Manyetik Rulman: Çeşitleri, Nasıl Çalışır ve Temel Uygulamalar

Aktif bir manyetik yatağın gücü kesildiğinde, rotor yardımcı (konma) yatakların üzerine düşer. Bunlar, manyetik yatak boşluğuna göre küçük bir açıklığa sahip yuvarlanma elemanlı yataklardır. Rotoru tam hızda güvenli bir şekilde destekleyecek ve elektromıknatıs kutuplarına temas etmeden dönmesine izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Düşme olayı kontrol edilir ve makine temas eden yatakların üzerinde durur. Her AMB sisteminin temas yatakları içermesi gerekir ve her kurulumun, temas yataklarındaki aşınmayı en aza indiren ani bir düşüş yerine düzenli olarak kontrol edilen bir çalışma dizisi için güç sağlamak amacıyla kesintisiz bir güç kaynağı (UPS) içermesi gerekir.

Genel olarak hayır. Manyetik rulmanlar, yuvarlanma elemanlı veya akışkan filmli rulmanlara göre birim rulman çapı başına daha düşük yük kapasitesine sahiptir. 100 mm çaplı bir yuvarlanma elemanlı rulman, birkaç yüz kN'lik bir statik yükü destekleyebilir; benzer dış çapa sahip bir manyetik yatak, elektromıknatıs tasarımına ve izin verilen güç dağıtımına bağlı olarak belki 10–30 kN'yi destekler. Bu nedenle manyetik rulmanlar orta hızlarda yüksek radyal yük gerektiren uygulamalarda nadiren kullanılır; avantajları ham yük kapasitesi değil, yüksek hız, hassasiyet, kirlenme hassasiyeti veya bakım gerektirmeyen çalışmadır. Manyetik yatak sistemlerine yönelik rotorlar, başlangıçtan itibaren bu yük sınırlaması dikkate alınarak tasarlanmalıdır.

Manyetik yatak stator ve rotor bileşenleri (laminasyonlar, bobinler ve mahfazalar) aşınan parçalar değildir ve aralarında temas olmadığından normal çalışma sırasında tanımlanmış bir yorulma ömrüne sahip değildir. Sınırlayıcı aşınma bileşenleri, genellikle her 3-5 yılda bir veya belirli sayıda rotor düşüşü olayından sonra önleyici bir programa göre değiştirilen temas yataklarıdır. Elektroniklerin (güç amplifikatörleri, kontrol kartları), gerektiğinde bileşen düzeyinde onarım veya kart değişimiyle birlikte 10-15 yıllık hizmet ömrü bekleniyor. Boru hattı ve proses kompresörü kurulumlarından elde edilen saha raporları, manyetik rulman makinelerinin 20 yılı aşkın süredir orijinal rulman donanımı çalışır durumdayken, yalnızca temas rulmanı ve elektronik bakımıyla çalıştığını gösteriyor.

Evet, manyetik yatak sistemleri ATEX/IECEx olarak sınıflandırılan tehlikeli alanlarda kullanılabilir ve kullanılmaktadır. Rulman muhafazasının içindeki elektromıknatıslar ve sensörler proses gazıyla temas halindedir ve bu bileşenler yanıcı gaz ortamlarında kullanılmak üzere tasarlanıp değerlendirilebilir. Kontrol kabini ve güç amplifikatörleri genellikle tehlikeli alanın dışında, güvenli bir odada bulunur ve yatağa ekranlı kablolarla bağlanır. Aktif elektroniklerin tehlikeli alandan bu şekilde ayrılması, doğal gaz sıkıştırma kurulumlarında standart bir uygulamadır. Kullanıcılar, belirli ürün konfigürasyonunun, kendi bölgeleri ve gaz grupları için uygun tehlikeli alan değerlendirmesine sahip olduğunu doğrulamalıdır.

