Всем известно, что магниты имеют свойство притягивать металлы. Также один магнит может притянуть другой. Но взаимодействие между ними не ограничено лишь притяжением, они могут отталкивать друг друга. Дело в полюсах магнита - разноименные полюса притягиваются, одноименные - отталкиваются. Это свойство положено в основу всех электродвигателей, и довольно мощных.
Также существует такое понятие, как левитация под действием магнитного поля, когда помещенный над магнитом предмет (имеющий сходный с ним полюс) зависает в пространстве. Этот эффект был применен на практике в так называемом магнитном подшипнике.
Что представляет собой магнитный подшипник
Устройство электромагнитного типа, в котором вращающийся вал (ротор) поддерживается в неподвижной части (статоре) силами магнитного потока, называется подшипником магнитным. Когда механизм находится в работе, на него оказывают влияние физические силы, стремящиеся сместить ось. Чтобы их преодолеть, магнитный подшипник оснастили системой контроля, которая следит за нагрузкой и подает сигнал управления силой магнитного потока. Магниты, в свою очередь, сильнее или слабее воздействует на ротор, сохраняя его в центральном положении.
Магнитный подшипник нашел широкое применение в промышленности. Это в основном мощные турбомашины. Благодаря отсутствию трения и, соответственно, необходимости применять смазочные материалы, во много раз повышается надежность машин. Износ узлов практически не наблюдается. Также повышается качество динамических характеристик и возрастает КПД.
Активные магнитные подшипники
Подшипник магнитный, где силовое поле создается при помощи электромагнитов, называется активным. Электромагниты позиционные расположены в статоре подшипника, ротор представлен металлическим валом. Вся система, обеспечивающая удержание вала в агрегате, называется активным магнитным подвесом (АМП). Он имеет сложное строение и состоит из двух частей:
- блока подшипников;
- системы электронного управления.
Основные элементы АМП
- Подшипник радиальный. Устройство, которое имеет электромагниты на статоре. Они удерживают ротор. На роторе имеются специальные пластины из ферромагнита. При подвешивании ротора в средней точке отсутствует его контакт со статором. Индуктивные датчики отслеживают малейшее отклонение положения ротора в пространстве от номинального. Сигналы от них управляют силой магнитов в той или иной точке для восстановления равновесия в системе. Зазор радиальный составляет 0.50-1.00 мм, осевой - 0.60-1.80 мм.
- Магнитный работает таким же образом, как и радиальный. На валу ротора закреплен упорный диск, по обе стороны которого располагаются электромагниты, закрепленные на статоре.
- Подшипники страховочные предназначены для удержания ротора, когда устройство находится в выключенном состоянии либо в аварийных ситуациях. В процессе работы вспомогательные магнитные подшипники не задействованы. Зазор между ними и валом ротора в два раза меньше, чем у магнитного подшипника. Страховочные элементы собраны на базе шариковых устройств либо
- Электроника управления включает в себя датчики положения вала ротора, преобразователи и усилители. Вся система работает по принципу регулировки магнитного потока в каждом отдельном модуле электромагнита.
Пассивные подшипники магнитного типа
Магнитные подшипники на постоянных магнитах - это системы удержания вала ротора, в которых не используется схема управления, включающая обратную связь. Левитация осуществляется только за счет сил высокоэнергетических постоянных магнитов.
Недостатком такого подвеса является необходимость использования механического упора, что приводит к образованию трения и снижению надежности системы. Магнитный упор в техническом смысле еще не реализован в этой схеме. Поэтому на практике пассивный подшипник применяют нечасто. Есть запатентованная модель, например подвес Николаева, которую пока не удалось повторить.
Магнитная лента в ступичном подшипнике
Понятие "магнитный относится к системе ASB, которая широко используется в современных автомобилях. Подшипник ASB отличается тем, что внутри имеет встроенный датчик скорости вращения колеса. Этот датчик является активным устройством, внедренным в прокладку подшипника. Он построен на базе магнитного кольца, на котором чередуются полюсы элемента, считывающего изменение магнитного потока.
Когда подшипник вращается, происходит постоянное изменение магнитного поля, создаваемого магнитным кольцом. Датчик проводит регистрацию этого изменения, формируя сигнал. Далее сигнал попадает в микропроцессор. Благодаря нему работают такие системы, как ABS и ESP. Уже они корректируют работу автомобиля. ESP отвечает за электронную стабилизацию, ABS регулирует вращение колес, уровень давления в системе - тормозной. Он следит за работой рулевой системы, ускорением в боковом направлении, а также корректирует работу трансмиссии и двигателя.
