Magnetiska lager: typer, hur det fungerar och nyckelapplikationer

När strömmen tappas till ett aktivt magnetlager faller rotorn ner på hjälplagren (touchdown). Dessa är rullager med ett litet spel i förhållande till det magnetiska lagergapet. De är designade för att säkert stödja rotorn i full hastighet och låta den snurra ner utan kontakt med elektromagnetens poler. Fallhändelsen kontrolleras och maskinen kommer att vila på sättningslagren. Varje AMB-system måste inkludera sättningslager, och varje installation bör inkludera en avbrottsfri strömförsörjning (UPS) för att ge ström för en ordnad kontrollerad nedgångssekvens snarare än ett omedelbart fall, vilket minimerar slitaget på sättningslagren.

I allmänhet nej. Magnetiska lager har en lägre belastningskapacitet per lagerdiameterenhet än rullnings- eller vätskefilmlager. Ett rullager med 100 mm hål kan bära en statisk belastning på flera hundra kN; ett magnetiskt lager med liknande ytterdiameter stödjer kanske 10–30 kN beroende på elektromagnetens design och tillåten effektförlust. Det är därför magnetiska lager sällan används i applikationer som kräver höga radiella belastningar vid måttliga hastigheter - deras fördel är hög hastighet, precision, föroreningskänslighet eller underhållsfri drift, inte obearbetad belastningskapacitet. Rotorer för magnetlagersystem måste konstrueras med denna lastbegränsning i åtanke från början.

De magnetiska lagerstator- och rotorkomponenterna - lamineringarna, spolarna och husen - är inte slitdelar och har inte en definierad utmattningslivslängd vid normal drift, eftersom det inte finns någon kontakt mellan dem. De begränsande slitagekomponenterna är sättningslagren, som byts ut på ett förebyggande schema, vanligtvis vart 3–5 år eller efter ett specificerat antal rotorfall. Elektroniken (effektförstärkare, styrkort) har en förväntad livslängd på 10–15 år, med reparation på komponentnivå eller byte av kort efter behov. Fältrapporter från installationer av rörledningar och processkompressorer indikerar att magnetlagermaskiner har fungerat i över 20 år med den ursprungliga lagerhårdvaran i drift, med endast landningslager och elektronikunderhåll.

Ja, magnetiska lagersystem kan användas och används i ATEX/IECEx-klassade riskområden. Elektromagneterna och sensorerna inuti lagerhuset är i kontakt med processgasen och dessa komponenter kan designas och utvärderas för användning i brandfarliga gasmiljöer. Styrskåpet och effektförstärkarna är vanligtvis placerade utanför riskområdet i ett säkert rum, anslutna till lagret med skärmade kablar. Denna separation av den aktiva elektroniken från det farliga området är standardpraxis i naturgaskompressionsinstallationer. Användare bör verifiera att den specifika produktkonfigurationen har lämplig bedömning av riskområden för deras zon och gasgrupp.

Båda använder kontrollerade magnetiska krafter för att sväva ett föremål utan kontakt, men applikationerna och skalorna är olika. Maglev-transportsystem svävar och driver ett helt tågfordon längs en styrbana, vilket kräver storskalig linjär elektromagnetisk infrastruktur. Magnetiska lager stöder roterande axlar i maskiner - kompressorer, turbiner, spindlar, svänghjul - och är en komponent i en större maskin snarare än ett transportsystem i sig. De underliggande fysik- och kontrollprinciperna är nära besläktade; i själva verket bidrog forskning om aktiva magnetlager direkt till de styrmetoder som används i moderna kommersiella maglevrälssystem som Shanghai Transrapid-linjen och den japanska SCMaglev. På funktionsnivå är ett magnetiskt lager i huvudsak ett maglevsystem som appliceras på en roterande axel i ett maskinhus.

Eftermontering är tekniskt möjligt men kräver betydande ingenjörsarbete. Rotorn måste modifieras eller bytas ut för att lägga till lagertapparna med lämpligt material och geometri, och lagerhuset måste omdesignas för att rymma elektromagnetens statorer, sensorer och hjälplager. Rotordynamiken kommer att förändras med den nya lagerstyvheten och dämpningsegenskaperna, så en fullständig rotordynamisk analys och omvärdering av kritiska hastigheter krävs. I vissa fall är den befintliga rotordesignen kompatibel med eftermontering av magnetlager; i andra behövs en ny rotor. Flera företag – inklusive Waukesha Bearings och SKF Magnetic Mechatronics – har utfört eftermonteringsprojekt på centrifugalkompressorer, och publicerade fallstudier finns tillgängliga från Turbomachinery och Pump Symposia processer (Texas A&M University).

Temperaturen påverkar flera komponenter i ett magnetiskt lagersystem på olika sätt. Den remanenta flödestätheten hos permanentmagneter minskar med ökande temperatur — detta är en primär designbegränsning för hybridlager som använder permanentmagneter från sällsynta jordartsmetaller, som kan förlora betydande kraftkapacitet vid temperaturer över 150°C. Lindningsisoleringen i elektromagnetspolarna sätter en övre temperaturgräns för lagerstatorn; Högtemperaturklass H eller klass N isolering utökar detta till 180°C respektive 200°C. Det ferromagnetiska lamineringsmaterialet förlorar permeabilitet när det närmar sig sin Curie-temperatur (cirka 770°C för järn), vilket minskar lagerkraften vid mycket höga temperaturer. I den lägre delen är kryogen drift vid temperaturer för flytande kväve eller flytande helium möjlig - turboexpanderar i luftseparationsanläggningar och LNG-anläggningar arbetar med magnetiska lager vid kryogena processgastemperaturer.

Med avseende på installerad basvolym är kompressionssektorn för olja och gas/naturgas den största industriella användaren av aktiva magnetlager i stora turbomaskiner. Vakuumutrustning för halvledartillverkning är den största användaren i antal enheter. Building HVAC är ett växande segment som drivs av införandet av kylare med magnetlager från stora varumärken. Medicinsk utrustning - speciellt implanterbara hjärthjälpmedel - är en liten men högvärdig marknad där tekniken har blivit den kliniska standarden för vård för avancerad hjärtsviktsstöd. Energilagring via svänghjul är ett framväxande segment med växande installationer inom nätfrekvensreglering.