Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Magnetická ložiska SKF – od inovace k osvědčeným řešením

číslo 4/2005

Magnetická ložiska SKF – od inovace k osvědčeným řešením

Tim Harris,
hlavní elektroinženýr SKF Revolve, Calgary, Kanada

Výrazné zvýšení výkonu magnetických ložisek umožnil progresivní řídicí algoritmus programového vybavení – softwaru. Tento vývoj vytváří nové příležitosti pro odolné, hospodárné a energicky úsporné konstrukce s těmito univerzálními ložisky.

Myšlenka využít magnetické pole k podepření předmětu se poprvé objevila již v polovině devatenáctého století. V uplynulých dvou desetiletích umožnil technický pokrok ekonomickou realizaci mnoha uložení s magnetickými ložisky. V současné době jsou vyvíjeny velmi pokrokové softwarové algoritmy, které napomáhají dosáhnout dříve naprosto nemyslitelných výkonů.

Společnost Revolve Magnetic Bearings Inc., která bezesporu patří k předním výrobcům magnetických ložisek, se stala v roce 2000 přidruženou společností ve stoprocentním vlastnictví firmy SKF AB. SKF Revolve nepřetržitě vyvíjí a vyrábí systémy aktivních magnetických ložisek s elektromagnety, které regulují pohyb hřídele prostřednictvím proměnného magnetického pole. V současné době společnost dodává systémy s magnetickými ložisky do nejrůznějších průmyslových odvětví a zabývá se vývojem mnoha novátorských uložení s magnetickými ložisky.

Díly ložisek

Systémy magnetických ložisek se skládají ze tří hlavních částí:

  • ovládací jednotky ložiska,
  • snímače,
  • řídicí jednotky a řídicího algoritmu.

Obr. 1.

Obr. 1. Radiální magnetické ložisko

Radiální magnetické ložisko se podobá elektromotoru, avšak místo točivého momentu vytváří přitažlivou sílu, která zvedá hřídel. Typický radiální stator se skládá ze čtyř oddělených ovládacích jednotek. Každá jednotka je tvořena dvěma póly, na nichž je navinuta cívka (obr. 1). Při průchodu elektrického proudu cívkou vzniká přitažlivá síla, která působí na feromagnetický rotor (složený buď z plechů, nebo jednoho kusu). Vzduchová mezera mezi statorem a rotorem je zpravidla 0,5 až 2 mm.

Axiální magnetické ložisko má masivní ocelový kotouč připojen k hřídeli a po obou stranách umístěn prstencový stator. Stator může mít jedno nebo dvě vinutí, která vytvářejí magnetický tok. Axiální stator (složený buď z plechů, nebo jednoho kusu) rozšiřuje šířku pásma odezvy síly (obr. 2). Ve strojích, v nichž působí nepříliš velké axiální zatížení, lze radiální ložiska nahradit kuželovými ložisky, která mohou vykonávat pohyb v radiálním i axiálním směru. Takové řešení nahrazuje axiální ložisko a přispívá ke zmenšení celkové délky stroje.

Aktivní magnetická ložiska využívají přitažlivé síly. Snímače polohy hřídele zajišťují zpětnou odezvu pro řídicí systém. Převážně se používají indukční snímače umístěné na pěti osách (čtyřech radiálních a jedné axiální). Snímače vysílají lineární výstupní signál a mohou pracovat v širokém rozsahu provozních teplot.

Obr. 2.

Obr. 2. Axiální magnetické ložisko

Proudy v magnetickém ložisku jsou regulovány a sledovány řídicí jednotkou, která využívá řídicí algoritmus pro změnu sil v ložisku, a tedy pro ovládání polohy hřídele.

Řídicí jednotka se skládá z těchto tří částí:

  • elektronická část s procesorem digitálního signálu (DSP),
  • napájecí zdroj,
  • zesilovač.

DSP představuje „mozek„ magnetického ložiskového systému. Progresivní řídicí algoritmus zjišťuje polohu a reguluje proud přicházející do ovládacích jednotek 10 000krát za sekundu. Specifické parametry nastavení stroje lze upravit a uložit do souboru v počítači pomocí softwaru SKF MBScope. Tento program rovněž umožňuje uživateli sledovat funkci ložiska a hřídele podle zadaných parametrů, jako např. vibrací, vyvážení, otáček atd.

Napájecí zdroj převádí přiváděný střídavý proud na stejnosměrný, který je nutný pro ložiskové zesilovače. Čím je zesilovač větší, tím výkonnější musí být napájecí zdroj.

