Магнитный подшипник (Bgiunmudw hk;onhunt)

Магни́тный подши́пник — элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. В результате опора является механически бесконтактной.

Различают пассивные и активные магнитные подшипники. Но если активные магнитные подшипники уже получили определённое распространение, то пассивные подшипники (где магнитное поле создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, например, Nd Fe B) находятся только на стадии разработки.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Основным преимуществом этих подшипников является отсутствие контакта и вытекающие отсюда:

высокая износостойкость;
возможность использования подшипника в агрессивных средах, при высоких или низких температурах (Луна, Марс).

Недостатки

В случае исчезновения магнитного поля, что может быть катастрофическим для целой механической системы, нужно обеспечить страховочные подшипники. Обычно это подшипники качения, которые в этом случае могут выдерживать один или два отказа магнитных подшипников, после чего их необходимо заменить.
Вследствиe того, что магнитное притяжение включает в себя определённую неустойчивость, используют довольно сложные и громоздкие системы управления, которые затрудняют ремонт и эксплуатацию подшипника.
Нагревание. Обмотка подшипника нагревается вследствие прохождения через неё тока. Иногда это нежелательно, поэтому устанавливаются дополнительные системы охлаждения.

Пассивные магнитные подшипники

Примером пассивного подшипника (подшипник не использует следящую систему осевого смещения с обратной связью), является униполярный электродинамический подшипник, изобретенный доктором Торбьорном Лембке^[1]^[2]^[3]. Это принципиально новый тип магнитного подшипника, основанный на пассивной магнитной подвеске. Для его работы не требуется управляющая электроника и принцип его действия основан на возникновении токов Фуко в массивном медном цилиндре, окружающем постоянный магнит с осевой намагниченностью, укреплённом на оси при возникновении радиального смещения вала.

При радиальном смещении в медном цилиндре индуцируются токи, магнитное поле которых взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, образует возвращающую силу, направленную к оси цилиндра. Для возникновения этих сил должны быстро вращаться либо вал с постоянным магнитом, или медный цилиндр^[4]^[5]^[6].

При изменении магнитного потока в проводящем цилиндре индуцируется вихревое электрическое поле, порождающее ток, по правилу Ленца направление этого тока препятствует изменению внешнего магнитного поля, при этом возникает своего рода «магнитные зеркала»^[7]^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]^[15]^[16].

Применение

Преимущества магнитных подшипников включают очень низкое и предсказуемое трение, возможность работы без смазки и в вакууме. Они всё чаще используются в промышленных механизмах, таких как компрессоры, турбины, насосы, моторы и генераторы. Магнитные подшипники используются в электрических генераторах, в переработке нефти, в работе станков и при передаче природного газа.

Также они используются в газовых центрифугах для обогащения урана^[17] и в турбомолекулярных насосах, где механические подшипники со смазкой были бы источником нежелательного загрязнения.

Примечания

↑ «Design and Analysis of a Novel Low Loss Homopolar Electrodynamic Bearing.» Архивная копия от 9 апреля 2016 на Wayback Machine Lembke, Torbjörn. PhD Thesis. Stockholm: Universitetsservice US AB, 2005. ISBN 91-7178-032-7
↑ «3D-FEM Analysis of a Low Loss Homopolar Induction Bearing» Архивировано 8 июня 2011 года. Lembke, Torbjörn. 9th International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB9). Aug. 2004.
↑ Seminar at KTH — the Royal Institute of Technology Stockholm. Feb 24. 2010.
↑ Amati, N., Tonoli, A., Zenerino, E., Detoni, J. G., Impinna, F. «Design Methodology of Electrodynamic Bearings», XXXVIII Associazione Italiana per l’Analisi delle Solecitazioni, Convegno Nazionale, No. 109, 2009
↑ Filatov, A. V., Maslen, E. H., and Gillies, G. T. «A Method of Suspension of Rotating Bodies Using Electromagnetic Forces», Journal of Applied Physics, Vol. 91
↑ Filatov, A. V., Maslen, E. H., and Gillies, G. T. «Stability of an Electrodynamic Suspension» Journal of Applied Physics, Vol. 92 (2002), pp. 3345-3353.
↑ Basore P. A. "Passive Stabilization of Flywheel Magnetic Bearings", Master’s thesis, Massachusetts Institute of Technology (USA), 1980.
↑ Murakami C. and Satoh I. «Experiments of a Very Simple Radial-Passive Magnetic Bearing Based on Eddy Currents», In Proceedings of the 7th International Symposium on Magnetic Bearings, March 2000.
↑ Bender D. and Post R. F. «Ambient Temperature Passive Magnetic Bearings for Flywheel Energy Storage Systems», In Proceedings of the 7th International Symposium on Magnetic Bearings, March 2000.
↑ Moser R., Regamey Y. J., Sandtner J. and Bleuler H. «Passive Diamagnetic Levitation for Flywheels», In Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings, 2002.
↑ Filatov A. V., McMullen P., Davey K., and Thompson R. «Flywheel Energy Storage System with Homopolar Electrodynamic Magnetic Bearing», In Proceedings of the 10th International Symposium on Magnetic Bearings, 2006.
↑ Sandtner J. and Bleuler H. «Electrodynamic Passive Magnetic Bearings with Planar Halbach Arrays», In Proceedings of the 9th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2004.
↑ Sandtner J. and Bleuler H. «Passive Electrodynamic Magnetic Thrust Bearing Especially Designed for Constant Speed Applications», In Proceedings of the 10th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2004.
↑ Amati N., De Lépine X., and Tonoli A. «Modeling of electrodynamic Bearings», ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, 2008.
↑ Kluyskens V., Dehez B. «Dynamical electromechanical model for passive magnetic bearings», IEEE Transactions on Magnetics, 43, pp 3287-3292, 2007.
↑ Kluyskens V., Dehez B. «Parameterized electromechanical model for magnetic bearings with induced currents», Journal of System Design and Dynamics — Special Issue on the Eleventh International Symposium on Magnetic Bearings, 2009.[1] (недоступная ссылка)
↑ Charles D. Uranium enrichment. Spinning a Nuclear Comeback, Science, Vol. 315, (30 March 2007) PMID 17395804 doi: 10.1126/science.315.5820.1782 (англ.)

