Magnetická ložiska Otakar Šamánek Ústav Konstruování - Počítačová Podpora Konstruování, Vysoké Učení Technické v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, Česká Republika
ABSTRACT (PŘEDMĚT) Myšlenka využít magnetické pole k podepření předmětu se poprvé objevila již v polovině devatenáctého století. V uplynulých dvou desetiletích umožnil technický pokrok ekonomickou realizaci mnoha uložení s magnetickými ložisky. V současné době jsou vyvíjeny velmi pokrokové softwarové algoritmy, které napomáhají dosáhnout dříve naprosto nemyslitelných výkonů. Tento vývoj vytváří nové příležitosti pro odolné, hospodárné a energeticky úsporné konstrukce s těmito univerzálními ložisky.
1. INTRODUCTION (ÚVOD) Vývoj magneticky levitovaných ložisek započal v polovině 20. století. Dnes se tyto ložiska již běžně vyrábějí v širokém sortimentu. Obecně se dá říci, že magnetické ložisko je mechanické ložisko, které využívá principy magnetické levitace. Pevná a rotující část jsou v prostoru udržovány magnetickým polem ve stále poloze, aniž by se navzájem dotýkaly. Tyto ložiska není třeba mazat, proto mají ve srovnání s klasickými ložisky řadu výhodných vlastností: minimální odpor, při provozu nevzniká hluk, jsou zde prakticky zanedbatelné ztráty třením, tudíž nedochází ani k následnému oteplení. Neopotřebovávají se, tzn. mají dlouhou životnost. Mohou pracovat v extrémních podmínkách (např. při rychlostech nad 100 000 min-1; nebo při nízkých i vysokých teplotách od -250 do 500 °C). V různých prostředích (vakuum, chemicky agresivní prostředí, pára, atd.). Mají však i jisté nevýhody (např. menší měrná nosnost). [1] V zásadě lze magnetická ložiska využít v jakémkoliv stroji, v němž nesmí dojít ke kontaminaci mazivy nebo částicemi otěru, resp. není-li používání maziv slučitelné s výrobním procesem. Takové požadavky
jsou charakteristické např. pro linky na výrobu polovodičů, v potravinářském průmyslu. Provoz pomocí magnetických ložisek rovněž znamená úsporu pořizovacích nákladů (odpadá nákup nezbytných pomocných zařízení, která souvisejí s provozem mazacího systému). Magnetická ložiska zahrnují tři odlišné části a s nimi spojené technologie: hnací (řídící) člen; senzory polohy a kontrolní systém. [2] Řídící člen a senzory jsou elektromechanickým hardwarem, ze kterých se snímá vstupní signál a přenáší se silovým zatížením na stroj, na kterém jsou nainstalovány. Kontrolní systém zajišťuje signální úpravu a korekci sil a dává výsledné pokyny silovému zesilovači pro každou kontrolovanou osu. Kontrolní algoritmus je softwarový program, používaný kontrolním systémem. Podle toho, zda ke své funkci potřebují (resp. nepotřebují) dodávat elektrickou energii, se tyto ložiska rozdělují na aktivní a pasivní [2].
www.elsevier.com
2. MAGNETICKÁ LEVITACE Magnetická levitace je proces, ve kterém se nějaký objekt vznáší nad jiným pouze za pomoci magnetického pole. Elektromagnetická síla je využita k rušení vlivu síly gravitační. Zkoumáním vlastností elektromagnetického pole se zjistilo, že levitaci lze realizovat několika způsoby [14]. V článku se budeme zabývat pouze levitací, způsobenou magnetickým polem. Principy magnetické levitace Zařízení, které umožňuje stabilně umístit těleso v prostoru, aniž by mělo kontakt s pevnou podložkou,můžeme nazvat levitační systém [5]. Fyzikální princip magnetické levitace využívá tzv. Meissnerova efektu. Tj., že supravodivé materiály mají nejen nulový elektrický odpor, ale rovněž mají schopnost dokonale vytlačovat magnetické pole z celého svého objemu.
