Cuscinetti magnetici senza contatto: dispositivo, capacità, vantaggi e svantaggi

Parlando di cuscinetti magnetici o sospensioni senza contatto, non possiamo non notare le loro notevoli qualità: nessuna lubrificazione richiesta, nessuna parte sfregante, quindi nessuna perdita per attrito, livello di vibrazioni estremamente basso, velocità relativa elevata, basso consumo energetico, controllo automatico e monitoraggio dei cuscinetti sistema, capacità di tenuta.

Tutti questi vantaggi rendono i cuscinetti magnetici le migliori soluzioni per molte applicazioni: per turbine a gas, per tecnologia criogenica, in generatori elettrici ad alta velocità, per dispositivi a vuoto, per varie macchine per il taglio dei metalli e altre apparecchiature, comprese quelle ad alta precisione e ad alta velocità (circa 100.000 giri/min), dove è importante l'assenza di perdite meccaniche, disturbi ed errori.

Fondamentalmente, i cuscinetti magnetici sono classificati in due tipi: cuscinetti magnetici passivi e attivi. Vengono prodotti cuscinetti magnetici passivi basato su magneti permanenti, ma questo approccio è tutt'altro che ideale, quindi è usato raramente.Possibilità tecniche più flessibili e più ampie si aprono con cuscinetti attivi, in cui un campo magnetico viene creato da correnti alternate negli avvolgimenti del filo.

Come funziona il cuscinetto magnetico senza contatto

Il funzionamento di una sospensione o cuscinetto magnetico attivo si basa sul principio della levitazione elettromagnetica — levitazione che utilizza campi elettrici e magnetici. Qui, la rotazione dell'albero nel cuscinetto avviene senza contatto fisico tra le superfici. Per questo motivo la lubrificazione è completamente esclusa e l'usura meccanica è ancora assente. Ciò aumenta l'affidabilità e l'efficienza delle macchine.

Gli esperti notano anche l'importanza di monitorare la posizione dell'albero del rotore. Il sistema di sensori monitora continuamente la posizione dell'albero e fornisce segnali al sistema di controllo automatico per un posizionamento preciso regolando il campo magnetico di posizionamento dello statore - la forza di attrazione sul lato desiderato dell'albero viene rafforzata o indebolita regolando la corrente in gli avvolgimenti statorici dei cuscinetti attivi .

Due cuscinetti attivi conici o due cuscinetti attivi radiali e uno assiale consentono al rotore di essere letteralmente sospeso senza contatto nell'aria. Il sistema di controllo del gimbal funziona continuamente, può essere digitale o analogico. Ciò fornisce un'elevata forza di ritenzione, un'elevata capacità di carico e rigidità regolabile e assorbimento degli urti. Questa tecnologia consente ai cuscinetti di lavorare a basse e alte temperature, nel vuoto, ad alte velocità e in condizioni di maggiori requisiti di sterilità.

Dispositivo di rilevamento magnetico attivo senza contatto

Da quanto sopra è chiaro che le parti principali del sistema di sospensione magnetica attiva sono: cuscinetto magnetico e sistema di controllo elettronico automatico. Gli elettromagneti agiscono sempre sul rotore da lati diversi e la loro azione è subordinata ad un sistema di controllo elettronico.

Il rotore del cuscinetto magnetico radiale è dotato di piastre ferromagnetiche, sulle quali agisce un campo magnetico ritentivo proveniente dagli avvolgimenti dello statore, per cui il rotore è sospeso al centro dello statore senza toccarlo.I sensori induttivi monitorano la posizione di il rotore in ogni momento. Qualsiasi deviazione dalla posizione corretta si traduce in un segnale che viene inviato al controller per riportare il rotore nella posizione desiderata. Il gioco radiale può essere compreso tra 0,5 e 1 mm.

Un cuscinetto di supporto magnetico funziona in modo simile. Gli elettromagneti a forma di anello sono fissati all'albero del disco di trazione. Gli elettromagneti si trovano sullo statore. I sensori assiali si trovano alle estremità dell'albero.

Per trattenere in modo affidabile il rotore della macchina durante il suo arresto o in caso di guasto del sistema di ritenzione, vengono utilizzati cuscinetti a sfere di sicurezza, che sono fissati in modo che la distanza tra loro e l'albero sia impostata pari alla metà di quella del cuscinetto magnetico .

Il sistema di controllo automatico si trova nell'armadio ed è responsabile della corretta modulazione della corrente che scorre attraverso gli elettromagneti in base ai segnali provenienti dai sensori di posizione del rotore. La potenza degli amplificatori è correlata alla forza massima degli elettromagneti, alle dimensioni del traferro e al tempo di reazione del sistema ad una variazione della posizione del rotore.

Possibilità di cuscinetti magnetici senza contatto

La velocità massima possibile del rotore in un cuscinetto magnetico radiale è limitata solo dalla capacità delle piastre rotoriche ferromagnetiche di resistere alla forza centrifuga. Di solito il limite per la velocità periferica è di 200 m/s, mentre per i cuscinetti magnetici assiali il limite è limitato dalla resistenza dell'acciaio fuso dell'arresto — 350 m/s con materiali ordinari.

I ferromagneti applicati determinano anche il carico massimo che un cuscinetto può sopportare con il diametro e la lunghezza dello statore del cuscinetto corrispondente. Per i materiali standard, la pressione massima è di 0,9 N/cm2, che è inferiore a quella dei cuscinetti a contatto convenzionali, ma la perdita di carico può essere compensata da un'elevata velocità periferica con diametro dell'albero maggiore.

Il consumo energetico del cuscinetto magnetico attivo non è molto elevato. Le maggiori perdite nel cuscinetto sono dovute alle correnti parassite, ma questa è dieci volte inferiore all'energia che si perde quando si utilizzano cuscinetti convenzionali nelle macchine. Escludendo giunti, barriere termiche e altri dispositivi, i cuscinetti funzionano efficacemente in vuoto, elio, ossigeno, acqua di mare e altro ancora. L'intervallo di temperatura va da -253 ° C a + 450 ° C.

Svantaggi relativi dei cuscinetti magnetici

Nel frattempo, anche i cuscinetti magnetici presentano degli svantaggi.

Innanzitutto è necessario utilizzare cuscinetti volventi ausiliari di sicurezza, che possono sopportare al massimo due guasti, dopodiché devono essere sostituiti con nuovi.

In secondo luogo, la complessità del sistema di controllo automatico, che, in caso di guasto, richiederà riparazioni complesse.

In terzo luogo, la temperatura dell'avvolgimento dello statore del cuscinetto aumenta a correnti elevate: gli avvolgimenti si riscaldano e necessitano del proprio raffreddamento, preferibilmente di raffreddamento a liquido.

Infine, il consumo di materiale di un cuscinetto senza contatto è elevato perché la superficie del cuscinetto deve essere ampia per supportare una forza magnetica sufficiente: il nucleo dello statore del cuscinetto è grande e pesante. Inoltre il fenomeno della saturazione magnetica.

Ma nonostante gli apparenti svantaggi, i cuscinetti magnetici sono ora ampiamente utilizzati, anche nei sistemi ottici di alta precisione e nelle installazioni laser. In un modo o nell'altro, dalla metà del secolo scorso, i cuscinetti magnetici sono migliorati continuamente.