Активните магнитни лагери (AMB) представляват уникални предимства пред конвенционалните ролкови или флуидни филмови лагери при проектирането на високоскоростни въртящи се машини, като турбини, компресори, органични системи на Rankine Cycle и системи за съхранение на енергия на маховици. За разлика от конвенционалните лагери, AMB окачват ротора на целта в магнитно поле. Резултатът е безконтактна опорна система на ротора с изключително ниско триене и липса на контактно износване.

В тази статия ще дадем опростено обяснение как работят активните магнитни лагери и ще обсъдим ползите и предизвикателствата от внедряването на AMB.

Как работят AMB

Магнитните лагери са устройства, използвани за левитация на обекти с помощта на магнитни сили. Някои магнитни лагери осигуряват пълна безконтактна опора на обект, докато други осигуряват само частична опора, работеща заедно с по-конвенционални механични лагери.

Докато са разработени голямо разнообразие от магнитни лагери, досега само един тип е широко приет в индустрията - активни магнитни лагери. Това е така, защото AMB могат да упражняват сили с по-висока плътност върху повърхности на поддържани обекти, отколкото всеки друг тип магнитни лагери. Те могат да работят и в по-широк кръг среди и техните свойства могат да бъдат силно конфигурирани чрез софтуерни параметри. Текущите драматични подобрения в цифровите сигнални процесори (DSP) позволяват по-бърза производителност, интегриране на важни периферни функции и намаляване на разходите, което допълнително повишава тяхната търговска привлекателност.

Основният принцип на работа на AMB е много прост. Известно е, че железен обект е привлечен от постоянен магнит или електромагнит (електрическа намотка, навита около железно ядро). Например, Фигура 1 показва железен обект, който ще бъде привлечен към електромагнит, разположен до него, когато последният се захранва с ток. Имайте предвид, че силата между електромагнита и железния обект винаги е привлекателна - тя не може да бъде отблъскваща.

магнитни
Кредит за изображение: Calnetix

Издърпващата сила, упражнявана от електромагнита върху обекта, зависи от два параметъра: тока в електромагнита и разстоянието между обекта и електромагнита. За да постигнат стабилна левитация, AMB използват безконтактни сензори за положение, за да наблюдават положението на вала и да подават тази информация обратно в система за управление. Контролерът на магнитния лагер (MBC) използва тази обратна връзка, за да регулира необходимия ток към магнитен задвижващ механизъм, за да поддържа правилното положение на ротора.

Фигура 2 показва просто изображение на пълен радиален лагер, който може да се използва за поддържане на вала на въртяща се машина. Има две управляващи оси (X и Y), като всяка ос има двойка електромагнити, които издърпват ротора в противоположни посоки. Всички индустриални AMB използват пристрастия, за да линеаризират силовата текуща връзка на задвижващия механизъм. Пристрастието се генерира в лагера на фигура 2 чрез преминаване на постоянен ток на отклонение през всички намотки. MBC добавя контролен ток, за да регулира нетния ток нагоре или надолу от нивото на отклонение, ако е необходимо, за да поддържа желаната позиция.

Кредит за изображение: Calnetix

Предимства на AMB

Няма физически контакт между въртящи се и неподвижни компоненти в AMB система, така че триенето и износването са сведени до минимум. Тъй като няма нужда от смазване, системите AMB практически не изискват поддръжка, намалявайки първоначалната капиталова инвестиция, както и оперативните и поддръжката разходи. Техните ниски загуби на мощност позволяват на машините да постигат по-високи скорости на работа, по-висока ефективност и по-дълъг живот на машината в сравнение с конвенционалните лагери. AMB също могат да се използват в тежки условия на околната среда, включително изключително ниски температури, нулева гравитация и корозивна среда.

Графичният потребителски интерфейс (GUI) обикновено се доставя с търговски AMB, за да осигури достъп до много функции, вградени в контролния фърмуер, като калибриране, мониторинг на състоянието, регистриране на данни и отстраняване на неизправности. Динамичните свойства, като твърдост и амортизация, могат лесно да бъдат измерени и лесно променени чрез взаимодействие между GUI и AMB фърмуера. За разлика от това, при конвенционалните лагери промяната на динамичните свойства обикновено изисква цялостно препроектиране, преработка, повторно тестване и повторно инсталиране.

В допълнение, високата статична твърдост на AMB осигурява по-прецизен контрол над номиналния център на вала под товар, а AMB позволяват синхронни схеми за отхвърляне на силата (синхронно отменяне), които практически премахват предаването на силите на дисбаланса на ротора към външната конструкция.

Предизвикателства и решения

Има някои присъщи загуби в AMB. Радиалната магнитна сила, упражнявана върху ротор от AMB, става по-слаба, когато роторът се върти с достатъчно висока скорост. Това е така, защото роторът, обикновено направен от проводим мекомагнитен материал, произвежда индуцирани вихрови токове при въртене в неравномерното магнитно поле, необходимо за индуциране на радиална сила.

