Magnetlager - Magnetic bearing

Ein Magnetlager

Ein Magnetlager ist ein Lagertyp , der eine Last durch Magnetschweben trägt . Magnetlager stützen bewegliche Teile ohne physischen Kontakt. Sie können beispielsweise eine rotierende Welle schweben lassen und eine Relativbewegung mit sehr geringer Reibung und ohne mechanischen Verschleiß ermöglichen. Magnetlager unterstützen die höchsten Drehzahlen aller Lagerarten und haben keine maximale Relativgeschwindigkeit.

Aktivlager haben mehrere Vorteile: Sie sind verschleißarm, reibungsarm und können Unregelmäßigkeiten in der Massenverteilung oft automatisch ausgleichen, sodass sich Rotoren sehr vibrationsarm um ihren Massenschwerpunkt drehen können .

Passive Magnetlager verwenden Permanentmagnete und benötigen daher keine Eingangsleistung, sind jedoch aufgrund der Einschränkungen des Earnshaw-Theorems schwierig zu konstruieren . Techniken, die diamagnetische Materialien verwenden, sind relativ unentwickelt und hängen stark von den Materialeigenschaften ab. Daher sind die meisten Magnetlager aktive Magnetlager, die Elektromagnete verwenden, die eine kontinuierliche Leistungsaufnahme und ein aktives Steuerungssystem erfordern, um die Last stabil zu halten. In einer kombinierten Ausführung werden häufig Permanentmagnete zur Aufnahme der statischen Last und das aktive Magnetlager verwendet, wenn das schwebende Objekt von seiner optimalen Position abweicht. Magnetlager benötigen im Falle eines Strom- oder Steuerungsausfalls typischerweise ein Stützlager.

Magnetlager werden in verschiedenen industriellen Anwendungen wie der Stromerzeugung , der Erdölraffination, dem Werkzeugmaschinenbetrieb und der Erdgasförderung eingesetzt. Sie werden auch in der Zippe-Zentrifuge , zur Urananreicherung und in Turbomolekularpumpen eingesetzt , wo ölgeschmierte Lager eine Verschmutzungsquelle darstellen würden.

Entwurf

Grundbedienung für eine einzelne Achse

Ein aktives Magnetlager arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Aufhängung basierend auf der Induktion von Wirbelströmen in einem rotierenden Leiter . Wenn sich ein elektrisch leitendes Material in einem Magnetfeld bewegt , wird im Material ein Strom erzeugt, der der Änderung des Magnetfelds entgegenwirkt (bekannt als Lenz'sches Gesetz ). Dadurch wird ein Strom erzeugt, der zu einem Magnetfeld führt, das dem vom Magneten entgegengesetzt orientiert ist . Das elektrisch leitende Material wirkt somit wie ein magnetischer Spiegel .

Die Hardware besteht aus einer Elektromagnetbaugruppe , einer Reihe von Leistungsverstärkern, die den Elektromagneten Strom zuführen, einem Controller und Spaltsensoren mit zugehöriger Elektronik, um die zur Steuerung der Position des Rotors innerhalb des Spalts erforderliche Rückmeldung bereitzustellen. Der Leistungsverstärker liefert den gleichen Vorspannungsstrom an zwei Paare von Elektromagneten auf gegenüberliegenden Seiten eines Rotors. Dieses ständige Tauziehen wird durch die Steuerung vermittelt, die den Vorspannungsstrom durch gleiche und entgegengesetzte Stromstörungen ausgleicht, wenn der Rotor von seiner Mittelposition abweicht.

Die Spaltsensoren sind normalerweise induktiver Natur und erfassen in einem Differenzmodus. Die Leistungsverstärker in einer modernen kommerziellen Anwendung sind Halbleiterbauelemente, die in einer Pulsweitenmodulationskonfiguration arbeiten . Der Controller ist normalerweise ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor .

In Magnetlagern sind typischerweise zwei Arten von Instabilitäten vorhanden. Attraktive Magnete erzeugen eine instabile statische Kraft, die mit zunehmendem Abstand abnimmt und mit abnehmendem Abstand zunimmt. Dies kann zu einer Unwucht des Lagers führen. Zweitens bietet Magnetismus, da er eine konservative Kraft ist , nur eine geringe Dämpfung; Schwingungen können zu einem Verlust der erfolgreichen Federung führen, wenn Antriebskräfte vorhanden sind.