Главным плюсом подшипника ASB является возможность контролировать скорость вращения даже при очень низких оборотах. При этом массогабаритные показатели ступицы улучшаются, монтаж подшипника упрощается.
Как сделать подшипник магнитный
Простейший магнитный подшипник своими руками сделать несложно. Он не подойдет для практического применения, зато наглядно покажет возможности магнитной силы. Для этого понадобятся четыре неодимовых магнита одного диаметра, два магнита чуть меньшего диаметра, вал, например отрезок пластиковой трубки, и упор, например стеклянная пол-литровая банка. Магниты меньшего диаметра с помощью термоклея крепят к торцам трубки таким образом, чтобы получилась как бы катушка. Посередине одного из этих магнитов снаружи приклеивают пластиковый шарик. Одинаковые полюса должны смотреть наружу. Четыре магнита такими же полюсами вверх раскладывают попарно на расстоянии длины отрезка трубки. Ротор располагают над лежащими магнитами и с той стороны, где приклеен пластиковый шарик, подпирают его пластиковой банкой. Вот магнитный подшипник и готов.
Магнитный подшипник, как и остальные механизмы подшипниковой группы, служит опорой для вращающегося вала. Но в отличие от распространенных подшипников качения и подшипников скольжения соединение с валом является механически бесконтактным, то есть используется принцип левитации.
Классификация и принцип работы
Используя принцип левитации, вращающийся вал буквально парит в мощном магнитном поле. Контролировать движение вала и координировать работу магнитной установки позволяет сложная система датчиков, которая постоянно отслеживает состояние системы и подает необходимые управляющие сигналы, меняя силу притяжения с той или иной стороны.
Магнитные подшипники делятся на две большие группы – активные и пассивные. Более подробно об устройстве каждого типа подшипника ниже.
- Активные магнитные подшипники.
1, 3 – силовые катушки; 2 — вал Различают радиальный и упорные механизмы (по типу воспринимаемой нагрузки), но принцип работы у них один и тот же. Используется специальный ротор (обычный вал не подойдет), модифицированный ферромагнитными блоками. Этот ротор «висит» в магнитном поле, создаваемом электромагнитными катушками, которые находятся на статоре, то есть вокруг вала на 360 градусов, образуя кольцо.
Между ротором и статором образуется воздушный зазор, что позволяет деталям вращаться с минимальным трением.
Изображенным механизмом управляет специальная электронная система, которая с помощью датчиков постоянно отслеживает положение ротора относительно катушек и при малейшем его смещении подает управляющий ток на соответствующую катушку. Это позволяет поддерживать ротор в одном и том же положении.
Расчет таких системы можно более детально изучить в приложенной документации .
- Пассивные магнитные подшипники.
Ротор оснащен постоянным магнитом так же, как и статор, расположенный кольцом вокруг ротора. Одноименные полюса расположены рядом в радиальном направлении, что создает эффект левитации вала. Подобную систему можно даже собрать своими руками.
Преимущества
Разумеется, основным преимуществом является отсутствие механического взаимодействия между вращающимся ротором и статором (кольцом).Из этого следует, что подобные подшипники очень долговечны, то есть обладают повышенной износоустойчивостью. Также конструкция механизма позволяет использовать его в агрессивных средах – повышенная/пониженная температура, агрессивная воздушная среда. Поэтому МП находят все большее применение в космической промышленности.
Недостатки
К сожалению, система обладает и большим количеством недостатков. К ним относятся:- Сложность управления активными подвесами. Необходима сложная, дорогостоящая электронная система управления подвесом. Ее использование может быть оправдано только в «дорогих» отраслях – космической и военной.
- Необходимость использования страховочных подшипников. Резкое отключение электричества или выход из строя магнитной катушки может привести к катастрофическим последствиям для всей механической системы. Поэтому для страховки совместно с магнитными используют и механические подшипники. В случае отказа основных, они смогут взять на себя нагрузки и избежать серьезной поломки.
- Нагрев обмотки катушек. Вследствие прохождения тока, создающего магнитное поле, обмотка катушек нагревается, что зачастую является неблагоприятным фактором. Поэтому необходимо использовать специальные охлаждающие установки, что еще больше увеличивает стоимость использования подвеса.
Области применения
Возможность работы при любых температурах, в условиях вакуума и отсутствия смазки позволяет использовать подвесы в космической промышленности, в станках нефтеперерабатывающей промышленности. Также они нашли свое применение в газовых центрифугах для обогащения урана. Различные электростанции также используют магнитные подвесы в своих генерирующих установках.
Ниже несколько интересных видео по теме.
