Принцип работы и классификация магнитных подшипников

 

Магнитный подшипникСистемы можно разделить на три категории в зависимости от принципов их работы: активные магнитные подшипники, пассивные магнитные подшипники и гибридные магнитные подшипники.

 

Активный магнитный подшипник

 

Активные магнитные подшипники используют управляемую электромагнитную силу для левитации вращающегося вала и состоят в основном из роторов, соленоидов, датчиков, контроллеров и усилителей мощности. Соленоиды установлены на статоре, подвешенном в магнитном поле, создаваемом электромагнитами, расположенными радиально симметрично, каждый из которых оснащен одним или несколькими датчиками для непрерывного контроля изменений положения вала. Сигнал, выходящий от датчика, с помощью электронной системы управления корректирует ток, проходящий через электромагнит, тем самым контролируя притяжение электромагнита, чтобы вращающийся вал вращался в стабильном и сбалансированном состоянии и соответствовал определенным требованиям к точности.

 

Активные магнитные подшипники можно разделить на подшипники с управлением по току и по напряжению в зависимости от методов управления, а также на радиальные и осевые магнитные подшипники в зависимости от методов опоры. В настоящее время среди активных магнитных подшипников наиболее широко используются подшипники с управлением по постоянному току.

 

Механическая часть активного магнитного подшипника обычно состоит из радиального и осевого подшипников, при этом радиальный подшипник состоит из статора (электромагнита) и ротора; осевые подшипники состоят из статора (электромагнита) и упорной пластины.

 

Благодаря преимуществам активного магнитного подшипника, позволяющего определять положение ротора, жесткость и демпфирование подшипника с помощью системы управления, он получил наиболее широкое применение в области магнитной левитации, и исследования активных магнитных подшипников всегда были в центре внимания исследований в области технологии магнитной левитации. После многолетней напряженной работы теория и методы его проектирования стали все более зрелыми.

 

Пассивный магнитный подшипник

 

Пассивные магнитные подшипники, как разновидность магнитных подшипников, обладают своими уникальными преимуществами: они малы по размеру, не потребляют энергии и имеют простую конструкцию. Самое большое различие между пассивными и активными магнитными подшипниками заключается в том, что первые не имеют активной электронной системы управления, а используют характеристики самого магнитного поля для левитации вращающегося вала. В настоящее время наиболее широко используются пассивные магнитные подшипники, состоящие из постоянных магнитов. Подшипники с постоянными магнитами можно разделить на два типа: отталкивающие и притягивающие.

 

Пассивные подшипники с постоянными магнитами могут использоваться как в качестве радиальных, так и в качестве упорных (осевых) подшипников, причем оба типа могут быть как с притяжением, так и с отталкиванием. В зависимости от направления намагничивания и относительного положения магнитного кольца, подшипники с постоянными магнитами имеют различные структуры магнитной цепи. Однако существуют две основные структуры.

 

Другой тип пассивного магнитного подшипника основан на силе всасывания, действующей между намагниченными мягкими магнитными компонентами. Когда компонент ротора перемещается радиально, эффект всасывания возникает из-за изменения магнитосопротивления, поэтому его также называют «магниторезистивным подшипником». Конструкция такого подшипника может быть такой, чтобы постоянная магнитная часть не вращалась, а вращалась только часть из мягкого железа, что обеспечивает лучшую стабильность системы.

 

Сочетание стабилизирующего эффекта подшипников с магнитным сопротивлением и активных соленоидов позволяет создать систему магнитных подшипников с минимальным энергопотреблением.

 

Гибридные магнитные подшипники

 

Гибридные магнитные подшипники формируются на основе активных магнитных подшипников, пассивных магнитных подшипников и некоторых других вспомогательных опорных и стабилизирующих конструкций — своего рода комбинированная магнитно-подшипниковая система. Она учитывает комплексные характеристики активных и пассивных магнитных подшипников.

 

В гибридном магнитном подшипнике используется магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вместо статического магнитного поля электромагнита. Это позволяет не только значительно снизить энергопотребление усилителя мощности, но и вдвое уменьшить количество ампер-витков электромагнита, снизить габариты магнитного подшипника и повысить его несущую способность.

 

Поскольку смещающее магнитное поле создается постоянным магнитом, а управляющее магнитное поле — электромагнитом, гибридные магнитные подшипники со смещением и постоянными магнитами обладают следующими преимуществами:

 

1) Постоянный магнит используется для создания статического магнитного поля смещения, а электромагнит обеспечивает только управляющее магнитное поле для балансировки нагрузки или внешних помех, что позволяет избежать потерь мощности, вызванных током смещения системы, и уменьшить нагрев катушки.

 

2) Количество витков, необходимых для электромагнита гибридного магнитного подшипника, значительно меньше, чем у активного магнитного подшипника, что способствует уменьшению габаритов магнитного подшипника и экономии материалов. Этот тип подшипника обладает преимуществами малых размеров, малого веса и высокой эффективности, и подходит для миниатюризации и применения в малогабаритных устройствах.