Geschichte

Die folgende Tabelle listet mehrere frühe Patente für aktive Magnetlager auf. Frühere Patente für magnetische Aufhängungen sind zu finden, werden aber hier ausgeschlossen, da sie aus Anordnungen von Permanentmagneten mit problematischer Stabilität nach dem Theorem von Earnshaw bestehen .

Frühe US-Patente für aktive Magnetlager
Erfinder Jahr Patentnummer Titel
Balken, Holmes 1941 2.256.937 Aufhängung drehbarer Körper
Balken 1954 2.691.306 Magnetisch unterstützte rotierende Körper
Balken 1962 3.041.482 Vorrichtung zum Rotieren frei schwebender Körper
Balken 1965 3.196.694 Magnetisches Aufhängungssystem
Wolf 1967 3.316.032 Mehrphasiger Transformator mit magnetischer Aufhängung
Lyman 1971 3.565.495 Magnetische Aufhängevorrichtung
Habermann 1973 3.731.984 Magnetlagerblockvorrichtung zum Abstützen einer vertikalen Welle, die für das Drehen mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist
Habermann, Loyen, Joli, Aubert 1974 3.787.100 Geräte mit rotierenden Elementen, die von Magnetlagern unterstützt werden
Habermann, Brunet 1977 4.012.083 Magnetlager
Habermann, Brunet, LeClère 1978 4.114.960 Radialverschiebungs-Detektorgerät für ein Magnetlager
Croot, Estelle 1990 1.988.024.350 Weitere Verbesserungen bei Magnetlagern
Meeks, Crawford R 1992 5.111.102 Magnetlagerstruktur
Croot, Estelle 1994 1.991.075.982 Nichtlineares Magnetlager

Jesse Beams von der University of Virginia meldete einige der frühesten Patente für aktive Magnetlager während des Zweiten Weltkriegs an. Die Patente betrafen Ultrazentrifugen zur Anreicherung von Isotopen von Elementen, die für das Manhattan-Projekt benötigt werden . Magnetlager reiften jedoch erst durch die Fortschritte in der Festkörperelektronik und der modernen computergestützten Steuerungstechnik mit den Arbeiten von Habermann und Schweitzer. 1987 verbesserte Estelle Croot die aktive Magnetlagertechnologie weiter, aber diese Konstruktionen wurden aufgrund der hohen Produktionskosten, die ein Laserführungssystem verwendeten, nicht hergestellt. Estelle Croot Forschung war Gegenstand von drei australischen Patenten [3] und wurde von Fujikoshi, Nippon Seiko KK und Hitachi finanziert, und ihre Berechnungen wurden in anderen Technologien , die verwendeten Seltene-Erden - Magneten , aber die aktiven Magnetlager wurden nur in dem entwickelten Prototypenstadium. Croots Design umfasste auch ein fortschrittliches computergestütztes Steuerungssystem, während das letzte Design ein nichtlineares Magnetlager war.

Kasarda befasst sich eingehend mit der Geschichte der aktiven Magnetlager. Sie stellt fest, dass die erste kommerzielle Anwendung von aktiven Magnetlagern in Turbomaschinen war . Das aktive Magnetlager ermöglichte die Eliminierung von Ölvorkommen an Kompressoren für die Gaspipelines von NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) in Alberta, Kanada. Dies reduzierte die Brandgefahr und ermöglichte eine erhebliche Reduzierung der Versicherungskosten. Der Erfolg dieser Magnetlagerinstallationen führte dazu, dass NGTL Pionierarbeit in der Forschung und Entwicklung eines digitalen Magnetlager-Steuerungssystems als Ersatz für die analogen Steuerungssysteme der amerikanischen Firma Magnetic Bearings Inc. leistete. 1992 gründete die Magnetlager-Forschungsgruppe von NGTL das Unternehmen Revolve Technologies Inc. [4] für die Kommerzialisierung der digitalen Magnetlagertechnologie. Das Unternehmen wurde später von SKF of Sweden gekauft. Das 1976 gegründete französische Unternehmen S2M war das erste Unternehmen , das aktive Magnetlager kommerziell auf den Markt brachte. An der University of Virginia werden im Rahmen des Rotating Machinery and Controls Industrial Research Program [5] umfangreiche Forschungen zu Magnetlagern fortgesetzt .

