Manyetik yatak - Magnetic bearing

Manyetik bir yatak

Bir manyetik yatak türüdür yatak kullanılarak bir yükü destekleyen manyetik olarak kaldırılmasının . Manyetik yataklar, fiziksel temas olmaksızın hareketli parçaları destekler. Örneğin, dönen bir şaftı havaya kaldırabilir ve çok düşük sürtünme ve mekanik aşınma olmaksızın bağıl harekete izin verebilirler . Manyetik yataklar, her tür yatağın en yüksek hızlarını destekler ve maksimum bağıl hıza sahip değildir.

Aktif yatakların birçok avantajı vardır: aşınmaya maruz kalmazlar, düşük sürtünmeye sahiptirler ve kütle dağılımındaki düzensizlikleri otomatik olarak düzenleyerek rotorların çok düşük titreşimle kütle merkezleri etrafında dönmesine izin verirler .

Pasif manyetik yataklar, kalıcı mıknatıslar kullanır ve bu nedenle herhangi bir giriş gücü gerektirmez, ancak Earnshaw teoremi tarafından açıklanan sınırlamalar nedeniyle tasarlanmaları zordur . Diamanyetik malzemeleri kullanan teknikler nispeten gelişmemiştir ve büyük ölçüde malzeme özelliklerine bağlıdır. Sonuç olarak, çoğu manyetik yatak , yükü sabit tutmak için sürekli güç girişi ve aktif bir kontrol sistemi gerektiren elektromıknatıslar kullanan aktif manyetik yataklardır . Kombine bir tasarımda, statik yükü taşımak için genellikle kalıcı mıknatıslar kullanılır ve kaldırılan nesne optimum konumundan saptığında aktif manyetik yatak kullanılır. Manyetik yataklar, güç veya kontrol sistemi arızası durumunda tipik olarak bir yedek yatak gerektirir.

Manyetik yataklar, elektrik enerjisi üretimi , petrol arıtma, takım tezgahı çalıştırma ve doğal gaz işleme gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca Zippe tipi santrifüjde , uranyum zenginleştirme için ve yağla yağlanan yatakların bir kontaminasyon kaynağı olacağı turbomoleküler pompalarda kullanılırlar .

Tasarım

Tek eksen için temel işlem

Aktif bir manyetik yatak, dönen bir iletkende girdap akımlarının indüksiyonuna dayanan elektromanyetik süspansiyon ilkesine göre çalışır . Elektriksel olarak iletken bir malzeme bir manyetik alan içinde hareket ederken , malzemede manyetik alandaki değişime karşı koyan bir akım üretilecektir ( Lenz Yasası olarak bilinir ). Bu, mıknatıstan gelenin tersine yönlendirilmiş bir manyetik alanla sonuçlanacak bir akım üretir . Elektriksel olarak iletken malzeme böylece manyetik bir ayna görevi görür .

Donanım, bir elektromıknatıs düzeneği, elektromıknatıslara akım sağlayan bir dizi güç amplifikatörü, bir kontrolör ve boşluk içindeki rotorun konumunu kontrol etmek için gereken geri beslemeyi sağlamak için ilgili elektroniklerle boşluk sensörlerinden oluşur. Güç amplifikatörü, bir rotorun zıt taraflarındaki iki çift elektromıknatısa eşit öngerilim akımı sağlar. Bu sabit halat çekme, rotor merkez konumundan saparken, öngerilim akımını akımın eşit ve zıt pertürbasyonları ile dengeleyen kontrolör tarafından yönlendirilir.

Boşluk sensörleri genellikle doğaları gereği endüktiftir ve diferansiyel modda algılanır. Modern bir ticari uygulamadaki güç amplifikatörleri, darbe genişlik modülasyon konfigürasyonunda çalışan katı hal cihazlarıdır . Denetleyici genellikle bir mikroişlemci veya dijital sinyal işlemcisidir .

Manyetik yataklarda tipik olarak iki tür kararsızlık mevcuttur. Çekici mıknatıslar, artan mesafe ile azalan ve azalan mesafelerde artan kararsız bir statik kuvvet üretir. Bu, yatağın dengesizleşmesine neden olabilir. İkincisi, manyetizma muhafazakar bir kuvvet olduğu için çok az sönümleme sağlar; Herhangi bir itici güç varsa salınımlar başarılı süspansiyon kaybına neden olabilir.