Zesilovač reguluje proud přiváděný do ložisek podle nastavených hodnot v elektronice DSP. Zesilovače jsou dimenzovány podle požadavků konkrétního stroje. V zásadě však platí přímá úměra, tj. čím je stroj větší, tím jsou větší i zesilovače.

SKF Revolve nabízí široký sortiment řídicích jednotek a elektroniky DSP v závislosti na výstupním proudu a požadovaném napětí.

Vlastnosti ložiska

Magnetická ložiska není třeba mazat. Proto jsou obzvláště vhodná pro stroje, které pracují ve vzduchoprázdnu, při vysokých nebo nízkých (kryogenních) teplotách nebo v agresivních kapalinách. V zásadě lze magnetická ložiska využít v jakémkoliv stroji, v němž nesmí dojít ke kontaminaci mazivy nebo částicemi otěru, resp. není-li používání maziv slučitelné s výrobním procesem. Takové požadavky jsou charakteristické např. pro linky na výrobu polovodičů, v potravinářském nebo nápojovém průmyslu. Provoz bez maziv však také znamená úsporu nejen provozních (maziva a údržba), ale i pořizovacích nákladů, neboť odpadá nákup nezbytných pomocných zařízení, která souvisejí s provozem mazacího systému (např. čerpadla a filtry).

Nízké rotační ztráty hřídele jsou další charakteristickou vlastností magnetických ložisek. Je tedy možné zvolit motor s nižším výkonem a dosáhnout vyšší účinnosti. Nízké ztráty napovídají, že provozní teploty jsou zpravidla nižší než u ložisek jiných typů (např. valivých či hydrodynamických), a jsou tedy kladeny nižší nároky na chlazení celého zařízení.

Magnetická ložiska pracují s řízením vzduchové mezery. Některé způsoby použití přímo využívají vzduchovou mezeru – např. procesy, které vyžadují průtok procesní kapaliny nebo materiálu. Využití k biologickým a farmaceutickým účelům, včetně zpracování živých buněk, představují jen dva případy možných aplikací. Magnetická ložiska je možné hermeticky utěsnit, díky čemuž budou vhodná pro použití v technologických procesech založených na agresivních kapalinách, které by jinak mohly poškodit vinutí nebo vrstvení. Ložiska lze rovněž ponořit do procesních kapalin pod tlakem, aniž by bylo nutné je utěsňovat – jsou tedy aplikovatelná v hygienicky citlivých procesech (např. v potravinářském průmyslu).

Na rozdíl od valivých nebo hydrodynamických ložisek dosahují magnetická ložiska mnohem vyšších obvodových rychlostí, a to až 250 m/s. To odpovídá otáčkovému číslu 4,5 milionů n × d (kde n jsou otáčky za minutu a d průměr v mm). Díky takovýmto rychlostem je možné realizovat mnoho nových aplikací, jako např. vysokorychlostní vřetena obráběcích strojů či vodíkový cirkulátor, který vyvinula a vyrobila společnost SKF Revolve pro americké laboratoře US National Laboratories.

Progresivní software

Programové vybavení MBScope společnosti SKF Revolve nabízí některé jedinečné možnosti:

  1. Nový způsob kompenzace nevyváženosti
    Společnost Revolve vyvinula funkci Adaptive Vibration Control (AVC), která řídí reakci systému na nevyváženost hřídele. Lze toho dosáhnout dvěma způsoby. Jeden způsob je založen na otáčení hřídele kolem geometrické osy a druhý na přesném řízení hřídele, které odstraní házení vyvolané nevyvážeností. Tento způsob je používán v uloženích s vysokými nároky na přesnost, např. v obráběcích strojích. Alternativně lze vyvolat otáčení hřídele okolo těžiště, a tím snížit vibrace přenášené do skříně (na méně než 0,01 µm). To je neobyčejně důležitá vlastnost pro turbomolekulární čerpadla a jiná zařízení používaná ve výrobě polovodičů.

  2. Modulování síly v ložisku
    Systémy magnetických ložisek mohou být používány jako budič, který moduluje sílu v ložisku se záměrem vyvolat vibrace. Budicí síla působí na rotor bezdotykovým způsobem. Navíc ji lze přesně měřit. Proto jsou magnetická ložiska neobyčejně cenným nástrojem pro navrhování, vývoj a testování zařízení, jakož i pro výzkum dynamického chování rotorů. Tento postup byl nedávno využit pro testování a ověření těsnění nové konstrukce pro společnost Dresser Rand Corporation. Boeing Commercial Aircraft Group rovněž využívá ložiska SKF Revolve podobné koncepce pro testování výkonu vřeten obráběcích strojů.

