinghjul - og er en komponent i en større maskine snarere end et transportsystem i sig selv. De underliggende fysik og kontrolprincipper er tæt beslægtede; faktisk bidrog forskning med aktive magnetiske lejer direkte til de kontrolmetoder, der blev brugt i moderne kommercielle maglev-skinnesystemer, såsom Shanghai Transrapid-linjen og den japanske SCMaglev. På det funktionelle niveau er et magnetisk leje i det væsentlige et maglev-system påført en roterende akse i et maskinhus.

Eftermontering er teknisk muligt, men kræver betydeligt ingeniørarbejde. Rotoren skal modificeres eller udskiftes for at tilføje lejetapperne med passende materiale og geometri, og lejehuset skal omdesignes, så det kan rumme elektromagnetens statorer, sensorer og hjælpelejer. Rotordynamikken vil ændre sig med den nye lejestivhed og dæmpningsegenskaber, så en fuld rotordynamisk analyse og revurdering af kritiske hastigheder er påkrævet. I nogle tilfælde er det eksisterende rotordesign kompatibelt med eftermontering af magnetiske lejer; i andre er der behov for en ny rotor. Adskillige virksomheder - herunder Waukesha Bearings og SKF Magnetic Mechatronics - har udført eftermonteringsprojekter på centrifugalkompressorer, og offentliggjorte casestudier er tilgængelige fra Turbomachinery og Pump Symposia proceduren (Texas A&M University).

Temperaturen påvirker flere komponenter i et magnetisk lejesystem på forskellige måder. Den remanente fluxtæthed af permanente magneter falder med stigende temperatur - dette er en primær designbegrænsning for hybridlejer, der bruger sjældne jordarters permanente magneter, som kan miste betydelig kraftkapacitet ved temperaturer over 150°C. Viklingsisoleringen i elektromagnetspolerne sætter en øvre temperaturgrænse for lejestatoren; højtemperaturklasse H eller klasse N isolering udvider dette til henholdsvis 180°C eller 200°C. Det ferromagnetiske lamineringsmateriale mister permeabilitet, når det nærmer sig sin Curie-temperatur (omkring 770°C for jern), hvilket reducerer lejekraften ved meget høje temperaturer. I den lave ende er kryogen drift ved flydende nitrogen eller flydende helium temperaturer mulig - turbo-ekspandere i luftseparationsanlæg og LNG-anlæg opererer med magnetiske lejer ved kryogene procesgastemperaturer.

Ud fra installeret basisvolumen er kompressionssektoren for olie og gas/naturgas den største industrielle bruger af aktive magnetiske lejer i store turbomaskiner. Vakuumudstyr til fremstilling af halvledere er den største bruger målt i enhedstal. Building HVAC er et voksende segment drevet af adoptionen af ​​magnetiske lejekølere fra store mærker. Medicinsk udstyr - specielt implanterbare hjerteassistenter - er et lille, men værdifuldt marked, hvor teknologien er blevet den kliniske standard for behandling af avanceret hjertesvigtsstøtte. Energilagring via svinghjul er et voksende segment med voksende installationer inden for netfrekvensregulering.