Tarih

Aşağıdaki tablo, aktif manyetik yataklar için birkaç erken patenti listeler. Manyetik süspansiyonlar için daha önceki patentler bulunabilir, ancak bunlar Earnshaw Teoremi'ne göre sorunlu stabiliteye sahip kalıcı mıknatısların gruplarından oluştuğu için burada hariç tutulmuştur .

Aktif manyetik yataklarda erken ABD patentleri
mucit(ler) Yıl Patent numarası Başlık
Kirişler, Holmes 1941 2.256.937 Dönebilen Gövdelerin Askıya Alınması
Kirişler 1954 2.691.306 Manyetik Destekli Döner Gövdeler
Kirişler 1962 3.041.482 Serbestçe Askıda Tutulan Gövdeleri Döndürmek İçin Cihaz
Kirişler 1965 3.196.694 Manyetik Süspansiyon Sistemi
Kurt 1967 3.316.032 Çok Fazlı Manyetik Süspansiyon Trafosu
Lyman 1971 3.565.495 Manyetik Süspansiyon Aparatı
Habermann 1973 3.731.984 Yüksek Hızda Dönmeye Uyarlanmış Dikey Mili Destekleyen Manyetik Rulman Bloğu Cihazı
Habermann, Loyen, Joli, Aubert 1974 3.787.100 Manyetik Rulmanlarla Desteklenen Döner Elemanlar İçeren Cihazlar
Habermann, Brunet 1977 4.012.083 Manyetik Rulmanlar
Habermann, Brunet, LeClére 1978 4.114.960 Manyetik Rulmanlar için Radyal Deplasman Dedektör Cihazı
Croot, Estelle 1990 1.988.024.350 Manyetik Rulmanlarda Daha Fazla İyileştirme
Meeks, Crawford R. 1992 5,111,102 Manyetik Rulman Yapısı
Croot, Estelle 1994 1.991.075.982 Doğrusal Olmayan Manyetik Rulman

Virginia Üniversitesi'nden Jesse Beams , II. Dünya Savaşı sırasında en eski aktif manyetik yatak patentlerinden bazılarını dosyaladı. Patentler , Manhattan Projesi için gerekli olan elementlerin izotoplarının zenginleştirilmesine yönelik ultrasantrifüjlerle ilgiliydi . Bununla birlikte, manyetik yataklar, Habermann ve Schweitzer'in çalışmalarıyla katı hal elektroniği ve modern bilgisayar tabanlı kontrol teknolojisindeki gelişmelere kadar olgunlaşmadı. 1987'de Estelle Croot, aktif manyetik yatak teknolojisini daha da geliştirdi, ancak bu tasarımlar, bir lazer yönlendirme sistemi kullanan pahalı üretim maliyetleri nedeniyle üretilmedi. Estelle Croot'un araştırması, üç Avustralya patentinin [3] konusuydu ve Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK ve Hitachi tarafından finanse edildi ve hesaplamaları, nadir toprak mıknatısları kullanan diğer teknolojilerde kullanıldı, ancak aktif manyetik yataklar yalnızca prototip aşaması. Croot'un tasarımı ayrıca gelişmiş bir bilgisayarlı kontrol sistemi içeriyordu, son tasarım ise doğrusal olmayan bir manyetik yataktı.

Kasarda, aktif manyetik yatakların tarihini derinlemesine inceliyor. Aktif manyetik yatakların ilk ticari uygulamasının turbo makinelerde olduğunu belirtiyor . Aktif manyetik yatak , Alberta, Kanada'daki NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) gaz boru hatları için kompresörlerdeki yağ rezervuarlarının ortadan kaldırılmasına izin verdi . Bu, yangın tehlikesini azalttı ve sigorta maliyetlerinde önemli bir azalma sağladı. Bu manyetik yatak kurulumlarının başarısı, NGTL'nin Amerikan şirketi Magnetic Bearings Inc tarafından sağlanan analog kontrol sistemlerinin yerini alacak bir dijital manyetik yatak kontrol sisteminin araştırılması ve geliştirilmesine öncülük etmesine yol açtı. 1992'de NGTL'nin manyetik yatak araştırma grubu şirketi kurdu. Dijital manyetik yatak teknolojisini ticarileştirmek için Revolve Technologies Inc. [4] . Şirket daha sonra İsveçli SKF tarafından satın alındı . 1976 yılında kurulan Fransız şirketi S2M , aktif manyetik yatakları ticari olarak pazarlayan ilk şirkettir . Virginia Üniversitesi'nde Döner Makineler ve Kontroller Endüstriyel Araştırma Programında manyetik yataklar üzerine kapsamlı araştırmalar devam etmektedir [5] .

