Magneettinen laakeri: tyypit, miten se toimii ja tärkeimmät sovellukset

Kun aktiivisen magneettilaakerin teho katkeaa, roottori putoaa apulaakereille (touchdown). Nämä ovat vierintälaakereita, joilla on pieni välys suhteessa magneettiseen laakeriväliin. Ne on suunniteltu tukemaan turvallisesti roottoria täydellä nopeudella ja sallimaan sen pyöriä alas koskettamatta sähkömagneettinapoja. Putoamistapahtumaa ohjataan ja kone pysähtyy kosketuslaakereiden varaan. Jokaisessa AMB-järjestelmässä on oltava kosketuslaakerit, ja jokaisessa asennuksessa on oltava keskeytymätön virtalähde (UPS), joka antaa virtaa hallittuihin alasajojaksoihin välittömän pudotuksen sijaan, mikä minimoi kosketuslaakereiden kulumisen.

Yleisesti ottaen ei. Magneettilaakereiden kantavuus laakerin halkaisijayksikköä kohden on pienempi kuin vierintä- tai nestekalvolaakereilla. 100 mm:n reikäinen vierintälaakeri voi kestää useiden satojen kN:n staattista kuormitusta; ulkohalkaisijaltaan samanlainen magneettilaakeri tukee ehkä 10-30 kN sähkömagneettirakenteesta ja sallitusta tehohäviöstä riippuen. Tästä syystä magneettilaakereita käytetään harvoin sovelluksissa, joissa vaaditaan suuria radiaalikuormia kohtalaisilla nopeuksilla – niiden etuna on suuri nopeus, tarkkuus, kontaminaatioherkkyys tai huoltovapaa toiminta, ei raakakuormituskyky. Magneettisten laakerijärjestelmien roottorit on suunniteltava tämän kuormituksen rajoituksen mukaisesti alusta alkaen.

Magneettisen laakerin staattori- ja roottorikomponentit – laminaatit, käämit ja kotelot – eivät ole kuluvia osia eikä niillä ole määriteltyä väsymisikää normaalikäytössä, koska niiden välillä ei ole kosketusta. Kulumista rajoittavia komponentteja ovat kosketuslaakerit, jotka vaihdetaan ennaltaehkäisevästi, tyypillisesti 3–5 vuoden välein tai tietyn määrän roottorin pudotustapahtumien jälkeen. Elektroniikan (tehovahvistimet, ohjainkortit) oletettu käyttöikä on 10–15 vuotta, tarvittaessa komponenttitason korjauksella tai kortin vaihdolla. Putki- ja prosessikompressoriasennuksista saadut kenttäraportit osoittavat, että magneettilaakerikoneet ovat toimineet yli 20 vuoden ajan alkuperäisten laakerilaitteistojen ollessa käytössä, vain kosketuslaakerien ja elektroniikan huollossa.

Kyllä, magneettilaakerijärjestelmiä voidaan käyttää ja käytetään ATEX/IECEx-luokitelluilla vaarallisilla alueilla. Laakeripesän sisällä olevat sähkömagneetit ja anturit ovat kosketuksissa prosessikaasun kanssa, ja nämä komponentit voidaan suunnitella ja arvioida käytettäviksi syttyvien kaasujen ympäristöissä. Ohjauskaappi ja tehovahvistimet sijaitsevat tyypillisesti vaara-alueen ulkopuolella turvallisessa huoneessa, yhdistettynä laakeriin suojatuilla kaapeleilla. Tämä aktiivisen elektroniikan erottaminen vaara-alueesta on normaali käytäntö maakaasun puristusasennuksissa. Käyttäjien tulee varmistaa, että tietyllä tuotekokoonpanolla on asianmukainen vaara-aluearviointi heidän vyöhykkeelleen ja kaasuryhmälleen.