magnety, ke kterému dochází pouze jsou-li natočeny souhlasnými póly, v případě magnetu a supravodiče dochází k odpuzování nezávisle na natočení magnetu [3]. Některé supravodiče nevykazují úplný Meissnerův jev , ale dovolují částečné pronikání magnetických siločar do svého objemu. Pak dochází k tomu, že magnet umístěný nad supravodičem je nejen odpuzován, ale zároveň udržován ve stabilní poloze v určité vzdálenosti od supravodiče (levitace). Takto může být magnet udržován i zavěšen pod supravodičem (magnetický závěs). Levitující magnet se může točit bez tření, zpomalovaný pouze odporem vzduchu, tzn. že ve vakuu by se točil nekonečně dlouho [3].
Levitace s permanentními magnety Na obr. jsou uvedeny dva způsoby, které využívají odpudivé síly stejných pólů permanentních magnetů. Tímto způsobem lze například realizovat magneticky levitovaná ložiska. Avšak tato zařízení přesně nesplňují podmínku levitace, neboť poloha rotoru ložiska je zajištěna vodícími ložisky a je tudíž spjata se zemí (podložkou). Levitace pomocí permanentních magnetů:
www.fzu.cz
Supravodič, po ochlazení pod kritickou teplotu, vytlačuje siločáry magnetické pole ze svého objemu (viz obr.). Konkrétně k tomu dochází proto, že vnější magnetické pole indukuje na povrchu supravodivé proudy, které vytvoří magnetické pole stejné velikosti jako vnější pole ale opačného znaménka. Tím se magnetické pole uvnitř supravodiče zcela vyruší. Jestliže je magnetické pole vytvářeno magnetem umístěným blízko supravodiče, dochází k jejich vzájemnému odpuzování. Na rozdíl od odpuzování mezi dvěma
www.automa.cz
Levitace s využitím diamagnetismu Diamagnetické látky vytlačují částečně ze svého objemu magnetické pole. Mnoho látek má diamagnetické vlastnosti, ale jejich efekt je velmi
slabý, a obvykle je překonám vlastnostmi paramagnetickými či feromagnetickými. Materiál, jenž je převážně diamagnetický bude odpuzován magnetem (zatímco materiály paramagnetické a feromagnetické budou přitahovány). Tento jev může být využit pro levitaci lehkých kousků grafitu či bismutu nad mírně silným permanentním magnetem. Toto se zdá být téměř nevyužitelné pro praxi [4]. Mnohem větší levitující síla bude působit na supravodič (viz. předchozí podkapitola), ten se totiž chová jako ideální dimagnetikum.
www.automa.cz
obr.: Působení magnetického pole na váleček: a) z diamagnetika b) z nemagnetické látky c) z paramagnetika
Levitace transformační Pokud vybudíme magnetické pole cívkou a vložíme do něj elektricky vodivé těleso, začne se v něm indikovat napětí, které vyvolá vířivé proudy [12]. Tyto proudy jsou svým magnetickým polem v interakci s magnetickým polem budící cívky a levitují toto vodivé těleso.
www.fzu.cz
Elektromagnetická levitace EMS, EDS EMS (Electro-Magnetic Suspension) je označení pro levitaci přitahováním. Je založena na přitahování feromagnetického tělesa elektromagnetem [3].
