Магнитный подшипник. Устройство и работа. Плюсы и минусы

Магнитный подшипник или бесконтактный подвес – это уникальное изобретение, позволившее избавиться от множества проблем, касающихся вращающихся частей механизмов. Благодаря его внедрению удается обойтись без смазки, которая необходима для работы подшипниковых узлов контактного типа. Последнее объясняется тем, что трущиеся части в бесконтактном подвесе полностью отсутствуют.

Чем привлекателен магнитный подшипник

Этот элемент вращающихся бесконтактных узлов привлекает внимание инженеров-разработчиков целым рядом достоинств. К ним относятся:

Экономичность (нет необходимости в смазке и частой замене изделий).
Отсутствие потерь на трение и вибрации.
Низкий уровень потребления при работе в составе электрооборудования.
Возможность получения высокой скорости вращения.

При использовании таких подшипников в механический узел удается интегрировать элементы автоматики, контролирующие их состояние и герметичность.

Все перечисленные достоинства позволяют утверждать, что магнитный подшипник оптимально подходит для использования в различных устройствах и механизмах. Конструктивно эти изделия подразделяются на два типа: пассивные и активные. Первые изготавливаются на основе постоянных магнитов, а вторых для образования магнитного поля используются сердечники с протекающим по ним переменным током.

Пассивные бесконтактные подвесы применяются крайне редко, что объясняется низкой надежностью данного варианта исполнения. Более перспективными подшипниками считаются изделия активного типа, открывающие широкие возможности для усовершенствования магнитных систем.

Как действует активный магнитный подшипник

Действие активного магнитного подвеса основано на эффекте левитации (зависания предметов в пространстве). При этом вал с центральной частью подшипника вращается без непосредственного контакта с опорной частью конструкции. При таком устройстве вращающегося узла необходимость в применении смазки полностью отпадает.

Magnitnyi podshipnik 2

В эффекте зависания особое значение придается устойчивости пространственной позиции вала ротора. Входящие в систему датчики постоянно отслеживают его положение и формируют сигналы, поступающие на узел автоматического контроля. С его помощью осуществляется корректировка позиционирующего поля статора. При этом сила магнитного воздействия уменьшается или увеличивается с нужной стороны вала, способствуя поддержанию устойчивого положения роторной части.

Magnitnyi podshipnik 3

С помощью двух конических подшипников активного типа, например, удается надежно «подвесить» ротор в воздухе, обеспечивая его устойчивое бесконтактное вращение. Система управления такой конструкцией, которая может быть аналоговой или цифровой, непрерывно отслеживает положение оси. Благодаря встроенному модулю контроля, удается обеспечить мягкость скольжения «подвешенного» узла, а также существенно повысить его нагрузочную способность.

Такая технология привлекательна также тем, что магнитный подшипник может работать в широком диапазоне температур, обходясь совсем без атмосферного воздуха (то есть в вакууме). Благодаря отсутствию трения удается достичь огромных скоростей вращения вала двигателей и других подвижных узлов различных механизмов.

Устройство бесконтактного магнитного подшипника активного типа

Из описания работы активного подвеса становится понятным, что к основным его составляющим относятся сам магнитный подшипник, а также автоматическая система электронного слежения (САУ). Входящие в ее состав электромагниты постоянно воздействуют на ротор с помощью корректирующих сигналов, поступающих от системы контроля.

Возможность управления достигается за счет того, что в ротор радиального подшипника при его изготовлении встраиваются специальные ферромагнитные пластины. Благодаря этому, этот узел становится активным, то есть способным реагировать на удерживающее поле катушек статора.

Одновременно с этим расположенные рядом индуктивные датчики постоянно отслеживают положение ротора. Любое отклонение от заданной позиции вызывает появление корректирующего сигнала, который подается на специальное электронное устройство (контроллер). С его помощью вырабатываются управляющие воздействия, возвращающие ротор в устойчивое положение.

Для нормального функционирования этой системы радиальный зазор между ее подвижной и неподвижной частью должен составлять от 0,5 до 1 мм.