  3. Změna polohy hřídele
    Schopnost regulovat šířku vzduchové mezery umožňuje měnit polohu hřídele, a dokonce vyvolat i její oscilaci. Tato vlastnost nachází uplatnění při kompenzaci opotřebení brusného kotouče nebo nastavení vzdálenosti válců papírenských strojů.

  4. Bezdemontážní diagnostika
    Magnetická ložiska jsou vybavena vlastním systémem bezdemontážní diagnostiky, který obsluze dovoluje přístup ke komplexní diagnostice stroje bez požadavku na další přístrojové vybavení. Elektronika DSP zobrazuje pomocí softwaru MBScope polohu a aktuální informace v různých formátech, umožňuje přesně seřídit ložiska a diagnostikovat stroj.

  5. Servisní flexibilita
    Magnetická ložiska mohou být seřízena a upravena přímo na místě. Je možné nastavit jejich tuhost a parametry tlumení; to umožňuje bezpečně překonat kritické otáčky a ohybové režimy.

Ekonomické řešení

Optimální využití předností uložení s magnetickými ložisky ve velkých turbosoustrojích je založeno na ekonomickém posouzení nákladů na životní cyklus (technickou životnost) zařízení, tj. na údržbu, energii, související součásti umístěné mimo vlastní systém, náhradní díly aj. Použití systému magnetických ložisek umožňuje provoz bez olejového mazání, chladicího systému, převodovky (vysokootáčkový motor s plynulou regulací otáček je spojen přímo s kompresorem) i bez zařízení pro bezdemontážní diagnostiku při současné úspoře zastavěné plochy. Není tedy nutné počítat s náhradními díly pro zařízení umístěná mimo vlastní systém, což navíc zvyšuje provozní spolehlivost zařízení. V porovnání se systémy, které používají olejové mazání ložisek, jsou nároky na pravidelnou údržbu výrazně nižší, protože není nutný spotřební materiál ani rychle opotřebitelné díly. Absence pomocných zařízení snižuje rovněž počet možných zdrojů poruch. Systém magnetických ložisek spotřebovává zlomek energie v porovnání s hydrodynamickým ložiskem, neboť při otáčení nedochází ke styku, a tím ani ke ztrátám třením. Díky tomu lze dosáhnout výrazného snížení nákladů na energii (u turbosoustrojí, např. u kompresoru zemního plynu s výkonem vyšším než 1 MW až 90 000 eur ročně).

Faktory ovlivňující velikost a únosnost ložiska:

  • počet pólů a jejich rozměry,
  • materiál statoru a rotoru,
  • počet závitů drátu,
  • vzduchová mezera,
  • maximální proud,
  • vnější průměr hřídele.

Vlastnosti magnetického ložiska:

  • nemaže se,
  • není zdrojem kontaminace nečistot ani částic otěru,
  • umožňuje měření síly,
  • umožňuje ovládání polohy hřídele,
  • vysoká obvodová rychlost,
  • nízká spotřeba energie,
  • velmi nízké vibrace,
  • spolehlivost,
  • přesnost.

Shrnutí

SKF Revolve se snaží přiblížit ideálu světa bez tření, světa neomezených rychlostí, nezjistitelných vibrací a nepřekonatelné energetické účinnosti a naznačuje možnosti využití magnetických ložisek při aplikačních řešeních v průmyslové praxi. Vývoj progresivních softwarových řídicích systémů a charakteristické vlastnosti magnetických ložisek značně rozšiřují jejich oblasti využití v mnoha průmyslových odvětvích. Schopnost ovládat pohyb hřídele prostřednictvím elektromagnetického pole umožňuje u magnetických ložisek provoz bez mazání, s nízkým opotřebením, a dokonce i v podmínkách, které nedovolují použít jiné typy ložisek. Podle předpovědi společnosti SKF Resolve, která vyrábí a dodává magnetická ložiska, lze očekávat rozšíření tržního segmentu nových aplikačních řešení.

SKF Ložiska, a. s.
U Měšťanského pivovaru 7
170 04 Praha 7
tel.: +420 234 642 111
fax: +420 234 642 415
e-mail: loziska@skf.com
http://www.skf.cz