Her ikisi de bir nesneyi temas etmeden havaya kaldırmak için kontrollü manyetik kuvvetler kullanır, ancak uygulamalar ve ölçekler farklıdır. Maglev taşıma sistemleri, büyük ölçekli doğrusal elektromanyetik altyapı gerektiren bir tren aracının tamamını bir kılavuz yolu boyunca havaya kaldırır ve iter. Manyetik rulmanlar, makinelerdeki (kompresörler, türbinler, miller, volanlar) dönen milleri destekler ve kendi başına bir taşıma sisteminden ziyade daha büyük bir makinenin bir bileşenidir. Temel fizik ve kontrol ilkeleri birbiriyle yakından ilişkilidir; Aslında aktif manyetik yatak araştırması, Şanghay Transrapid hattı ve Japon SCMaglev hattı gibi modern ticari maglev raylı sistemlerinde kullanılan kontrol yöntemlerine doğrudan katkıda bulunmuştur. İşlevsel düzeyde, manyetik yatak esasen bir makine gövdesi içindeki dönen bir eksene uygulanan bir maglev sistemidir.

Yenileme teknik olarak mümkündür ancak önemli mühendislik çalışmaları gerektirir. Uygun malzeme ve geometriye sahip yatak yerleştirme muylularının eklenmesi için rotorun değiştirilmesi veya değiştirilmesi gerekir ve yatak yuvası, elektromıknatıs statörlerini, sensörleri ve yardımcı yatakları barındıracak şekilde yeniden tasarlanmalıdır. Rotor dinamiği, yeni yatak sertliği ve sönümleme özelliklerine göre değişecektir, bu nedenle tam bir rotor dinamiği analizi ve kritik hızların yeniden değerlendirilmesi gerekmektedir. Bazı durumlarda mevcut rotor tasarımı, manyetik yatağın yenilenmesiyle uyumludur; diğerlerinde yeni bir rotora ihtiyaç vardır. Waukesha Bearings ve SKF Manyetik Mekatronik dahil olmak üzere pek çok şirket, santrifüj kompresörler üzerinde yenileme projeleri gerçekleştirmiştir ve yayınlanmış vaka çalışmalarına Turbomakine ve Pompa Sempozyumu bildirilerinden (Texas A&M Üniversitesi) ulaşılabilir.

Sıcaklık, manyetik yatak sisteminin çeşitli bileşenlerini farklı şekillerde etkiler. Kalıcı mıknatısların kalıcı akı yoğunluğu artan sıcaklıkla birlikte azalır; bu, 150°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda önemli ölçüde kuvvet kapasitesini kaybedebilen, nadir toprak kalıcı mıknatısları kullanan hibrit rulmanlar için birincil tasarım kısıtlamasıdır. Elektromıknatıs bobinlerindeki sargı yalıtımı, yatak statörü için bir üst sıcaklık sınırı belirler; yüksek sıcaklık sınıfı H veya sınıf N yalıtımı bunu sırasıyla 180°C veya 200°C'ye kadar genişletir. Ferromanyetik laminasyon malzemesi, Curie sıcaklığına (demir için yaklaşık 770°C) yaklaştıkça geçirgenliğini kaybeder ve çok yüksek sıcaklıklarda taşıma kuvvetini azaltır. En düşük seviyede, sıvı nitrojen veya sıvı helyum sıcaklıklarında kriyojenik işlem mümkündür; hava ayırma tesislerindeki ve LNG tesislerindeki turbo genişleticiler, kriyojenik proses gazı sıcaklıklarında manyetik yataklarla çalışır.

Kurulu taban hacmi bakımından petrol ve gaz/doğal gaz sıkıştırma sektörü, büyük turbomakinelerdeki aktif manyetik yatakların en büyük endüstriyel kullanıcısıdır. Yarı iletken üretimine yönelik vakum ekipmanı, birim sayısına göre en büyük kullanıcıdır. HVAC binaları, büyük markaların manyetik yataklı soğutucuları benimsemesiyle büyüyen büyüyen bir segmenttir. Tıbbi cihaz - özellikle implante edilebilir kardiyak destek cihazları - teknolojinin ileri kalp yetmezliği desteği için klinik bakım standardı haline geldiği küçük ama yüksek değerli bir pazardır. Volanlar aracılığıyla enerji depolama, şebeke frekansı düzenlemesinde kurulumların giderek arttığı yeni ortaya çıkan bir segmenttir.