Nestabilní EMS: přitažlivá síla je buď větší nebo menší než je hmotnost tělesa. Pokud platí: F < m – těleso odpadne; F > m – těleso se přitáhne. Pro dosažení stabilní levitace je třeba zavést zpětnovazební regulaci budícího proudu elektromagnetu. Tato regulace pracuje tak, že nastavuje takový budící proud, aby magnetický tah byl stále v rovnováze s hmotností tělesa. EDS (Electro-Dynamic Suspension) je označení pro levitaci odpuzováním. Zakládá se na principu odpuzování stejnosměrného elektromagnetu od pohybujícího se vodivého pásu. Např. cívka uložená nad vodivým pásem. Aby byla levitační síla dostatečně velká, musí cívka indukovat extrémně silné magnetické pole(toho lze dosáhnout, pokud bude cívka ze supravodiče). Užití Magnetické levitace Využití magnetické levitace v praxi zahrnuje řadu aplikačních oblastí: - stavba moderních dopravních prostředků (např. vysokorychlostní železnice) - speciální zařízení (bezkontaktní ložiska) - rafinace kovů (bezkontaktní tavení) - kosmický průmysl
3. MAGNETICKÁ LOŽISKA Magnetická ložiska jsou velmi slibnou technologií ve strojních aplikacích. Magnetická ložiska pracují s řízením vzduchové mezery. Některé způsoby použití přímo využívají vzduchovou mezeru – např. procesy, které vyžadují průtok procesní kapaliny nebo materiálu [6]. Magnetická ložiska je možné hermeticky utěsnit, díky čemuž budou vhodná pro použití v technologických procesech založených na agresivních kapalinách, které by jinak mohly poškodit vinutí nebo vrstvení. Ložiska lze rovněž ponořit do procesních kapalin pod tlakem, aniž by bylo nutné je utěsňovat – jsou tedy aplikovatelná v hygienicky citlivých procesech (např. v potravinářském průmyslu)[15].
Systémy magnetických ložisek se skládají ze tří hlavních částí: -
Stabilizace polohy rotoru radiálního ložiska:
ovládací (řídící) jednotka ložiska snímače řídící algoritmus
Aktivní magnetická ložiska Aktivní magnetická ložiska využívají přitažlivé síly. Stabilní rovnováha je dosažena pomocí několika kontrolních smyček (zpětnovazební regulace budícího proudu elektromagnetu). Pro každý stupeň volnosti je potřeba snímač pro měření odchylky rotoru. Každá dvojice elektromagnetů má svou vlastní zpětnovazební smyčku a snímač polohy. Snímače polohy hřídele zajišťují zpětnou odezvu pro řídicí systém. Převážně se používají indukční snímače umístěné na pěti osách (čtyřech radiálních a jedné axiální) – 5 stupňů volnosti [6].
www.mecos.ch
Signálem, který řídí budící proudy, je rozdíl mezi změřenou polohou hřídele a jeho požadovanou polohou. Snímače 1-1´ a 3-3´ kontrolují 2 stupně volnosti rotoru: rotaci a translaci. Stejně tak i snímače 2-2´ a 4-4´. Pár snímačů 5-5´ kontroluje pouze translaci [7].
Radiální magnetické ložisko Podobá se elektromotoru, avšak místo točivého momentu vytváří přitažlivou sílu, která zvedá hřídel. Stator tohoto ložiska se skládá ze čtyř oddělených ovládacích jednotek. Každá z těchto jednotek je tvořena dvěma póly, na nichž je navinuta cívka. Při průchodu elektrického proudu cívkou vzniká přitažlivá síla, která působí na feromagnetický rotor. Vzduchová mezera mezi statorem a rotorem je zpravidla 0,5 až 2 mm [9].
www.skf.com
Axiální magnetické ložisko Má masivní ocelový kotouč připojen k hřídeli a po obou stranách umístěn prstencový stator. Stator může mít jedno nebo dvě vinutí, která vytvářejí magnetický tok. Axiální stator rozšiřuje šířku pásma odezvy síly. Ve strojích, v nichž působí nepříliš velké axiální zatížení, lze radiální ložiska nahradit kuželovými ložisky, která mohou vykonávat pohyb v radiálním i axiálním směru. Takové řešení nahrazuje axiální ložisko a přispívá ke zmenšení celkové délky stroje [9].
Radiální ložisko má tyto části: -
stator se soustavou elektromagnetů (jejich polarita se po obvodu střídá) rotor z feromagnetika čidlo (senzor) polohy rotoru regulátor – prostřednictvím zesilovače zpětnovazebně řídí budící proud elektromagnetů statoru a tím i jejich přitažlivou sílu.