1996'da başlayan on yıl boyunca, Hollandalı petrol ve gaz şirketi NAM, her biri 23 megavatlık değişken hızlı tahrikli elektrik motoruyla çalışan yirmi gaz kompresörü kurdu. Her ünite, hem motor hem de kompresör üzerinde aktif manyetik yataklarla tam olarak donatıldı. Bu kompresörler Groningen gaz sahasında bu büyük gaz sahasından kalan gazı çıkarmak ve saha kapasitesini arttırmak için kullanılmaktadır. Motor-kompresör tasarımı Siemens tarafından yapıldı ve aktif manyetik yataklar Waukesha Bearings ( Dover Corporation'a ait ) tarafından teslim edildi . (Aslında bu rulmanlar Glacier tarafından tasarlandı, bu şirket daha sonra Federal Mogul tarafından devralındı ​​ve şimdi Waukesha Bearings'in bir parçası.) Aktif manyetik rulmanlar ve motor ile kompresör arasında (arada bir dişli kutusu olmadan) doğrudan tahrik kullanılarak ve kuru gaz contaları uygulanarak tamamen kuru-kuru (yağsız) bir sistem elde edildi. Hem sürücüye hem de kompresöre aktif manyetik yatakların uygulanması (dişlilerin ve bilyeli yatakların kullanıldığı geleneksel konfigürasyona kıyasla), özellikle kısmi yükte çok geniş bir çalışma aralığı ve yüksek verimliliğe sahip nispeten basit bir sistemle sonuçlanır. Groningen sahasında yapıldığı gibi, tam kurulum ek olarak büyük bir kompresör binasına ihtiyaç duymadan dış mekana da yerleştirilebilir.

Meeks, sabit mıknatısların önyargı alanı sağladığı ve aktif kontrol bobinlerinin stabilite ve dinamik kontrol için kullanıldığı hibrit manyetik yatak tasarımlarına (ABD patenti 5,111,102) öncülük etmiştir . Önyargı alanları için kalıcı mıknatıslar kullanan bu tasarımlar, tamamen elektromanyetik yataklardan daha küçük ve daha hafiftir. Elektronik kontrol sistemi de daha küçüktür ve önyargı alanı kalıcı mıknatıslar tarafından sağlandığından daha az elektrik gücü gerektirir.

Gerekli bileşenlerin geliştirilmesi ilerledikçe, alana olan bilimsel ilgi de arttı ve 1988'de Zürih'te düzenlenen ilk Uluslararası Manyetik Rulmanlar Sempozyumu'nda, Prof. Schweitzer ( ETHZ ), Prof. Allaire (Virginia Üniversitesi) ve Prof. Okada (Ibaraki Üniversitesi). O zamandan beri, sempozyum, tüm sempozyum katkılarının sunulduğu manyetik yatak teknolojisi [6] üzerine kalıcı bir portal ile iki yılda bir konferans dizisi haline geldi . Web portalı, uluslararası araştırma ve endüstri topluluğu tarafından desteklenmektedir. 2012 yılında şöhret salonuna katılan ve yaşam boyu başarı ödüllerini kazanan Waukesha Magnetic Bearings'den Prof. Yohji Okada, Prof. Gerhard Schweitzer ve Michael Swann'dı [7] .