Литература

Magnetic Bearings: Theory, Design, and Application to Rotating Machinery — Springer 2009 ISBN 978-3-642-00497-1 (англ.)

Ссылки

Schweitzer G, Active magnetic bearings — chances and limitations / International Centre for Magnetic Bearings (англ.)
Carl R. Knospe, Active magnetic bearings for machining applications / Control Engineering Practice. Volume 15, Issue 3, March 2007, Pages 307—313 doi:10.1016/j.conengprac.2005.12.002 (платн.) (англ.)
Обзор способов практического применения активных магнитных подшипников / Научное приборостроение, 2012, том 22, № 4, c. 5—18 ISSN 0868-5886

[1] «Design and Analysis of a Novel Low Loss Homopolar Electrodynamic Bearing.» Архивная копия от 9 апреля 2016 на Wayback Machine Lembke, Torbjörn. PhD Thesis. Stockholm: Universitetsservice US AB, 2005. ISBN 91-7178-032-7

[2] «3D-FEM Analysis of a Low Loss Homopolar Induction Bearing» Архивировано 8 июня 2011 года. Lembke, Torbjörn. 9th International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB9). Aug. 2004.

[3] Seminar at KTH — the Royal Institute of Technology Stockholm. Feb 24. 2010.

[4] Amati, N., Tonoli, A., Zenerino, E., Detoni, J. G., Impinna, F. «Design Methodology of Electrodynamic Bearings», XXXVIII Associazione Italiana per l’Analisi delle Solecitazioni, Convegno Nazionale, No. 109, 2009

[5] Filatov, A. V., Maslen, E. H., and Gillies, G. T. «A Method of Suspension of Rotating Bodies Using Electromagnetic Forces», Journal of Applied Physics, Vol. 91

[6] Filatov, A. V., Maslen, E. H., and Gillies, G. T. «Stability of an Electrodynamic Suspension» Journal of Applied Physics, Vol. 92 (2002), pp. 3345-3353.

[7] Basore P. A. "Passive Stabilization of Flywheel Magnetic Bearings", Master’s thesis, Massachusetts Institute of Technology (USA), 1980.

[8] Murakami C. and Satoh I. «Experiments of a Very Simple Radial-Passive Magnetic Bearing Based on Eddy Currents», In Proceedings of the 7th International Symposium on Magnetic Bearings, March 2000.

[9] Bender D. and Post R. F. «Ambient Temperature Passive Magnetic Bearings for Flywheel Energy Storage Systems», In Proceedings of the 7th International Symposium on Magnetic Bearings, March 2000.

[10] Moser R., Regamey Y. J., Sandtner J. and Bleuler H. «Passive Diamagnetic Levitation for Flywheels», In Proceedings of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings, 2002.

[11] Filatov A. V., McMullen P., Davey K., and Thompson R. «Flywheel Energy Storage System with Homopolar Electrodynamic Magnetic Bearing», In Proceedings of the 10th International Symposium on Magnetic Bearings, 2006.

[12] Sandtner J. and Bleuler H. «Electrodynamic Passive Magnetic Bearings with Planar Halbach Arrays», In Proceedings of the 9th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2004.

[13] Sandtner J. and Bleuler H. «Passive Electrodynamic Magnetic Thrust Bearing Especially Designed for Constant Speed Applications», In Proceedings of the 10th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2004.

[14] Amati N., De Lépine X., and Tonoli A. «Modeling of electrodynamic Bearings», ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, 2008.

[15] Kluyskens V., Dehez B. «Dynamical electromechanical model for passive magnetic bearings», IEEE Transactions on Magnetics, 43, pp 3287-3292, 2007.

[16] Kluyskens V., Dehez B. «Parameterized electromechanical model for magnetic bearings with induced currents», Journal of System Design and Dynamics — Special Issue on the Eleventh International Symposium on Magnetic Bearings, 2009.[1] (недоступная ссылка)

[17] Charles D. Uranium enrichment. Spinning a Nuclear Comeback, Science, Vol. 315, (30 March 2007) PMID 17395804 doi: 10.1126/science.315.5820.1782 (англ.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]