Schéma magnetického obvodu radiálního ložiska:
Pasivní magnetická ložiska Jedná se o ložiska jež ke svému provozu nevyžadují dodej elektrické energie. Prakticky se jedná o tyto provedení: www.automa.cz
magnetické ložisko s permanentními magnety magnetické ložisko s permanentním magnetem a supravodičem
a) Magnetické ložisko s permanentními magnety:
Pasivní mag.ložisko bez opěrných ložisek:
www.mecos.cz
Magnetická ložiska s permanentními magnety jsou poměrně levná, jednoduchá a spolehlivá.
b) Magnetické ložisko s permanentním magnetem a supravodičem http://gltrs.grc.nasa.gov Prstencové magnetické ložisko:
Toto ložisko je založeno na principu Meissnerova efektu (viz. dříve). Pro tento typ ložisek lze dosáhnout stabilní levitace (na rozdíl od magnetických ložisek, která mají pouze permanentní magnety a vyžadují vodící ložiska). Základní uspořádání ložiska tvoří permanentní magnet ve tvaru válečku. Ten je souose umístěn nad kotoučem ze supravodiče.
www.automa.cz
a) radiální b) axiální
Na obrázku je axiální a radiální ložisko se dvěma prstencovými permanentními magnety. Obě tyto ložiska se od sebe liší způsobem zmagnetování vnějšího prstence. Nedostatkem těchto ložisek je jejich nestabilita (radiální ložisko není stabilní axiálně a axiální není stabilní radiálně) [2]. Tuto nestabilitu lze odstranit přidáním opěrných mechanických ložisek nebo vhodnou konstrukcí celého zařízení:
www.mecos.ch
Ukazuje se [8], že nosnost a tuhost ložiska se výrazně zvýší, pokud permanentní magnet není masivní, ale pokud je složen z n částí: z válečku a z n-1 prstenců, které jsou na váleček navlečeny. Tyto díly jsou zmagnetizovány tak, aby vzniklo n pólů a jejich směr magnetizace byl otočen o 180°. Nosnost ložiska se ještě zvýší, pokud je směr magnetizace jednotlivých částí pootočen o 90° (toto samozřejmě vyžaduje větší dělení permanentního magnetu).
Řídící jednotka:
www.mecos.ch
Řídící jednotka magnetického ložiska využívá řídící algoritmus k regulaci a sledování proudů v ložisku a pro změnu sil, tedy i ovládání polohy hřídele. Řídicí jednotka se skládá z těchto tří částí: •
www.mecos.ch
Kontrolní systémy magnetických ložisek Kontrolní systém reguluje proud v ložisku a tudíž i jeho sílu [11]. Během operace sbírají polohové senzory data o poloze hřídele. Systém porovnává daný stav a požadovaným, přepočítává sílu pro zajištění toho, aby byla hřídel v požadované pozici a pokud je to nezbytné, tak dává signál zesilovači aby zvýšil nebo snížil magnetický tok ložiskem. Tyto systémy se skládají ze tří hlavních částí: -
ovládací (řídící) jednotka ložiska snímače řídící algoritmus
• •
elektronická část s procesorem digitálního signálu (DSP), napájecí zdroj, zesilovač.
DSP představuje „mozek“ magnetického ložiskového systému. Progresivní řídicí algoritmus zjišťuje polohu a reguluje proud přicházející do ovládacích jednotek 10000-krát za sekundu. Specifické parametry nastavení stroje lze upravit a uložit do souboru v počítači pomocí speciálního softwaru [10]. Tento software rovněž umožňuje uživateli sledovat funkci ložiska a hřídele podle zadaných parametrů, jako např. vibrací, vyvážení, otáček atd. Napájecí zdroj převádí přiváděný střídavý proud na stejnosměrný, který je nutný pro ložiskové zesilovače. Čím je zesilovač větší, tím výkonnější musí být napájecí zdroj. Zesilovač reguluje proud přiváděný do ložisek podle nastavených hodnot v elektronice DSP. Zesilovače jsou dimenzovány podle požadavků konkrétního stroje. V zásadě však platí přímá úměra, tj. čím je stroj větší, tím jsou větší i zesilovače. Snímače:
www.sciencedirect.com
Schéma systému magnetického ložiska
Snímače polohy jsou velmi důležitou součástí magnetických ložisek. U některých typů magnetických ložisek však nejsou třeba. Jedná se o tzv. „samokontrolná ložiska“ /bez senzorová/. Senzory představují elektromechanický hardware, který sbírá vstupní signál a tento signál
transferuje pomocí sil na mechanismus, na kterém je nainstalován. Obvykle se používají indukční snímače, které měří indukčnost v mezeře mezi senzorem a rotorem [11]. Magnetický tok ložiskem je znázorněn na obrázku.
