Zasada działania i klasyfikacja łożysk magnetycznych

 

Łożysko magnetyczneSystemy można podzielić na trzy kategorie w zależności od zasad działania: aktywne łożyska magnetyczne, pasywne łożyska magnetyczne i hybrydowe łożyska magnetyczne.

 

Aktywne łożysko magnetyczne

 

Aktywne łożyska magnetyczne wykorzystują sterowaną siłę elektromagnetyczną do unoszenia obracającego się wału, który składa się głównie z wirników, elektromagnesów, czujników, sterowników i wzmacniaczy mocy. Elektromagnesy są zamontowane na stojanie, który jest zawieszony w polu magnetycznym generowanym przez elektromagnesy rozmieszczone w symetrii promieniowej, z których każdy jest wyposażony w jeden lub więcej czujników do ciągłego monitorowania zmian położenia wału. Sygnał wyjściowy z czujnika, za pomocą elektronicznego układu sterowania, koryguje prąd przepływający przez elektromagnes, kontrolując przyciąganie elektromagnesu, dzięki czemu obracający się wał pracuje stabilnie i równo, spełniając określone wymagania dotyczące dokładności.

 

Aktywne łożyska magnetyczne można podzielić na łożyska z regulacją prądu i napięcia, w zależności od różnych metod sterowania, a także na łożyska magnetyczne promieniowe i łożyska magnetyczne osiowe, w zależności od różnych metod podparcia. Obecnie wśród aktywnych łożysk magnetycznych najszerzej stosowane są łożyska magnetyczne sterowane prądem stałym.

 

Część mechaniczna aktywnego łożyska magnetycznego składa się zazwyczaj z łożyska promieniowego i łożyska osiowego, przy czym łożysko promieniowe składa się ze stojana (elektromagnesu) i wirnika; łożyska osiowe składają się ze stojana (elektromagnesu) i płyty oporowej.

 

Ponieważ aktywne łożysko magnetyczne ma zalety związane z położeniem wirnika, sztywnością łożyska i tłumieniem, które można regulować za pomocą układu sterowania, jest ono najszerzej stosowane w dziedzinie lewitacji magnetycznej, a badania nad aktywnym łożyskiem magnetycznym zawsze stanowiły główny cel badań nad technologią lewitacji magnetycznej. Po latach ciężkiej pracy, teoria i metody projektowania tego łożyska stały się coraz bardziej dojrzałe.

 

Pasywne łożysko magnetyczne

 

Pasywne łożyska magnetyczne, jako rodzaj łożyska magnetycznego, mają swoje unikalne zalety: niewielkie rozmiary, niskie zużycie energii i prostą konstrukcję. Największą różnicą między pasywnymi a aktywnymi łożyskami magnetycznymi jest to, że te pierwsze nie posiadają aktywnego elektronicznego układu sterowania, lecz wykorzystują właściwości samego pola magnetycznego do unoszenia obracającego się wału. Obecnie najpowszechniej stosowanymi pasywnymi łożyskami magnetycznymi są łożyska z magnesami trwałymi. Łożyska z magnesami trwałymi można podzielić na dwa typy: odpychające i ssące.

 

Pasywne łożyska z magnesami trwałymi mogą być stosowane zarówno jako łożyska promieniowe, jak i oporowe (łożyska osiowe), przy czym oba typy łożysk mogą być ssące lub odpychające. W zależności od kierunku magnesowania i względnego położenia pierścienia magnetycznego, łożyska z magnesami trwałymi charakteryzują się różnymi strukturami obwodów magnetycznych. Istnieją jednak dwie podstawowe struktury.

 

Drugi rodzaj pasywnego łożyska magnetycznego opiera się na sile ssącej, która działa pomiędzy namagnesowanymi elementami z miękkiego magnetyzmu. Gdy element wirnika porusza się promieniowo, efekt ssania wynika ze zmiany oporu magnetycznego, dlatego nazywa się je również „łożyskiem magnetorezystancyjnym”. Ten rodzaj łożyska może być zaprojektowany tak, aby część z magnesem trwałym nie obracała się, a obracała się tylko część z miękkiego żelaza, co zapewnia lepszą stabilność układu.

 

Połączenie stabilizującego działania łożysk reluktancyjnych i aktywnych elektromagnesów pozwala na stworzenie układu łożysk magnetycznych charakteryzującego się minimalnym zużyciem energii.

 

Hybrydowe łożyska magnetyczne

 

Hybrydowe łożyska magnetyczne powstają na bazie aktywnych łożysk magnetycznych, pasywnych łożysk magnetycznych oraz innych pomocniczych konstrukcji podporowych i stabilizujących – stanowiąc rodzaj kombinowanego systemu łożysk magnetycznych. Uwzględnia on kompleksowe właściwości aktywnych i pasywnych łożysk magnetycznych.

 

Hybrydowe łożysko magnetyczne wykorzystuje pole magnetyczne generowane przez magnes trwały do ​​zastąpienia statycznego pola magnetycznego elektromagnesu, co może nie tylko znacznie zmniejszyć zużycie energii przez wzmacniacz mocy, ale także zmniejszyć liczbę amperozwojów elektromagnesu o połowę, zmniejszyć objętość łożyska magnetycznego i poprawić nośność.

 

Ponieważ pole magnetyczne polaryzacji jest generowane przez magnes trwały, a kontrolowane pole magnetyczne jest generowane przez elektromagnes, hybrydowe łożyska magnetyczne z przesunięciem magnesu trwałego mają następujące zalety:

 

1) Magnes trwały służy do zapewnienia statycznego pola magnetycznego, a elektromagnes zapewnia jedynie kontrolne pole magnetyczne służące do równoważenia obciążenia lub eliminacji zakłóceń zewnętrznych, co może zapobiec utracie mocy spowodowanej prądem polaryzacji układu i zmniejszyć nagrzewanie się cewki.

 

2) Liczba zwojów elektromagnesu w hybrydowym łożysku magnetycznym jest znacznie mniejsza niż w aktywnym łożysku magnetycznym, co sprzyja zmniejszeniu objętości łożyska magnetycznego i oszczędności materiałów. Ten rodzaj łożyska charakteryzuje się małymi rozmiarami, niską wagą i wysoką sprawnością, dzięki czemu nadaje się do miniaturyzacji i zastosowań o małych gabarytach.