In den 1996 beginnenden zehn Jahren installierte das niederländische Öl- und Gasunternehmen NAM zwanzig Gaskompressoren, die jeweils von einem 23-Megawatt-Elektromotor mit variabler Drehzahl angetrieben wurden. Jede Einheit war komplett mit aktiven Magnetlagern sowohl am Motor als auch am Kompressor ausgestattet. Diese Kompressoren werden im Gasfeld Groningen eingesetzt, um das restliche Gas aus diesem großen Gasfeld zu extrahieren und die Feldkapazität zu erhöhen. Das Motor-Kompressor-Design wurde von Siemens ausgeführt und die aktiven Magnetlager wurden von Waukesha Bearings (im Besitz von Dover Corporation ) geliefert . (Ursprünglich wurden diese Lager von Glacier entwickelt, diese Firma wurde später von Federal Mogul übernommen und ist heute Teil von Waukesha Bearings.) Durch die Verwendung von aktiven Magnetlagern und einem Direktantrieb zwischen Motor und Kompressor (ohne Getriebe dazwischen) und von Durch die Verwendung von Trockengasdichtungen wurde ein vollständig trocken-trockenes (ölfreies) System erreicht. Durch die Verwendung von aktiven Magnetlagern sowohl im Treiber als auch im Kompressor (im Vergleich zur herkömmlichen Konfiguration mit Getriebe und Kugellagern) ergibt sich ein relativ einfaches System mit einem sehr großen Betriebsbereich und hohen Wirkungsgraden, insbesondere bei Teillast. Wie im Bereich Groningen kann die komplette Installation auch im Freien platziert werden, ohne dass ein großes Kompressorgebäude erforderlich ist.

Meeks leistete Pionierarbeit bei hybriden magnetischen Lagerkonstruktionen (US-Patent 5,111,102), bei denen Permanentmagnete das Vorspannungsfeld bereitstellen und aktive Steuerspulen für Stabilität und dynamische Steuerung verwendet werden. Diese Konstruktionen mit Permanentmagneten für Vormagnetisierungsfelder sind kleiner und leichter als rein elektromagnetische Lager. Das elektronische Steuersystem ist auch kleiner und benötigt weniger elektrische Leistung, da das Vorspannungsfeld von den Permanentmagneten bereitgestellt wird.

Mit fortschreitender Entwicklung der notwendigen Komponenten stieg auch das wissenschaftliche Interesse auf diesem Gebiet, das seinen Höhepunkt beim ersten Internationalen Symposium on Magnetic Bearings 1988 in Zürich mit der Gründung der International Society of Magnetic Bearings durch Prof. Schweitzer ( ETHZ ), Prof Allaire (University of Virginia) und Prof. Okada (Ibaraki University). Seitdem hat sich das Symposium zu einer zweijährlichen Konferenzreihe mit einem permanenten Portal zur Magnetlagertechnik [6] entwickelt, in dem alle Symposiumsbeiträge zur Verfügung gestellt werden. Das Webportal wird von der internationalen Forschungs- und Industriegemeinschaft unterstützt. 2012 traten Prof. Yohji Okada, Prof. Gerhard Schweitzer und Michael Swann von Waukesha Magnetic Bearings in die Hall of Fame ein und erhielten Auszeichnungen für sein Lebenswerk [7] .

Anwendungen

Zu den Vorteilen von Magnetlagern zählen eine sehr geringe und vorhersehbare Reibung sowie die Möglichkeit, ohne Schmierung und im Vakuum zu laufen. Magnetlager werden zunehmend in Industriemaschinen wie Kompressoren, Turbinen, Pumpen, Motoren und Generatoren eingesetzt.