Точно таким же образом работает магнитный подшипник упорного типа. В его конструкции используются кольцеобразные электромагниты, закрепленные на валу опорного диска с размещенными на его концах датчиками. Точно такие же элементы располагаются на неподвижном статоре системы.

Для удержания ротора во время остановки или во внештатной ситуации в конструкцию системы добавлены шариковые подшипники. Они закрепляются в ней таким образом, чтобы образующийся рабочий зазор составлял половину значения, выбранного для магнитного подвеса.

Преимущества и недостатки активной системы опорного типа

К бесспорным достоинствам активной системы, состоящей из опорных магнитных подвесов, относят:

Повышенная износостойкость всех элементов рабочего узла.
Допустимость работы в любых агрессивных средах.
Возможность использования при сверхвысоких или сверхнизких температурах (в космических условиях, в частности).

Недостатки этого способа организации бесконтактного подвеса заключаются в необходимости в дополнительном использовании механических подшипников, начинающих работать при пропадании магнитного поля.

В качестве страховочных опор для вращающегося ротора чаще всего применяются подшипники качения. Они выдерживают не более 2-х или 3-х типичных аварийных ситуаций, после чего подлежат полной замене. К недостаткам этого способа также относят необходимость в точном позиционировании ротора подвеса с помощью достаточно сложной электронной системы управления. Добавим к этому нагревание обмотки статора подшипника при прохождении через нее электрического тока. Для эффективного отвода излишков тепла в системе приходится предусматривать специальные элементы охлаждения.

Характеристики бесконтактных магнитных подшипников

Типовой магнитный подшипник характеризуется следующими основными показателями:

Максимальная скорость вращения ротора.
Предельная величина нагрузки на радиальную часть.
Диапазон рабочих температур.
Величина энергопотребления.

Первый из этих показателей в радиальном подшипнике зависит от способности ферромагнитного ротора противодействовать центробежной силе. Предел круговой скорости для изделий этого типа в среднем составляет 200 м/с.

Для осевых магнитных подвесов с обычными материалами этот показатель равен 350 м/с (он ограничен показателем стойкости материала упора, изготовленного из литой стали). Предельная нагрузка на ось вращения также зависит от типа используемых ферромагнетиков. Для обычных материалов максимальное давление на нее не превышает 0,9 Н/см², что заметно меньше чем у контактных подшипников.

Величина энергопотребления активных магнитных узлов относительно невелика. Потери в основном приходятся на вихревые токи в материале изделия, что существенно меньше аналогичного показателя для конструкций с обычными подшипниками.

Области применения бесконтактных систем подвеса

Несмотря на все перечисленные недостатки, магнитные подшипники достаточно широко применяются в самых различных сферах человеческой деятельности. Начиная с середины прошлого века, магнитные подшипники постоянно совершенствуются, а их эксплуатационные показатели со временем только улучшаются. Все это позволяет находить изделиям этого класса вполне конкретные применения.

Практические приложения, в которых реализованы преимущества магнитных подвесов, это:

Оптические системы с высокой точностью наведения и фокусировки.
Современные лазерные установки.
Специальные центрифуги для обогащения радиоактивных руд (урана, в частности).
Газовые турбины.
Действующие системы криогенной техники.
Специальное генераторное оборудование с высокой частотой вращения вала.
В различных моделях электрогенераторов и вакуумных устройств, а также в современном высокоточном и высокоскоростном станочном оборудовании.

Такие механизмы и системы востребованы в любых устройствах, где скорость вращения приводного вала должна достигать порядка 100000 оборотов в минуту. При этом также учитывается, что механические потери, помехи и погрешности при проведении точных измерений практически полностью отсутствуют.

Помимо всего перечисленного магнитные подвесы традиционно применяются в следующих промышленных механизмах:

Компрессоры различного типа.
Насосные станции, электромоторы и генераторы.
Станочное оборудование повышенной точности.

Использование этих конструктивных узлов в насосных системах особо востребовано в тех отраслях, где механические подшипники из-за наличия трущихся поверхностей становятся источником нежелательного загрязнения среды.