Ενεργά μαγνητικά έδρανα: Πλεονεκτήματα και εφαρμογές

Τα τελευταία χρόνια τα ενεργά μαγνητικά έδρανα γνωρίζουν ραγδαία εξέλιξη και χρησιμοποιούνται ευρέως σε αρκετές μηχανολογικές εφαρμογές, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τις στροβιλομηχανές.

 

Του κ. Α. Χασαλεύρη*

 

Τα ενεργά μαγνητικά έδρανα (active magnetic bearings [AMB], βλ. εικόνα 1), παράγουν δυνάμεις μαγνητικών πεδίων για να στηρίξουν περιστρεφόμενους άξονες χωρίς επαφή μεταξύ εδράνου και άξονα, και αυτό επιτρέπει τη λειτουργία τους δίχως λίπανση και φθορές, καθώς και με ελάχιστες απώλειες ισχύος.

 

EIKONA 1

 

Φωτογραφία μαγνητικού εδράνου

 

Τα συγκεκριμένα έδρανα δύνανται να ελέγξουν ενεργά (active control) τη δυναμική απόκριση του περιστρεφόμενου συστήματος (ρότορα), και είναι ίσως ο μοναδικός τύπος εδράνων που μπορεί να λειτουργήσει σε συνθήκες κενού.

 

Τα πλεονεκτήματα των ενεργών μαγνητικών εδράνων είναι ο καινοτόμος σχεδιασμός σε συστήματα αξόνων-εδράνων, οι υψηλές ταχύτητες με δυνατότητα ελέγχου, η υψηλή ισχύς (power density), η λειτουργία χωρίς φθορά, η λιγότερη συντήρηση και το χαμηλότερο κόστος.

Μερικές από τις τεχνολογικές περιοχές όπου βρίσκουν εφαρμογές τα AMB είναι:

• Τεχνολογίες κενού
• Στροβιλομηχανές
• Κατεργασίες
• Σφόνδυλοι αποθήκευσης ενέργειας (energy storage flywheels)
• Διαστημικά όργανα
• Στηρίξεις σε μικροτεχνικές διατάξεις
• Μόνωση ταλαντώσεων.

Η κύρια εφαρμογή, ωστόσο, είναι οι στροβιλομηχανές, όπου τα AMB βρίσκονται σε ένα ευρύ φάσμα μηχανολογικών διατάξεων, όπως είναι μικρές στροβιλομοριακές αντλίες (turbo-molecular pumps), φυσητήρες CO2 για εργαλεία laser , συμπιεστές και διαστολείς για κλιματισμό και φυσικό αέριο (βλ. εικόνα 3), καθώς και μεγάλες στροβιλογεννήτριες της τάξης των MegaWatt σε αποκεντρωμένους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής (βλ. εικόνα 4).

 

ΕΙΚΟΝΑ 3

Συμπιεστής CO2 για laser ισχύος, 54000 rpm, ισχύς κινητήρα 12 kW (εικόνα: TRUMPF / Mecos).

 

ΕΙΚΟΝΑ 4

 

Στροβιλοσυμπιεστής (pipeline compressor) Hofim της MAN Turbo/S2M, 6 MW, 9.000 rpm, με συνδυασμό direct drive και μαγνητικών εδράνων (εικόνα: MAN Turbo SA).

 

Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των AMB κυμαίνεται από πολύ χαμηλές έως πολύ υψηλές θερμοκρασίες (από -270oC έως 550oC), ενώ ο αριθμός των βιομηχανικών εφαρμογών AMB αυξάνεται σταθερά.

Τα μαγνητικά έδρανα (AMB) αποτελούν μηχανοτρονικές διατάξεις. Το hardware αποτελείται από ηλεκτρομηχανικά στοιχεία (ηλεκτρομαγνήτες) σε συνδυασμό με ηλεκτρονικά στοιχεία όπως είναι αισθητήρες μετατόπισης και ενισχυτές ισχύος, ενώ μέρος επεξεργασίας των πληροφοριών γίνεται συνήθως με μικροεπεξεργαστές.

Η εγγενής ικανότητα για ανίχνευση, επεξεργασία πληροφοριών και ενεργοποίηση δίνουν στο μαγνητικό έδρανο τη δυνατότητα να γίνει βασικό στοιχείο σε έξυπνες μηχανές.

Η ανέπαφη έδραση και η αποφυγή λίπανσης (oil-free τεχνολογία) και φθοράς δίνουν στα AMB τη δυνατότητα χρήσης σε συστήματα κενού, σε καθαρά και αποστειρωμένα περιβάλλοντα, στη μεταφορά ασταθών ή πολύ καθαρών ουσιών, καθώς και σε μεγάλες θερμοκρασίες.

Το κενό μεταξύ του άξονα και του εδράνου είναι τυπικά της τάξης του δέκατου του χιλιοστού, αλλά για ειδικές εφαρμογές μπορεί να είναι και της τάξης δεκάδων χιλιοστών (π.χ. 20mm). Στην δεύτερη περίπτωση το έδρανο γίνεται αρκετά μεγαλύτερο. Οι άξονες που εδράζονται σε μαγνητικά έδρανα μπορούν να αναπτύσσουν μεγάλες ταχύτητες περιστροφής οι οποίες περιορίζονται μόνο από την αντοχή του υλικού του άξονα.