В разнообразной современной электромеханической продукции и технических изделиях, магнитный подшипник является основным узлом, который определяет технические и экономические характеристики и увеличивает безотказный эксплуатационный период. По сравнению с традиционными подшипниками, в магнитных подшипниках полностью отсутствует сила трения между неподвижными и подвижными деталями. Наличие такого свойства позволяет реализовывать повышенные скорости в конструкциях магнитных систем. Магнитные подшипники изготавливаются из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, которые рационально влияют на их свойства. К таким свойствам можно отнести существенное снижение затрат на модельные конструкции систем охлаждения и такой важный параметр, как длительное поддержание магнитного подшипника в рабочем состоянии.
Принцип работы магнитных подвесов
Принцип работы магнитных подвесов основан на применении свободной левитации
, которая создается магнитными и электрическими полями. Вращающий вал с применением таких подвесов, без применения физического контакта, в прямом смысле подвешен в мощном магнитном поле. Относительные обороты его проходят без трения и износа, при этом достигается высочайшая надежность. Основополагающей составляющей магнитного подвеса является магнитная система. Ее основное предназначение – это создание магнитного поля необходимой формы, обеспечение требуемых тяговых характеристик в рабочей области при контрольном определенном смещении ротора и жесткости самого подшипника. Такие параметры магнитных подшипников находятся в прямой зависимости от конструкции магнитной системы, которую необходимо разрабатывать и рассчитывать исходя из ее массогабаритной
составляющей – дорогостоящей системы криогенного охлаждения. На что способны электромагнитное поле магнитных подвесов наглядно можно увидеть на работе детской игрушки Левитрон
. На практике магнитные и электрические подвесы существуют в девяти видах, отличающихся между собой принципом действия:
- магнитные и гидродинамические подвесы;
- подвесы, работающие на постоянных магнитах;
- активные магнитные подшипники;
- кондиционные подвесы;
- LC- резонансные виды подвесов;
- индукционные подшипники;
- диамагнитные типы подвесов;
- сверхпроводящие подшипники;
- электростатические подвесы.
Если протестировать все эти типы подвесов по популярности, то в нынешних реалиях, заняли лидирующие позиции активные магнитные подшипники (АМП
). По виду они представляют собой мехатронную систему устройства, в которой стабильное состояние ротора, осуществляется присутствующими силами магнитного притяжения. Эти силы воздействуют на ротор с боку электромагнитов, электрический ток в которых настраивается системой автоматического управления на сигналах датчиков электронного блока управления. В таких блоках управления может применяться как традиционная аналоговая, так и более инновационная система цифровой обработки сигналов. Активные магнитные подшипники имеют великолепные динамические характеристики, надежность и высокий КПД. Уникальные возможности активных магнитных подшипников способствуют их повсеместному внедрению. АМП
эффективно применяются, к примеру, в таком оборудовании:
- газотурбинные установки;
- скоростные роторные системы;
- электродвигатели;
- турбодетандеры;
- накопители инерционной энергии и т.д.
Пока активные магнитные подшипники требуют внешнего источника тока и дорогостоящей и сложной аппаратуры управления. На данный момент разработчики АМП
проводят активные работы по созданию пассивного вида магнитных подшипников.
Говоря о магнитных подшипниках или бесконтактных подвесах, нельзя не отметить их замечательные качества: не нужна смазка, отсутствуют трущиеся части, следовательно нет потерь на трение, крайне низкий уровень вибрации, высокая относительная скорость, малое энергопотребление, система автоматического контроля и мониторинга состояния подшипников, возможность герметизации.
Все эти достоинства делают магнитные подшипники лучшими решениями для множества применений: для газовых турбин, для криогенной техники, в высокооборотных электрогенераторах, для вакуумных устройств, для различных станков и прочего оборудования, в том числе высокоточного и высокоскоростного (порядка 100000 оборотов в минуту), где важно отсутствие механических потерь, помех и погрешностей.
Принципиально магнитные подшипники подразделяются на два типа: пассивные и активные магнитные подшипники. Пассивные магнитные подшипники изготавливаются , но такой подход далеко не идеален, поэтому используется он крайне редко. Более гибкие и широкие технические возможности открываются с подшипниками активными, в которых магнитное поле создается переменными токами в обмотках сердечников.
Как работает бесконтактный магнитный подшипник
Работа активного магнитного подвеса или подшипника базируется на принципе электромагнитной левитации - левитации с использованием электрического и магнитного полей. Здесь вращение вала в подшипнике происходит без физического контакта поверхностей друг с другом. Именно по этой причине полностью исключается смазка, а механический износ тем не менее отсутствует. Так повышаются надежность и КПД машин.
