Vòng bi từ: Các loại, cách thức hoạt động và các ứng dụng chính

Khi ổ trục từ tính hoạt động bị mất điện, rôto sẽ rơi xuống các ổ trục phụ (chạm xuống). Đây là các ổ lăn có khe hở nhỏ so với khe hở ổ trục từ. Chúng được thiết kế để hỗ trợ rôto một cách an toàn ở tốc độ tối đa và cho phép nó quay xuống mà không tiếp xúc với các cực nam châm điện. Sự kiện rơi được kiểm soát và máy sẽ dừng lại trên các ổ trục chạm. Mọi hệ thống AMB đều phải có vòng bi chạm và mọi lắp đặt phải bao gồm nguồn điện liên tục (UPS) để cung cấp năng lượng cho chuỗi sự cố được kiểm soát có trật tự thay vì giảm ngay lập tức, giúp giảm thiểu sự mài mòn trên vòng bi chạm.

Nói chung là không. Vòng bi từ có khả năng chịu tải trên một đơn vị đường kính ổ trục thấp hơn so với vòng bi con lăn hoặc vòng bi màng chất lỏng. Ổ lăn có đường kính lỗ 100 mm có thể chịu được tải trọng tĩnh vài trăm kN; một ổ đỡ từ tính có đường kính ngoài tương tự có thể hỗ trợ khoảng 10–30 kN tùy thuộc vào thiết kế nam châm điện và khả năng tiêu tán năng lượng cho phép. Đây là lý do tại sao vòng bi từ hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tải trọng hướng tâm cao ở tốc độ vừa phải — ưu điểm của chúng là ở tốc độ cao, độ chính xác, độ nhạy nhiễm bẩn hoặc vận hành không cần bảo trì chứ không phải khả năng chịu tải thô. Rôto cho hệ thống ổ trục từ phải được thiết kế có tính đến giới hạn tải này ngay từ đầu.

Các bộ phận của stato và rôto ổ trục từ - các lớp, cuộn dây và vỏ - không phải là các bộ phận bị mòn và không có tuổi thọ mỏi xác định trong hoạt động bình thường vì không có tiếp xúc giữa chúng. Các bộ phận hạn chế mài mòn là các ổ trục chạm, được thay thế theo lịch trình phòng ngừa, thường là 3–5 năm một lần hoặc sau một số lần rơi rôto nhất định. Các thiết bị điện tử (bộ khuếch đại công suất, bảng điều khiển) có tuổi thọ sử dụng dự kiến ​​là 10–15 năm, có thể sửa chữa ở cấp độ thành phần hoặc thay thế bảng mạch nếu cần. Các báo cáo hiện trường từ việc lắp đặt đường ống và máy nén quy trình cho thấy rằng máy móc ổ trục từ đã hoạt động được hơn 20 năm với phần cứng ổ trục ban đầu đang hoạt động, chỉ có ổ trục chạm và bảo trì điện tử.

Có, hệ thống ổ trục từ tính có thể và được sử dụng trong các khu vực nguy hiểm được phân loại ATEX/IECEx. Các nam châm điện và cảm biến bên trong vỏ ổ trục tiếp xúc với khí xử lý và các bộ phận này có thể được thiết kế và đánh giá để sử dụng trong môi trường khí dễ cháy. Tủ điều khiển và bộ khuếch đại công suất thường được đặt bên ngoài khu vực nguy hiểm trong phòng an toàn, được kết nối với ổ trục bằng cáp có màn chắn. Việc tách các thiết bị điện tử hoạt động ra khỏi khu vực nguy hiểm là thông lệ tiêu chuẩn trong lắp đặt máy nén khí tự nhiên. Người dùng nên xác minh rằng cấu hình sản phẩm cụ thể có đánh giá khu vực nguy hiểm thích hợp cho vùng và nhóm khí của họ.