napomáhá k snadnější údržbě a provozu stroje. Vývojem tohoto softwaru se například zabývá firma SKF Revolve, která je v současné době největším výrobcem magnetických ložisek. Kontrolní program firmy SKF Revolve nese název MBScope [10]. Programové vybavení MBScope společnosti SKF Revolve nabízí některé jedinečné možnosti: 1. 2. 3. 4. 5.
Nový způsob kompenzace nevyváženosti Modulování síly v ložisku Změna polohy hřídele Bezdemontážní diagnostika Servisní flexibilita
Samokontrolné ložisko
Senzory jsou umístěny na okraji statoru, obvykle uvnitř jako kroužek nebo samostatně („trubičkové snímače“) namontované tak aby přiléhaly k řídícímu členu. Senzorové kroužky poskytují dobré upevnění, které nevyžaduje pozdější úpravu instalace. Tento jejich rys, při kombinaci s jejich malou velikostí, jim umožňuje instalaci v zařízeních, kam není možno instalovat trubičkové. Na druhou stranu „trubičkové“ senzory dovolují nastavit citlivost a ofset během jejich instalace na zařízení, čímž poskytují efektivnější a levnější údržbu. Kontrolní algoritmus: Významnou a přínosnou vlastností technologií využívajících magnetická ložiska je, že kontrolní www.mecos.ch funkce (kontrolní systém) poskytují přesné real– time informace o provozu a stavu stoje. Proto již není třeba dalších monitorovacích zařízení [9]. Kontrolní algoritmus je softwarový program poskytující diagnostickou informaci o stroji. Tím
Samokontrolné (bez senzorové) ložisko je zvláštní typ magnetického ložiska. Toto ložisko nevyžaduje žádné externí snímače polohy. Informace o poloze se získává ze vzduchové mezery, závislé na vlastnostech elektromagnetu. Hlavní výhodou je redukce výrobních výdajů. Mimoto samokontrolná ložiska mají mnoho rysů, které je činí zajímavými pro řešení různých technických problémů. Absence snímačů polohy zjednodušuje konstrukci, montáž a údržbu systému magnetických ložisek. Dvě rozdílné koncepce samokontrolných ložisek byly navrženy a realizovány v ICMB (International Center of Magnetic Bearing). [13]
3.1 UŽITÍ A VLASTNOSTI MAGNETICKÝCH LOŽISEK
Magnetická ložiska pracují bez kontaktu. Tento fakt je velice podstatný a cenný v řadě aplikací a zařízeních. • Nemaže se. Tohoto se zúročuje pokud je třeba použít ložisko v systémech, kde by bylo použití
•
•
•
•
• • •
běžných ložisek drahé, nerealizovatelné nebo nebezpečné. Např.: pokud mazivo není kompatibilní nebo kontaminuje tekutinu nebo proces. Spolehlivost. Ložiska poskytují vyšší spolehlivost, v porovnání s elektromotory a z tohoto důvodu se vhodné očekávat jejich provozní životnost mezi 15 – 20 lety. Kontrolní systém má spolehlivost závislou na použitých elektronických prvcích. Obvyklý horizont mezi poruchami těchto prvků je zhruba 5 let. Schopnost činnosti ve vakuu. Vakuum je obtížným prostředím z hlediska mazání. Mnoho systémů je příliš citlivých k odplynování a kontaminaci mazivem. Nízké vibrace (chvění). Magnetická ložiska jsou vhodné pro aplikace citlivé na vibrace stroje. Typické chvění ložiska činí zhruba 0,01mm. Kontrola a ovládání pozice hřídele. Jelikož senzory snímají polohu hřídele, kontrolní systém může změnit pozici hřídele za rotace. Provádí to korekcí vzduchové mezery v ložisku. Čímž může výrazně snížit opotřebení ložiska. Umožňuje měření síly. Kontrolní systém je schopen měřit síly s přesností lepší než 5%. Vysoká obvodová rychlost. Rychlost je omezena pevností hřídele. Obvodová rychlost radiálního ložiska může dosáhnout 100000min-1 Nízká spotřeba energie. Magnetická ložiska redukují ztráty třením, což má za následek vyšší výkonnost a nižší spotřebu energie.