Специалисты также отмечают важность наличия контроля положения вала ротора. Система датчиков непрерывно следит за положением вала и подает сигналы системе автоматического управления для точного позиционирования путем корректировки позиционирующего магнитного поля статора, - сила притяжения с нужной стороны вала делается сильнее или слабее путем регулировки тока в статорных обмотках активных подшипников.
Два конических активных подшипника либо два радиальных и один осевой активные подшипники - позволяют бесконтактно подвесить ротор буквально в воздухе. Система управления подвесом работает непрерывно, она может быть цифровой или аналоговой. Так обеспечивается высокая прочность удержания, высокая грузоподъемность, и регулируемые жесткость и амортизация. Данная технология позволяет подшипникам работать в условиях низких и высоких температур, в вакууме, на больших скоростях и в условиях повышенных требований к стерильности.
Из вышеизложенного ясно, что основными частями системы активного магнитного подвеса являются: магнитный подшипник и автоматическая система электронного управления. Электромагниты все время действуют на ротор с разных сторон, и действие их подчинено электронной системе контроля.
Ротор радиального магнитного подшипника оснащен ферромагнитными пластинами, на которые и действует удерживающее магнитное поле от катушек статора, в результате чего ротор оказывается подвешен в центре статора, не соприкасаясь с ним. Индуктивные датчики все время следят за положением ротора. Любое отклонение от правильного положения приводит к появлению сигнала, который подается на контроллер, чтобы тот в свою очередь вернул ротор в нужное положение. Радиальный зазор может составлять от 0,5 до 1 мм.
Аналогичным образом функционирует упорный магнитный подшипник. Электромагниты в форме кольца закреплены на валу упорного диска. Электромагниты располагаются на статоре. На концах вала располагаются осевые датчики.
Для надежного удержания ротора машины во время ее остановки или в момент отказа системы удержания, используются страховочные шариковые подшипники, которые закреплены так, что зазор между ними и валом выставлен равным половине того, что имеет место в магнитном подшипнике.
Система автоматического регулирования располагается в шкафу, и отвечает за правильную модуляцию тока, проходящего по электромагнитам, в соответствии с сигналами от датчиков положения ротора. Мощность усилителей связана с максимальной силой электромагнитов, величиной воздушного зазора и временем реакции системы на изменение положения ротора.
Возможности бесконтактных магнитных подшипников
Максимально возможная скорость вращения ротора в радиальном магнитном подшипнике ограничена лишь способностью ферромагнитных пластин ротора сопротивляться центробежной силе. Обычно предел окружной скорости составляет 200 м/с, в то время как для осевых магнитных подшипников предел ограничен стойкостью литой стали упора - 350 м/с с обычными материалами.
От применяемых ферромагнетиков зависит и максимальная нагрузка, которую способен выдержать подшипник соответствующего диаметра и длины статора подшипника. Для стандартных материалов максимальное давление - 0,9 Н/см2, что меньше чем у обычных контактных подшипников, однако проигрыш в нагрузке может быть компенсирован высокой окружной скоростью при увеличенном диаметре вала.
Энергопотребление активного магнитного подшипника не очень велико. Наибольшие потери в подшипнике приходятся на вихревые токи, но это в десятки раз меньше чем та энергия, которая растрачивается при использовании в машинах обычных подшипников. Муфты, термоизоляционные барьеры и другие устройства исключаются, подшипники эффективно работают в условиях вакуума, гелия, кислорода, морской воды и т. д. Диапазон температур составляет от -253°С до +450°С.
Относительные недостатки магнитных подшипников
Между тем, есть у магнитных подшипников и недостатки.
В первую очередь - необходимость применять вспомогательные страховочные подшипники качения, которые выдерживают максимум два отказа, после чего их нужно менять на новые.
Во-вторых, сложность системы автоматического управления, которая при выходе из строя потребует сложного ремонта.
В-третьих, температура обмотки статора подшипника при высоких токах повышается - обмотки греются, и им нужно персональное охлаждение, лучше если жидкостное.
Наконец, материалоемкость бесконтактного подшипника оказывается высокой, потому что площадь несущей поверхности для поддержания достаточной магнитной силы должна быть обширной - сердечник статора подшипника получается большим и тяжелым. Плюс явление магнитного насыщения.
Но, несмотря на кажущиеся недостатки, магнитные подшипники уже достаточно широко применяются, в том числе в оптических системах высокой точности и в лазерных установках. Так или иначе, начиная с середины прошлого века магнитные подшипники все время совершенствуются.
Ниже рассмотрена конструкция магнитного подвеса Николаева, который утверждал, что можно обеспечить левитацию постоянного магнита без упора. Показан опыт с проверкой работы данной схемы.