Molemmat käyttävät ohjattuja magneettisia voimia levitoidakseen esinettä ilman kosketusta, mutta sovellukset ja mittakaavat ovat erilaisia. Maglev-kuljetusjärjestelmät leijuvat ja kuljettavat koko junakulkuneuvon ohjaustietä pitkin, mikä vaatii laajamittaista lineaarista sähkömagneettista infrastruktuuria. Magneettiset laakerit tukevat pyöriviä akseleita koneissa – kompressoreissa, turbiineissa, karoissa, vauhtipyörissä – ja ovat osa suuremmassa koneessa eikä kuljetusjärjestelmä itsessään. Taustalla olevat fysiikka ja ohjausperiaatteet liittyvät läheisesti toisiinsa; itse asiassa aktiivinen magneettilaakeritutkimus vaikutti suoraan ohjausmenetelmiin, joita käytettiin nykyaikaisissa kaupallisissa maglev-kiskojärjestelmissä, kuten Shanghai Transrapid -linjalla ja japanilaisessa SCMaglevissa. Toiminnallisella tasolla magneettilaakeri on olennaisesti maglev-järjestelmä, joka on asetettu pyörivälle akselille koneen kotelon sisällä.

Jälkiasennus on teknisesti mahdollista, mutta vaatii merkittävää suunnittelutyötä. Roottoria on muutettava tai vaihdettava lisäämään laakerin tapit sopivalla materiaalilla ja geometrialla, ja laakeripesä on suunniteltava uudelleen sähkömagneettisten staattorien, antureiden ja apulaakereiden mukaan. Roottorin dynamiikka muuttuu uusien laakereiden jäykkyyden ja vaimennusominaisuuksien myötä, joten täydellinen roottoridynaaminen analyysi ja kriittisten nopeuksien uudelleenarviointi ovat tarpeen. Joissakin tapauksissa olemassa oleva roottorirakenne on yhteensopiva magneettilaakerien jälkiasennuksen kanssa; toisissa tarvitaan uusi roottori. Useat yritykset – mukaan lukien Waukesha Bearings ja SKF Magnetic Mechatronics – ovat suorittaneet keskipakokompressoreiden jälkiasennusprojekteja, ja julkaistuja tapaustutkimuksia on saatavilla Turbomachinery and Pump Symposia -menettelystä (Texas A&M University).

Lämpötila vaikuttaa useisiin magneettilaakerijärjestelmän osiin eri tavoin. Kestomagneettien jäännösvuon tiheys pienenee lämpötilan noustessa – tämä on ensisijainen suunnittelurajoitus hybridilaakereille, joissa käytetään harvinaisten maametallien kestomagneetteja, jotka voivat menettää merkittävän voimakapasiteetin yli 150 °C:n lämpötiloissa. Sähkömagneettikäämien käämieristys asettaa laakerin staattorin lämpötilan ylärajan; korkean lämpötilan luokan H tai luokan N eristys laajentaa tämän 180 °C:een tai 200 °C:seen. Ferromagneettinen laminointimateriaali menettää läpäisevyyden, kun se lähestyy Curie-lämpötilaansa (raudalla noin 770 °C), mikä vähentää laakerivoimaa erittäin korkeissa lämpötiloissa. Alimmalla tasolla kryogeeninen toiminta nestemäisen typen tai nestemäisen heliumin lämpötiloissa on mahdollista – ilmanerotuslaitosten ja LNG-laitosten turbopaisuntalaitteet toimivat magneettisilla laakereilla kryogeenisten prosessikaasujen lämpötiloissa.

Asennetun perusvolyymin mukaan öljyn ja kaasun/maakaasun kompressiosektori on suurin teollinen aktiivisten magneettilaakereiden käyttäjä suurissa turbokoneissa. Puolijohteiden valmistukseen käytettävät tyhjiölaitteet ovat suurin käyttäjä yksikkömäärällä mitattuna. Building LVI on kasvava segmentti, jonka taustalla on suurten merkkien magneettilaakeroitujen jäähdyttimien käyttöönotto. Lääketieteelliset laitteet – erityisesti implantoitavat sydämen apulaitteet – ovat pienet mutta arvokkaat markkinat, joilla teknologiasta on tullut edistyneen sydämen vajaatoiminnan tuen kliininen hoitostandardi. Energian varastointi vauhtipyörillä on nouseva segmentti, jossa verkon taajuuden säätelyyn asennetaan yhä enemmän.