Magnetlager werden häufig in Wattstundenzählern von Energieversorgern verwendet, um den Stromverbrauch zu Hause zu messen. Sie werden auch in Energiespeicher- oder Transportanwendungen und zur Unterstützung von Geräten im Vakuum verwendet, beispielsweise in Schwungrad-Energiespeichersystemen . Ein Schwungrad im Vakuum hat sehr geringe Windwiderstandsverluste, aber konventionelle Lager versagen im Vakuum aufgrund schlechter Schmierung meist schnell. Magnetlager werden auch verwendet, um Magnetschwebebahnen zu stützen , um eine geräuscharme und reibungslose Fahrt zu erreichen, indem physische Kontaktflächen eliminiert werden. Nachteile sind hohe Kosten, hohes Gewicht und relativ große Abmessungen.

Magnetlager werden auch in einigen Radialverdichtern für Kaltwassersätze verwendet, bei denen eine Welle aus magnetischem Material zwischen Magnetlagern liegt. Eine kleine Strommenge sorgt für eine magnetische Schwebekraft der Welle, die frei in der Luft schwebend bleibt und so keine Reibung zwischen Lager und Welle gewährleistet.

Eine neue Anwendung von Magnetlagern ist in künstlichen Herzen. Die Verwendung magnetischer Aufhängung in ventrikulären Unterstützungssystemen wurde von Prof. Paul Allaire und Prof. Houston Wood von der University of Virginia entwickelt und gipfelte 1999 in der ersten magnetisch aufgehängten ventrikulären Unterstützungszentrifugalpumpe ( VAD ).

Mehrere ventrikuläre Unterstützungsgeräte verwenden Magnetlager, darunter die LifeFlow-Herzpumpe, das linksventrikuläre Unterstützungssystem DuraHeart, das Levitronix CentriMag und das Berlin Heart . Bei diesen Geräten wird das einzelne bewegliche Teil durch eine Kombination aus hydrodynamischer Kraft und magnetischer Kraft aufgehängt . Durch die Eliminierung physischer Kontaktflächen erleichtern Magnetlager die Reduzierung von Bereichen mit hoher Scherbelastung (die zur Schädigung der roten Blutkörperchen führt) und Flussstagnation (die zu Gerinnseln führt) in diesen Blutpumpen.

Calnetix Technologies , Synchrony Magnetic Bearings (Tochtergesellschaft von Johnson Controls International), Waukesha Magnetic Bearings und S2M (Tochtergesellschaft von SKF) gehören zu den wichtigsten Entwicklern und Herstellern von Magnetlagern weltweit.

Zukünftige Fortschritte

Ein axiales homopolares elektrodynamisches Lager

Mit dem Einsatz eines induktionsbasierten Schwebesystems, das in Magnetschwebebahn- Technologien wie dem Inductrack- System vorhanden ist, könnten Magnetlager komplexe Steuersysteme durch die Verwendung von Halbach-Arrays und einfachen Spulen mit geschlossenem Regelkreis ersetzen . Diese Systeme gewinnen an Einfachheit, sind aber hinsichtlich Wirbelstromverlusten weniger vorteilhaft . Für rotierende Systeme ist es möglich, homopolare Magnetdesigns anstelle von mehrpoligen Halbach-Strukturen zu verwenden, was die Verluste erheblich reduziert.

Ein Beispiel, das die Theoremprobleme von Earnshaw umgangen hat, ist das von Dr. Torbjörn Lembke erfundene homopolare elektrodynamische Lager. Dies ist ein neuartiger elektromagnetischer Lagertyp, der auf einer passiven Magnettechnologie basiert. Es benötigt keine Steuerelektronik zum Betrieb und funktioniert, da die durch die Bewegung erzeugten elektrischen Ströme eine Rückstellkraft bewirken.

Das Funktionsprinzip basiert auf der Induktion von Wirbelströmen in einem rotierenden Leiter . Wenn sich ein elektrisch leitendes Material in einem Magnetfeld bewegt , wird im Material ein Strom erzeugt, der der Änderung des Magnetfelds entgegenwirkt (bekannt als Lenz'sches Gesetz ). Dadurch wird ein Strom erzeugt, der zu einem Magnetfeld führt, das dem vom Magneten entgegengesetzt orientiert ist . Das elektrisch leitende Material wirkt somit wie ein magnetischer Spiegel .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links