Cả hai đều sử dụng lực từ có kiểm soát để nâng một vật thể lên mà không cần tiếp xúc, nhưng ứng dụng và quy mô thì khác nhau. Hệ thống vận chuyển Maglev nâng và đẩy toàn bộ toa tàu dọc theo đường dẫn, đòi hỏi cơ sở hạ tầng điện từ tuyến tính quy mô lớn. Vòng bi từ hỗ trợ trục quay trong máy móc - máy nén, tua bin, trục chính, bánh đà - và là một bộ phận bên trong một cỗ máy lớn hơn chứ không phải là một hệ thống vận chuyển theo đúng nghĩa của chúng. Các nguyên tắc vật lý và điều khiển cơ bản có liên quan chặt chẽ với nhau; trên thực tế, nghiên cứu ổ trục từ chủ động đã góp phần trực tiếp vào các phương pháp điều khiển được sử dụng trong các hệ thống đường sắt đệm từ thương mại hiện đại như tuyến Shanghai Transrapid và SCMaglev của Nhật Bản. Ở cấp độ chức năng, ổ trục từ tính về cơ bản là một hệ thống đệm từ được áp dụng cho một trục quay trong vỏ máy.

Trang bị thêm là có thể về mặt kỹ thuật nhưng đòi hỏi công việc kỹ thuật quan trọng. Rôto phải được sửa đổi hoặc thay thế để bổ sung các trục tiếp đất ổ trục bằng vật liệu và hình dạng phù hợp, đồng thời vỏ ổ trục phải được thiết kế lại để chứa các stato nam châm điện, cảm biến và ổ trục phụ. Động lực học của rôto sẽ thay đổi theo độ cứng ổ trục và đặc tính giảm xóc mới, do đó cần phải phân tích động lực rôto đầy đủ và đánh giá lại các tốc độ tới hạn. Trong một số trường hợp, thiết kế rôto hiện có tương thích với việc trang bị thêm ổ trục từ tính; ở những nơi khác, cần có một cánh quạt mới. Một số công ty - bao gồm Vòng bi Waukesha và Cơ điện tử từ tính SKF - đã thực hiện các dự án trang bị thêm máy nén ly tâm và các nghiên cứu điển hình đã xuất bản có sẵn từ kỷ yếu Turbomachinery và Pump Symposia (Đại học Texas A&M).

Nhiệt độ ảnh hưởng đến một số thành phần của hệ thống ổ trục từ tính theo những cách khác nhau. Mật độ từ thông dư của nam châm vĩnh cửu giảm khi nhiệt độ tăng - đây là hạn chế thiết kế chính đối với vòng bi lai sử dụng nam châm vĩnh cửu đất hiếm, có thể mất khả năng chịu lực đáng kể ở nhiệt độ trên 150°C. Cách điện cuộn dây trong cuộn dây nam châm điện đặt ra giới hạn nhiệt độ trên cho stato ổ trục; lớp cách nhiệt loại H hoặc lớp N ở nhiệt độ cao mở rộng tương ứng đến 180°C hoặc 200°C. Vật liệu cán sắt từ mất tính thấm khi đạt đến nhiệt độ Curie (khoảng 770°C đối với sắt), làm giảm lực chịu lực ở nhiệt độ rất cao. Ở cấp độ thấp, hoạt động đông lạnh ở nhiệt độ nitơ lỏng hoặc heli lỏng là khả thi - thiết bị giãn nở turbo trong các nhà máy tách không khí và cơ sở LNG hoạt động với vòng bi từ tính ở nhiệt độ khí quá trình đông lạnh.

Theo khối lượng cơ bản được lắp đặt, lĩnh vực nén dầu và khí đốt/khí tự nhiên là lĩnh vực công nghiệp sử dụng vòng bi từ chủ động lớn nhất trong máy tuabin lớn. Thiết bị chân không dành cho sản xuất chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất tính theo số lượng đơn vị. HVAC tòa nhà là một phân khúc đang phát triển được thúc đẩy bởi việc các thương hiệu lớn áp dụng thiết bị làm lạnh ổ trục từ tính. Thiết bị y tế - cụ thể là thiết bị hỗ trợ tim cấy ghép - là một thị trường nhỏ nhưng có giá trị cao, nơi công nghệ đã trở thành tiêu chuẩn lâm sàng trong chăm sóc hỗ trợ suy tim nâng cao. Lưu trữ năng lượng thông qua bánh đà là một phân khúc mới nổi với số lượng lắp đặt ngày càng tăng trong việc điều chỉnh tần số lưới.