Сами неодимовые магниты продаются в этом китайском магазине .
Магнитная левитация без затрат энергии – фантастика или реальность? Можно ли сделать простейший магнитный подшипник? И что же на самом деле показал Николаев в начале 90-х? Давайте рассмотрим эти вопросы. Каждый, кто когда-либо держал в руках пару магнитов, наверняка задавался вопросом: “Почему не получается заставить один магнит парить над другим без посторонней поддержки? Обладая таким уникальным , как постоянное магнитное поле, они отталкиваются одноименными полюсами совершенно без затрат энергии. Это великолепная основа для технического творчества! Но не все так просто.
Еще в 19 веке британский ученый Earnshaw доказал, что используя только постоянные магниты, невозможно устойчиво удерживать левитирующий объект в гравитационном поле. Частичная левитация или, иначе говоря, псевдолевитация, возможна лишь при механической поддержке.
Как сделать магнитный подвес?
Простейший магнитный подвес можно сделать за пару минут. Понадобятся 4 магнита в основании,чтобы сделать опорную базу, и пара магнитов, закрепленных на самом левитирующим объекте, в качестве которого можно взять, например, фломастер. Тем самым мы получили парящую конструкцию с неустойчивым равновесием по обе стороны оси фломастера. Стабилизировать положение поможет обычный механический упор.
Простейший магнитный подвес с упором
Эту конструкцию можно настроить таким образом, чтобы основной вес левитирующего объекта ложился на опорные магниты, а боковая сила упора была настолько мала, что механическое трение там практически стремится к нулю.
Теперь было бы логично попытаться заменить механический упор на магнитный, чтобы добиться абсолютной магнитной левитации. Но, к сожалению, сделать это не получается. Возможно, дело в примитивности конструкции.
Альтернативная конструкция.
Рассмотрим более надежную систему такого подвеса. В качестве статора используются кольцевые магниты, сквозь которые проходит ось вращения подшипника. Оказывается, в определенной точке кольцевые магниты обладают свойством стабилизировать другие магниты вдоль своей оси намагниченности. А в остальном имеем то же самое. Нет устойчивого равновесия вдоль оси вращения. Это и приходится устранять регулируемым упором.
Рассмотрим конструкцию более жесткую.
Возможно здесь удастся стабилизировать ось при помощи упорного магнита. Но и здесь так и не удалось добиться стабилизации. Возможно, упорные магниты нужно размещать с обеих сторон от оси вращения подшипника. В интернете давно обсуждается видео с магнитным подшипником Николаева. Качество изображения не позволяет детально рассмотреть эту конструкцию и складывается впечатление что ему удалось добиться устойчивой левитации исключительно при помощи постоянных магнитов. При этом схема устройства идентична показанной выше. Добавлены лишь второй магнитный упор.
Проверка конструкции Геннадия Николаева.
Сначала посмотрите полное видео, на котором показан магнитный подвес Николаева. Этот ролик заставил сотни энтузиастов в России и за рубежом попытаться сделать конструкцию, которая смогла бы создать левитацию без упора. Но, к сожалению, в настоящее время не создана действующая конструкция такого подвеса. Это заставляет усомниться в модели Николаева.
Для проверки была сделана точно такая-же конструкция. Кроме всех дополнений были поставлены такие же, как у Николаева, ферритовые магниты. Они слабее неодимовых и не выталкивают с такой огромной силой. Но проверка в серии экспериментов принесла только разочарование. К сожалению, и эта схема оказалась нестабильной.
Заключение.
Проблема в том что кольцевые магниты, какими бы сильными они не были, не в состоянии удержать ось подшипников в равновесии при том усилии со стороны боковых упорных магнитов, которое нужно для ее боковой стабилизации. Ось просто соскальзывают в сторону при малейшем движении. Другими словами, сила, с которой кольцевые магниты стабилизируют ось внутри себя, всегда будет меньше силы, необходимой для стабилизации оси в боковом направлении.
Так что же все-таки показал Николаев? Если более внимательно посмотреть это видео, то возникает подозрение, что при плохом качестве видео просто не видно игольчатый упор. Случайно ли Николаев не старается демонстрировать самое интересное? Не отвергается сама возможность абсолютной левитация на постоянных магнитах, закон сохранения энергии здесь не нарушается. Возможно, еще не создали такую форму магнита, которая создаст необходимую потенциальную яму, надежно удерживающую связку других магнитов в устойчивом равновесии.
Далее схема магнитного подвеса
Чертеж магнитного подвеса на постоянных магнитах