těchto ložisek provoz dokonce i v podmínkách, které nedovolují použití jiných typů ložisek. Magnetická ložiska je možné hermeticky utěsnit, díky čemuž budou vhodná pro použití v technologických procesech založených na agresivních kapalinách, které by jinak mohly poškodit vinutí nebo vrstvení. Ložiska lze rovněž ponořit do procesních kapalin pod tlakem, aniž by bylo nutné je utěsňovat – jsou tedy aplikovatelná v hygienicky citlivých procesech. Hlavním cílem dnešních výrobců je co nejvíce uzpůsobit výsledný produkt podle požadavků zákazníka, tzn. zvýšit ziskovost.
REFERENCES (LITERATURA): [1] KNOSPE, C.R.: Active Magnetic Bearings for Machining Applicatons. Elsevier Ltd., Dec. 2005 [2] SIEBERT, M. – JANSEN, R.: A Passive Magnetic Bearing Flywheel. National Aeronautics and Space Administration, Feb. 2002 [3] JAYAWANT, B.V.: Electromagnetic Levitation and Suspension Techniques. London, E.Arnold Ltd., 1996 [4] HOSNY, W. M. – DODDS, S. J.: Applied Superconductivity. Power Eng. Journ.,s. 170-176 [5] AVCON, Inc. Magnetic Levitation, Internetový dokument
SUMMARY (SHRNUTÍ) Magnetická ložiska se neopotřebovávají a nemaží se. Následky jejich nestabilní rovnováhy sil jsou kontrolovány a opravovány zpětnovazební kontrolní smyčkou. Vývoj progresivních softwarových řídících systémů a charakteristické vlastnosti magnetických ložisek značně rozšiřují oblast jejich využití v mnoha průmyslových odvětvích. Schopnost ovládat polohu hřídele pomocí elektromagnetického pole umožňuje u
[6] SCHARFE, M., MEINZER K.: Development of a Magnetic-Bearing. Annecy, France 1996 [7] DAVEY, K. Analysis of an Electrodynamic Maglev Systém. Trans. on Magnetics, Sept. 1999, vol. 35, no. 5, s. 4267-4295 [8] MARION-PÉRA, M.C. – YONNET,J.P.: Study of Permanent Magnet Arrangements for
Superconducting Passive Bearings. Trans. on Magnetics., Nov.1994, vol. 30, no. 6, s.4743-4745 [9] HARRIS, T., Revolve Magnetic Bearings, SKF Revolve Company, Calgary, Canada, Internetový Dokument [10] WIDBRO, L., Magnetic bearings come of age, SKF Company, Alberta, Canada, Internetový document [11] XIAO, W. – WEIDMANN, B.: Modelling of Non-Linear Magnetic Bearings with the Help of the Finite-element Metod. ETEP, vol. 6, no.2, s.131137 [12] HALIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J.: Fyzika, Prométheus Praha a Vutium Brno, 2001 [13] MECOS Traxler AG, Magnetic Bearing, Internetový dokument [14] PEIJNENBURG A.T.A.,. VERMEULEN J.P.M, J. van EIJK, Magnetic levitation systems compared to conventional bearing systems. Micro electronic engineering, 1 Feb. 2005
[15] CHEN, M. – KNOSPE, C.R.: A new approach to the estimation of cutting dynamics using active magnetic bearings. ASME Journal of Manufaturing Science and Engineering. 127, 773 -780, 2005 [16] A.C.P. de Klerk, G.Z. Angelis, J. van Eijk, Design of a next generation 156 6-DoF stage for scanning applications in vacuum with nanometer 157 accuracy and mGauss magnetic stray field, in: Proceedings of the 19th 158 ASPE Annual Meeting, Orlando, FL, October 24–29, 2004, pp. 60–63..