Θεωρητικά, περιφερειακή ταχύτητα 350m/s μπορεί να επιτευχθεί αν χρησιμοποιηθούν στον άξονα άμορφα μέταλλα (που μπορούν να αντέξουν σε υψηλές τάσεις και ταυτόχρονα να έχουν πολύ καλές μαγνητικές ιδιότητες) ή σύνθετα υλικά. Σχεδιαστικά πλεονεκτήματα προκύπτουν επίσης από την απουσία λαβυρίνθων στεγανοποίησης (δεν υπάρχει λιπαντικό) και από τη δυνατότητα για άξονες υψηλής διαμέτρου (και εντός του εδράνου) οι οποίοι είναι λιγότερο επιρρεπείς σε ταλαντώσεις.

 

ΕΙΚΟΝΑ 5

Σχηματική αναπαράσταση στροβιλογεννήτριας για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος (εικόνα: SKF S2M).

Οι χαμηλές απώλειες ισχύος είναι από 5 έως 20 φορές χαμηλότερες από τις αντίστοιχες με χρήση ρουλεμάν ή εδράνων ολίσθησης, κάτι που συνεπάγεται χαμηλό κόστος λειτουργίας της μηχανής. Το ειδικό φορτίο W/(L*D) που μπορεί να παραλάβει ένα μαγνητικό έδρανο διαμέτρου D και μήκους L εξαρτάται από τον τύπο του φερομαγνητικού υλικού και από το σχεδιασμό του ηλεκτρομαγνήτη, και μπορεί να είναι από 20 Ν/cm2 έως 40 Ν/cm2.

Η δυναμική του άξονα (ο οποίος επί της ουσίας αιωρείται με την επενέργεια μαγνητικών δυνάμεων) καθορίζεται από το νόμο ελέγχου. Ο έλεγχος πραγματοποιείται με μικροεπεξεργαστή ο οποίος καθιστά το σχεδιασμό του συστήματος αρκετά πολύπλευρο, ώστε να μπορεί να περιοριστεί η δυσκαμψία και η απόσβεση του εδράνου εντός φυσικών ορίων με βάση τη δυναμική ανάλυση ακόμη και σε κάθε ταχύτητα.

Επιπλέον, υπάρχει δυνατότητα για ελαχιστοποίηση του πλάτους απόκρισης σε συντονισμούς (κρίσιμες ταχύτητες), καθώς και για σταθεροποίηση του άξονα όταν αυτός υπόκειται σε διέγερση από μη συντηρητικές δυνάμεις. Η ακρίβεια με την οποία η απόκριση μπορεί να ελεγχθεί προσδιορίζεται κυρίως από την ακρίβεια μέτρησης της απόκρισης. Οι κοινοί επαγωγικοί αισθητήρες μετατόπισης (inductive sensors) έχουν μία ακρίβεια μέτρησης της τάξης του μικρομέτρου (μm).

Τα ενεργά μαγνητικά έδρανα συνδυάζονται με έδρανα ασφαλείας (retainer bearings), τα οποία είναι ρουλεμάν που τοποθετούνται εκατέρωθεν του μαγνητικού εδράνου χωρίς να έχουν επαφή με τον άξονα σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, καθώς η εσωτερική διάμετρός τους είναι μεγαλύτερη από αυτή του άξονα και λίγο μικρότερη από αυτή των ηλεκτρομαγνητών. Τα έδρανα ασφαλείας αναλαμβάνουν προσωρινά την στήριξη του άξονα όταν το εγκάρσιο φορτίο στο μαγνητικό έδρανο γίνει απρόβλεπτα μεγαλύτερο, ή όταν υπάρξει κάποια δυσλειτουργία στο σύστημα ελέγχου.

Η αντιστάθμιση αζυγοσταθμίας είναι ένα ακόμη πλεονέκτημα των μαγνητικών εδράνων, καθώς αυτά μπορούν να αναγνωρίζουν μέσω της μετρούμενης απόκρισης, την αζυγοσταθμία του περιστρεφόμενου συστήματος. Τα AMB μπορούν να αντισταθμίσουν τις δυνάμεις αζυγοσταθμίας διεγείροντας περιοδικά και στη σωστή διαφορά φάσης, ώστε να υπάρχει μία μηδενική συνισταμένη δύναμη σε κάποιο εγκάρσιο επίπεδο.

Το κατασκευαστικό κόστος ενός AMB είναι αντίστοιχο ενός μηχανοτρονικού προϊόντος. Ωστόσο, το κόστος κατασκευής προτοτύπου είναι αρκετά μεγάλο, λόγω του απαιτούμενου software. Η κατασκευή ενός AMB για συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτεί γνώση των μηχανοτρονικών συστημάτων και της επεξεργασίας δεδομένων, καθώς και επαρκή γνώση των αναγκών της συγκεκριμένης εφαρμογής. Για τους λόγους αυτούς απαιτείται καλή συνεργασία του κατασκευαστή AMB με τον κατασκευαστή της εφαρμογής (OEM).

 

*Ο κ. Αθανάσιος Χασαλεύρης είναι κάτοχος Phd και επίκουρος καθηγητής Ανάλυσης και Σχεδιασμού Μηχανολογικών Κατασκευών στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.