Uygulamalar

Manyetik yatak avantajları, çok düşük ve tahmin edilebilir sürtünmeyi ve yağlama olmadan ve vakumda çalışma yeteneğini içerir. Manyetik yataklar kompresörler, türbinler, pompalar, motorlar ve jeneratörler gibi endüstriyel makinelerde giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Manyetik yataklar, evdeki güç tüketimini ölçmek için elektrik hizmetleri tarafından watt-saat sayaçlarında yaygın olarak kullanılır . Ayrıca enerji depolama veya taşıma uygulamalarında ve örneğin volan enerji depolama sistemlerinde vakumda ekipmanı desteklemek için kullanılırlar. Vakumdaki bir volan çok düşük rüzgar direnci kayıplarına sahiptir, ancak geleneksel rulmanlar genellikle zayıf yağlama nedeniyle vakumda hızlı bir şekilde arızalanır. Manyetik yataklar ayrıca fiziksel temas yüzeylerini ortadan kaldırarak düşük gürültü ve pürüzsüz sürüş elde etmek için maglev trenlerini desteklemek için kullanılır . Dezavantajları arasında yüksek maliyet, ağır ağırlık ve nispeten büyük boyut sayılabilir.

Manyetik yataklar ayrıca manyetik yataklar arasında manyetik malzemeden oluşan bir şafta sahip soğutucular için bazı santrifüj kompresörlerde kullanılır . Az miktarda akım, havada serbestçe asılı kalan mile manyetik kaldırma sağlar ve yatak ile mil arasında sıfır sürtünme sağlar.

Manyetik yatakların yeni bir uygulaması yapay kalplerde. Ventriküler destek cihazlarında manyetik süspansiyon kullanımı, Virginia Üniversitesi'nde Prof. Paul Allaire ve Prof. Houston Wood tarafından öncülük edildi ve 1999'da manyetik olarak askıya alınan ilk ventriküler yardımcı santrifüj pompa ( VAD ) ile sonuçlandı .

LifeFlow kalp pompası, DuraHeart Sol Ventriküler Destek Sistemi, Levitronix CentriMag ve Berlin Heart dahil olmak üzere birçok ventriküler destek cihazı manyetik yataklar kullanır . Bu cihazlarda, tek hareketli parça, hidrodinamik kuvvet ve manyetik kuvvetin bir kombinasyonu ile askıya alınır . Manyetik yataklar, fiziksel temas yüzeylerini ortadan kaldırarak, bu kan pompalarında yüksek kesme gerilimi (kırmızı kan hücresi hasarına yol açar) ve akış durgunluğu (pıhtılaşmaya yol açar) olan alanları azaltmayı kolaylaştırır.

Calnetix Technologies , Synchrony Magnetic Bearings (Johnson Controls International'ın yan kuruluşu), Waukesha Magnetic Bearings ve S2M (SKF'nin yan kuruluşu), dünya çapındaki başlıca manyetik yatak geliştiricileri ve üreticileri arasındadır.

Gelecekteki gelişmeler

Eksenel bir homopolar elektrodinamik yatak

Inductrack sistemi gibi maglev teknolojilerinde bulunan indüksiyon tabanlı bir kaldırma sisteminin kullanılmasıyla , manyetik yataklar Halbach Dizileri ve basit kapalı döngü bobinleri kullanarak karmaşık kontrol sistemlerinin yerini alabilir . Bu sistemler basitlik kazanır, ancak girdap akımı kayıpları açısından daha az avantajlıdır . İçin sistemleri dönen o eşuçlu mıknatıs tasarımlar yerine ölçüde kayıpları azaltmak çok kutuplu Halbach yapıları, kullanmak mümkündür.

Earnshaw teoremi sorunlarını atlayan bir örnek, Dr Torbjörn Lembke tarafından icat edilen homopolar elektrodinamik yataktır. Bu, pasif bir manyetik teknolojiye dayanan yeni bir elektromanyetik yatak türüdür. Çalışması ve çalışması için herhangi bir kontrol elektroniğine ihtiyaç duymaz, çünkü hareketle oluşan elektrik akımları bir geri getirme kuvvetine neden olur.

Çalışma prensibi dönen bir iletkende girdap akımlarının indüksiyonuna dayanmaktadır . Elektriksel olarak iletken bir malzeme bir manyetik alan içinde hareket ederken , malzemede manyetik alandaki değişime karşı koyan bir akım üretilecektir ( Lenz Yasası olarak bilinir ). Bu, mıknatıstan gelenin tersine yönlendirilmiş bir manyetik alanla sonuçlanacak bir akım üretir . Elektriksel olarak iletken malzeme böylece manyetik bir ayna görevi görür .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar