Magnetisk lager: typer, hvordan det fungerer og nøkkelapplikasjoner

Når strømmen går tapt til et aktivt magnetlager, faller rotoren ned på hjelpelagrene (touchdown). Dette er rullelager med liten klaring i forhold til den magnetiske lagerspalten. De er designet for å trygt støtte rotoren i full hastighet og la den snurre ned uten kontakt med elektromagnetpolene. Drop-hendelsen kontrolleres og maskinen kommer til å hvile på touchdown-lagrene. Hvert AMB-system er pålagt å inkludere touchdown-lagre, og hver installasjon bør inkludere en avbruddsfri strømforsyning (UPS) for å gi strøm til en ryddig kontrollert nedturssekvens i stedet for et umiddelbart fall, noe som minimerer slitasje på touchdown-lagrene.

Generelt sett nei. Magnetiske lagre har lavere belastningskapasitet per lagerdiameterenhet enn rullende element- eller væskefilmlager. Et rulleelementlager med 100 mm boring kan bære en statisk belastning på flere hundre kN; et magnetisk lager med tilsvarende ytre diameter støtter kanskje 10–30 kN avhengig av elektromagnetdesignet og tillatt effekttap. Dette er grunnen til at magnetiske lagre sjelden brukes i applikasjoner som krever høy radiell belastning ved moderate hastigheter - deres fordel er høy hastighet, presisjon, forurensningsfølsomhet eller vedlikeholdsfri drift, ikke rålastkapasitet. Rotorer for magnetiske lagersystemer må konstrueres med tanke på denne lastbegrensningen fra begynnelsen.

De magnetiske lagerstatoren og rotorkomponentene - lamineringene, spolene og husene - er ikke slitedeler og har ikke en definert utmattingslevetid ved normal drift, fordi det ikke er kontakt mellom dem. De begrensende slitasjekomponentene er touchdown-lagrene, som erstattes på en forebyggende tidsplan, vanligvis hvert 3.–5. år eller etter et spesifisert antall rotorfall. Elektronikken (effektforsterkere, kontrollerkort) har forventet levetid på 10–15 år, med reparasjon på komponentnivå eller utskifting av kort etter behov. Feltrapporter fra rørlednings- og prosesskompressorinstallasjoner indikerer at maskineri med magnetiske lager har fungert i over 20 år med den originale lagerhardwaren i bruk, med kun touchdown-lager og elektronikkvedlikehold.

Ja, magnetiske lagersystemer kan brukes og brukes i ATEX/IECEx-klassifiserte farlige områder. Elektromagnetene og sensorene inne i lagerhuset er i kontakt med prosessgassen, og disse komponentene kan designes og vurderes for bruk i brennbare gassmiljøer. Styreskapet og effektforsterkerne er vanligvis plassert utenfor det farlige området i et trygt rom, koblet til lageret med skjermede kabler. Denne separasjonen av den aktive elektronikken fra det farlige området er standard praksis i kompresjonsinstallasjoner for naturgass. Brukere bør verifisere at den spesifikke produktkonfigurasjonen har riktig vurdering av farlige områder for deres sone og gassgruppe.

Begge bruker kontrollerte magnetiske krefter for å levitere et objekt uten kontakt, men applikasjonene og skalaene er forskjellige. Maglev-transportsystemer svever og driver et helt togkjøretøy langs en føringsvei, og krever storskala lineær elektromagnetisk infrastruktur. Magnetiske lagre støtter roterende aksler i maskiner - kompressorer, turbiner, spindler, svinghjul - og er en komponent i en større maskin i stedet for et transportsystem i seg selv. De underliggende fysikken og kontrollprinsippene er nært beslektet; faktisk bidro aktiv magnetisk lagerforskning direkte til kontrollmetodene som ble brukt i moderne kommersielle maglev-skinnesystemer som Shanghai Transrapid-linjen og den japanske SCMaglev. På funksjonsnivå er et magnetisk lager i hovedsak et maglev-system som brukes på en roterende akse i et maskinhus.

Ettermontering er teknisk mulig, men krever betydelig ingeniørarbeid. Rotoren må modifiseres eller byttes ut for å legge til lagerets landingstapper med passende materiale og geometri, og lagerhuset må redesignes for å romme elektromagnetstatorer, sensorer og hjelpelagre. Rotordynamikken vil endres med den nye lagerstivheten og dempingsegenskapene, så en fullstendig rotordynamisk analyse og revurdering av kritiske hastigheter er nødvendig. I noen tilfeller er den eksisterende rotordesignen kompatibel med ettermontering av magnetiske lager; i andre er det nødvendig med en ny rotor. Flere selskaper – inkludert Waukesha Bearings og SKF Magnetic Mechatronics – har utført ettermonteringsprosjekter på sentrifugalkompressorer, og publiserte casestudier er tilgjengelige fra Turbomachinery og Pump Symposia-forhandlingene (Texas A&M University).

Temperatur påvirker flere komponenter i et magnetisk lagersystem på forskjellige måter. Den remanente flukstettheten til permanente magneter avtar med økende temperatur - dette er en primær designbegrensning for hybridlager som bruker sjeldne jordarts permanentmagneter, som kan miste betydelig kraftkapasitet ved temperaturer over 150 °C. Viklingsisolasjonen i elektromagnetspolene setter en øvre temperaturgrense for lagerstatoren; høytemperatur klasse H eller klasse N isolasjon utvider dette til henholdsvis 180°C eller 200°C. Det ferromagnetiske lamineringsmaterialet mister permeabiliteten når det nærmer seg Curie-temperaturen (rundt 770 °C for jern), noe som reduserer lagerkraften ved svært høye temperaturer. I den lave enden er kryogen drift ved flytende nitrogen eller flytende helium temperaturer mulig - turbo-ekspandere i luftseparasjonsanlegg og LNG-anlegg opererer med magnetiske lagre ved kryogene prosessgasstemperaturer.

Etter installert basisvolum er olje- og gass-/naturgasskompresjonssektoren den største industrielle brukeren av aktive magnetiske lagre i store turbomaskineri. Vakuumutstyr for halvlederproduksjon er den største brukeren målt i antall enheter. Building HVAC er et voksende segment drevet av bruken av magnetiske lagerkjølere fra store merker. Medisinsk utstyr – spesifikt implanterbare hjerteassistenter – er et lite, men verdifullt marked hvor teknologien har blitt den kliniske standarden for behandling for avansert hjertesviktstøtte. Energilagring via svinghjul er et voksende segment med voksende installasjoner innen nettfrekvensregulering.