Magnetisch lager: typen, hoe het werkt en belangrijkste toepassingen

Wanneer er stroom verloren gaat naar een actief magnetisch lager, valt de rotor op de hulplagers (touchdown). Dit zijn wentellagers met een kleine speling ten opzichte van de magnetische lagerspleet. Ze zijn ontworpen om de rotor op volle snelheid veilig te ondersteunen en te laten draaien zonder contact met de elektromagneetpolen. De drop-gebeurtenis wordt gecontroleerd en de machine komt tot stilstand op de landingslagers. Elk AMB-systeem moet voorzien zijn van touchdown-lagers, en elke installatie moet een ononderbroken stroomvoorziening (UPS) bevatten om stroom te leveren voor een ordelijk gecontroleerde rundown-sequentie in plaats van een onmiddellijke val, waardoor slijtage van de touchdown-lagers tot een minimum wordt beperkt.

Over het algemeen nee. Magnetische lagers hebben een lager draagvermogen per eenheid lagerdiameter dan wentellagers of vloeistoffilmlagers. Een wentellager met een boring van 100 mm zou een statische belasting van enkele honderden kN kunnen dragen; een magnetisch lager met een vergelijkbare buitendiameter ondersteunt misschien 10-30 kN, afhankelijk van het ontwerp van de elektromagneet en de toegestane vermogensdissipatie. Dit is de reden waarom magnetische lagers zelden worden gebruikt in toepassingen die hoge radiale belastingen vereisen bij gematigde snelheden - hun voordeel ligt in hoge snelheid, precisie, vervuilingsgevoeligheid of onderhoudsvrije werking, niet in ruwe belastingscapaciteit. Rotors voor magnetische lagersystemen moeten vanaf het begin met deze belastingsbeperking in gedachten worden ontworpen.

De magnetische lagerstator- en rotorcomponenten – de lamellen, spoelen en behuizingen – zijn geen slijtageonderdelen en hebben bij normaal bedrijf geen gedefinieerde levensduur tegen vermoeiing, omdat er geen contact tussen hen is. De beperkende slijtagecomponenten zijn de touchdown-lagers, die preventief worden vervangen, doorgaans elke 3 tot 5 jaar of na een bepaald aantal rotorvalbeurten. De elektronica (eindversterkers, controllerkaarten) hebben een verwachte levensduur van 10 tot 15 jaar, met indien nodig reparatie op componentniveau of vervanging van de kaart. Uit veldrapporten van pijpleiding- en procescompressorinstallaties blijkt dat machines met magnetische lagers al meer dan 20 jaar werken met de originele lagerhardware in gebruik, met alleen onderhoud aan de touchdownlagers en de elektronica.

Ja, magnetische lagersystemen kunnen en worden gebruikt in ATEX/IECEx-geclassificeerde gevaarlijke gebieden. De elektromagneten en sensoren in de lagerbehuizing staan ​​in contact met het procesgas en deze componenten kunnen worden ontworpen en beoordeeld voor gebruik in omgevingen met ontvlambare gassen. De schakelkast en eindversterkers bevinden zich doorgaans buiten het gevaarlijke gebied in een veilige ruimte en zijn via afgeschermde kabels met het lager verbonden. Deze scheiding van de actieve elektronica van de gevaarlijke omgeving is standaardpraktijk bij aardgascompressie-installaties. Gebruikers moeten verifiëren dat de specifieke productconfiguratie de juiste beoordeling voor gevaarlijke gebieden heeft voor hun zone en gasgroep.

Beide gebruiken gecontroleerde magnetische krachten om een ​​object contactloos te laten zweven, maar de toepassingen en schalen zijn verschillend. Maglev-transportsystemen laten een volledig treinvoertuig zweven en voortbewegen langs een geleidingsbaan, waarvoor grootschalige lineaire elektromagnetische infrastructuur nodig is. Magnetische lagers ondersteunen roterende assen in machines – compressoren, turbines, spindels, vliegwielen – en zijn eerder een onderdeel van een grotere machine dan een op zichzelf staand transportsysteem. De onderliggende fysica- en controleprincipes zijn nauw verwant; in feite heeft actief onderzoek naar magnetische lagers rechtstreeks bijgedragen aan de controlemethoden die worden gebruikt in moderne commerciële maglev-railsystemen zoals de Shanghai Transrapid-lijn en de Japanse SCMaglev. Op functioneel niveau is een magnetisch lager in wezen een maglevsysteem dat wordt toegepast op een roterende as in een machinebehuizing.

Retrofit is technisch mogelijk, maar vereist aanzienlijk technisch werk. De rotor moet worden aangepast of vervangen om de lageraanvoertappen toe te voegen met het juiste materiaal en de juiste geometrie, en het lagerhuis moet opnieuw worden ontworpen om plaats te bieden aan de elektromagneetstators, sensoren en hulplagers. De rotordynamiek zal veranderen met de nieuwe lagerstijfheid en dempingskarakteristieken, dus een volledige rotordynamische analyse en herbeoordeling van kritische snelheden is vereist. In sommige gevallen is het bestaande rotorontwerp compatibel met het achteraf aanbrengen van magnetische lagers; in andere gevallen is een nieuwe rotor nodig. Verschillende bedrijven – waaronder Waukesha Bearings en SKF Magnetic Mechatronics – hebben retrofitprojecten uitgevoerd op centrifugaalcompressoren, en er zijn gepubliceerde casestudies beschikbaar van de Turbomachinery and Pump Symposia proceedings (Texas A&M University).

Temperatuur beïnvloedt verschillende componenten van een magnetisch lagersysteem op verschillende manieren. De remanente fluxdichtheid van permanente magneten neemt af bij toenemende temperatuur. Dit is een primaire ontwerpbeperking voor hybride lagers die gebruik maken van permanente magneten van zeldzame aardmetalen, die bij temperaturen boven 150°C een aanzienlijk krachtvermogen kunnen verliezen. De wikkelingsisolatie in de elektromagnetische spoelen stelt een bovengrens voor de temperatuur van de lagerstator in; Hoge temperatuur klasse H of klasse N isolatie breidt dit uit tot respectievelijk 180°C of 200°C. Het ferromagnetische lamineringsmateriaal verliest permeabiliteit naarmate het de Curietemperatuur nadert (ongeveer 770°C voor ijzer), waardoor de draagkracht bij zeer hoge temperaturen afneemt. Aan de lage kant is cryogene werking bij temperaturen van vloeibare stikstof of vloeibaar helium haalbaar: turbo-expanders in luchtscheidingsinstallaties en LNG-installaties werken met magnetische lagers bij cryogene procesgastemperaturen.

Qua geïnstalleerd basisvolume is de olie- en gas-/aardgascompressiesector de grootste industriële gebruiker van actieve magnetische lagers in grote turbomachines. Vacuümapparatuur voor de productie van halfgeleiders is qua aantal eenheden de grootste gebruiker. HVAC in de bouw is een groeiend segment, aangedreven door de adoptie van koelmachines met magnetische lagers door grote merken. Medische apparatuur – met name implanteerbare harthulpmiddelen – is een kleine maar waardevolle markt waar de technologie de klinische zorgstandaard is geworden voor geavanceerde ondersteuning bij hartfalen. Energieopslag via vliegwielen is een opkomend segment met groeiende installaties op het gebied van netfrequentieregulering.