Načelo delovanja in klasifikacija magnetnih ležajev

 

Magnetni ležajSisteme lahko glede na njihova načela delovanja razdelimo v tri kategorije: aktivni magnetni ležaj, pasivni magnetni ležaj in hibridni magnetni ležaj.

 

Aktivni magnetni ležaj

 

Aktivni magnetni ležaji uporabljajo nadzorovano elektromagnetno silo za levitacijo vrteče se gredi, ki je sestavljena predvsem iz rotorjev, solenoidov, senzorjev, krmilnikov in ojačevalnikov moči. Solenoidi so nameščeni na statorju, ki je obešen v magnetnem polju, ki ga ustvarjajo elektromagneti, nameščeni v radialni simetriji, od katerih je vsak opremljen z enim ali več senzorji za nenehno spremljanje sprememb položaja gredi. Signal, ki ga senzor oddaja, s pomočjo elektronskega krmilnega sistema popravi tok skozi elektromagnet, da se nadzoruje privlačnost elektromagneta, tako da se vrteča se gred vrti v stabilnem in uravnoteženem stanju ter doseže določene zahteve glede natančnosti.

 

Aktivne magnetne ležaje lahko glede na različne načine krmiljenja razdelimo na ležaje s tokovnim krmiljenjem in ležaje s krmiljenjem napetosti, glede na različne načine podpore pa na radialne magnetne ležaje in aksialne magnetne ležaje. Trenutno se med aktivnimi magnetnimi ležaji najpogosteje uporablja magnetni ležaj z enosmernim krmiljenjem.

 

Mehanski del aktivnega magnetnega ležaja je običajno sestavljen iz radialnega ležaja in aksialnega ležaja, radialni ležaj pa je sestavljen iz statorja (elektromagneta) in rotorja; aksialni ležaji so sestavljeni iz statorja (elektromagneta) in potisne plošče.

 

Ker ima aktivni magnetni ležaj prednosti položaja rotorja, lahko togost in dušenje ležaja določi krmilni sistem, je bil najpogosteje uporabljen na področju magnetne levitacije, raziskave aktivnih magnetnih ležajev pa so bile vedno v središču raziskav tehnologije magnetne levitacije. Po letih trdega dela so njegova teorija in metode načrtovanja postale vse bolj zrele.

 

Pasivni magnetni ležaj

 

Pasivni magnetni ležaj kot oblika magnetnega ležaja ima svoje edinstvene prednosti: je majhen, ne porabi energije in ima preprosto strukturo. Največja razlika med pasivnimi in aktivnimi magnetnimi ležaji je v tem, da prvi nimajo aktivnega elektronskega krmilnega sistema, temveč za lebdenje vrteče se gredi uporabljajo značilnosti samega magnetnega polja. Trenutno so najpogosteje uporabljeni pasivni magnetni ležaji ležaji s trajnimi magneti, sestavljeni iz trajnih magnetov. Ležaje s trajnimi magneti lahko razdelimo na dve vrsti: odbojne in sesalne.

 

Pasivni ležaji s trajnimi magneti se lahko uporabljajo kot radialni ležaji in kot aksialni ležaji, oba pa sta lahko sesalna ali odbojna. Glede na smer magnetizacije in relativni položaj magnetnega obroča imajo ležaji s trajnimi magneti različne strukture magnetnih vezij. Vendar obstajata dve osnovni strukturi.

 

Druga vrsta pasivnega magnetnega ležaja temelji na sesalni sili, ki deluje med magnetiziranimi mehkomagnetnimi komponentami. Ko se komponenta rotorja premika radialno, sesalni učinek izvira iz spremembe magnetne upornosti, zato se imenuje tudi "magnetorezistivni ležaj". Ta vrsta ležaja je lahko zasnovana tako, da se del s trajnim magnetom ne vrti, ampak se vrti samo del iz mehkega železa, kar zagotavlja boljšo stabilnost sistema.

 

Kombinacija stabilizacijskih učinkov reluktančnih ležajev in aktivnih solenoidov ustvari magnetni ležajni sistem z minimalno porabo energije.

 

Hibridni magnetni ležaji

 

Hibridni magnetni ležaji so oblikovani na osnovi aktivnih magnetnih ležajev, pasivnih magnetnih ležajev in nekaterih drugih pomožnih podpornih in stabilizacijskih struktur - nekakšen kombiniran sistem magnetnih ležajev. Upošteva celovite značilnosti aktivnih magnetnih ležajev in pasivnih magnetnih ležajev.

 

Hibridni magnetni ležaj uporablja magnetno polje, ki ga ustvarja trajni magnet, za nadomestitev statičnega magnetnega polja elektromagneta, kar lahko ne le znatno zmanjša porabo energije ojačevalnika moči, temveč tudi prepolovi število ampernih obratov elektromagneta, zmanjša prostornino magnetnega ležaja in izboljša nosilnost.

 

Ker permanentni magnet ustvarja prednapetostno magnetno polje, elektromagnet pa nadzorovano magnetno polje, imajo hibridni magnetni ležaji s permanentnim magnetom naslednje prednosti:

 

1) Stalni magnet se uporablja za zagotavljanje statičnega magnetnega polja prednapetosti, elektromagnet pa zagotavlja le krmilno magnetno polje za uravnoteženje obremenitve ali zunanjih motenj, kar lahko prepreči izgubo moči zaradi toka prednapetosti sistema in zmanjša segrevanje tuljave.

 

2) Število obratov, potrebnih za elektromagnet hibridnega magnetnega ležaja, je veliko manjše kot pri aktivnem magnetnem ležaju, kar prispeva k zmanjšanju prostornine magnetnega ležaja in varčevanju z materiali. Ta vrsta ležaja ima prednosti majhnosti, majhne teže in visoke učinkovitosti ter je primerna za miniaturizacijo in majhne aplikacije.