За да се намалят вихровите токове в ротора и впоследствие загубата на някакъв капацитет на радиална сила, част от ротора обикновено е направена от електрически изолирани стоманени ламинации. По-тънките слоеве намаляват вихровите токове и по този начин намаляват загубата на сила при дадена скорост на въртене. Загубата на радиална сила зависи също от честотата на магнитното поле, което роторът вижда, когато се върти, или за дадена скорост на центрофугиране, от пространствената честота на разпределението на полето около ротора. Например, магнитен лагер с разпределение на магнитното поле, имащ четири циклични промени около ротора (Фигура 2), ще има по-малка товароносимост при дадена скорост от подобен магнитен лагер с разпределение на магнитното поле, имащ само една циклична промяна.

Оптималното решение за тези загуби е да се използва хомополярна технология, при която разпределението на полето има само една циклична промяна около ротора и само когато роторът е подложен на радиално натоварване, за разлика от хетерополярните конструкции, при които разпределението на магнитното поле около ротора има поне четири циклични промени. Хомополярен задвижващ механизъм е показан на Фигура 3. Потокът на отклонението в този задвижващ механизъм се генерира от аксиално поляризирани постоянни магнити, разположени около обиколката на електромагнита. Потокът на отклонението се влива в шахтата през мъртъв (твърд, неконтролиран) полюс и се връща през ламиниран път в електромагнита. В тази хомополярна топология потокът на отклонението се разпределя по номинално равномерен начин около ротора.

Кредит за изображение: Calnetix

Друго предимство на намалените загуби от вихрови токове при хомополярната технология на магнитните лагери е значително по-ниското производство на топлина във въртящ се ротор. Всъщност хомополярните магнитни лагери няма да имат почти никаква топлина, генерирана в ротора при скорост при отсъствие на радиално натоварване, тъй като магнитното поле ще бъде почти равномерно разпределено около ротора, като по този начин няма генерирани значителни вихрови токове. За разлика от тях, хетерополярните магнитни лагери генерират топлина в въртящ се ротор дори при липса на радиално натоварване. Ниското генериране на топлина както в неподвижни, така и в въртящи се части на хомополярни магнитни лагери с постоянен магнит ги прави много енергийно ефективни и добре пригодени за приложения, при които механизмите за извличане на топлина са ограничени, като например във вакуум.

Друг критичен компонент в AMB системата са датчиците за положение, които предоставят на магнитния контролер на лагера точна информация за положението на ротора, незасегнато от външни фактори като скорост, температура, прах, работни течности и външни магнитни и електрически полета. Докато конвенционалните сензори за магнитна нежелана реакция могат да работят много добре за измерване на радиални измествания, измерването на аксиалните измествания често е много по-голямо предизвикателство. Препоръчителното решение за преодоляване на това предизвикателство е да се използва сензор с постоянен поток. Това осигурява ясни експлоатационни предимства, включително устойчивост на външни магнитни полета и радиални измествания, по-добра температурна стабилност, по-широк обхват на измерване, преминаващ роторен възел и висока сурова печалба от порядъка на 100V/in.

Системна интеграция

AMB не са готови продукти. Силно се препоръчва да работите с доставчик на AMB, който притежава вътрешния мултидисциплинарен опит, за да проектира цялата машина, работеща на магнитни лагери. Това постига оптимална производителност на машината като интегрирана система и напълно реализира потенциала на активната магнитна лагерна система.

Активните магнитни лагери преживяват тежки тестове за удар и вибрации на американския флот

Американският флот наскоро успешно завърши окончателното производство на прототипни тестове за удар и вибрации за система за охлаждане от ново поколение с висока ефективност със супер капацитет (HESC). Calnetix Technologies отговаря за високоскоростния двигател с постоянен магнит, магнитните лагери, контролера за магнитни лагери и резервните лагерни системи за двустепенния компресор с променлива скорост в основата на системата за охлаждане. HESC VSD е разработен съвместно от Calnetix и Fairlead Integrated Power and Controls, като Calnetix осигурява модул за управление с променлива скорост и контроли.

С успешните тестове за удар и вибрации, HESC Chiller/VSD сега преминават във фаза на производство, като първата корабна инсталация се извършва на USS John P. Murtha (LPD-26). Други корабни инсталации ще продължат производството през следващото десетилетие.

За MIL-S-901D клас тежко тестване на ударно тегло, HESC Chiller е инсталиран в плаваща платформа и е подложен на поредица от четири ударни удара от експлозивни заряди, разположени на 24 фута под водата с един взрив на 40 фута от предната част на плаващата платформа и останалите три взрива на 30 фута, 25 фута и 20 фута отстрани на платформата. Чилърът работеше по време на три взрива и в режим на готовност за един взрив. Резервната лагерна система на компресора абсорбира ударните удари; магнитните лагери са възстановили левитация, както е проектирано; и двигателят е изпълнен без проблем. За вибрационно изпитване MIL-STD-167-1A чилърът е монтиран на шейкър платформа и се задвижва с различни честоти и амплитуди в три оси, докато работи.

Очаква се охладителите HESC да намалят разходите за придобиване на кораби и жизнения цикъл чрез увеличаване на капацитета за охлаждане с поне 50 процента, подобряване на надеждността с повече от 50 процента и намаляване на разхода на гориво за чилъри с повече от 25 процента, като същевременно изпълняват екологичните цели за намаляване изтичане на хладилен агент с 90 процента и елиминиране на опасни маслени отпадъци.

Лари Хокинс, директор на технологиите, магнитни лагери, Calnetix Technologies и Алексей Филатов, главен изследователски инженер, Calnetix Technologies