Rodamientos magnéticos sin contacto: dispositivo, capacidades, ventajas y desventajas.

Hablando de cojinetes magnéticos o suspensiones sin contacto, no podemos dejar de señalar sus notables cualidades: no requiere lubricación, no hay piezas que rocen, por lo tanto, no hay pérdidas por fricción, nivel de vibración extremadamente bajo, alta velocidad relativa, bajo consumo de energía, control automático y monitoreo de cojinetes. sistema, capacidad de sellado.

Todas estas ventajas hacen de los cojinetes magnéticos las mejores soluciones para muchas aplicaciones: para turbinas de gas, para tecnología criogénica, en generadores eléctricos de alta velocidad, para dispositivos de vacío, para diversas máquinas de corte de metales y otros equipos, incluidos los de alta precisión y alta velocidad. (alrededor de 100.000 rpm), donde es importante la ausencia de pérdidas mecánicas, perturbaciones y errores.

Básicamente, los cojinetes magnéticos se clasifican en dos tipos: cojinetes magnéticos pasivos y activos. Los rodamientos magnéticos pasivos se fabrican basado en imanes permanentes, pero este enfoque está lejos de ser ideal, por lo que rara vez se usa.Se abren posibilidades técnicas más flexibles y amplias con los cojinetes activos, en los que se crea un campo magnético mediante corrientes alternas en los devanados de alambre.

Cómo funciona el rodamiento magnético sin contacto

El funcionamiento de una suspensión o cojinete magnético activo se basa en el principio de levitación electromagnética: levitación mediante campos eléctricos y magnéticos. Aquí, la rotación del eje en el rodamiento ocurre sin contacto físico de las superficies entre sí. Por esta razón, la lubricación está completamente excluida y el desgaste mecánico sigue estando ausente. Esto aumenta la fiabilidad y la eficiencia de las máquinas.

Los expertos también señalan la importancia de monitorear la posición del eje del rotor. El sistema de sensores monitorea continuamente la posición del eje y proporciona señales al sistema de control automático para un posicionamiento preciso ajustando el campo magnético de posicionamiento del estator: la fuerza de atracción en el lado deseado del eje se fortalece o debilita ajustando la corriente en los devanados del estator de los rodamientos activos.

Dos cojinetes activos cónicos o dos cojinetes activos radiales y uno axial permiten que el rotor quede suspendido sin contacto literalmente en el aire. El sistema de control del cardán funciona de forma continua, puede ser digital o analógico. Esto proporciona alta fuerza de retención, alta capacidad de carga y rigidez ajustable y absorción de impactos. Esta tecnología permite que los rodamientos trabajen a bajas y altas temperaturas, en vacío, a altas velocidades y en condiciones de mayores requisitos de esterilidad.

Dispositivo de cojinete magnético activo sin contacto

De lo anterior, queda claro que las partes principales del sistema de suspensión magnética activa son: cojinete magnético y sistema de control electrónico automático. Los electroimanes actúan en todo momento sobre el rotor desde diferentes lados y su acción está subordinada a un sistema de control electrónico.

El rotor de cojinete magnético radial está equipado con placas ferromagnéticas, sobre las que actúa un campo magnético retentivo de los devanados del estator, como resultado de lo cual el rotor queda suspendido en el centro del estator sin tocarlo. Sensores inductivos controlan la posición de el rotor en todo momento. Cualquier desviación de la posición correcta da como resultado una señal que se envía al controlador para devolver el rotor a la posición deseada. El juego radial puede estar entre 0,5 y 1 mm.

Un cojinete de soporte magnético funciona de manera similar. Los electroimanes en forma de anillo están unidos al eje del disco de tracción. Los electroimanes se encuentran en el estator. Los sensores axiales están ubicados en los extremos del eje.

Para retener de manera confiable el rotor de la máquina durante su parada o en el momento de la falla del sistema de retención, se utilizan cojinetes de bolas de seguridad, que se fijan de modo que el espacio entre ellos y el eje sea igual a la mitad del cojinete magnético. .

El sistema de control automático está ubicado en el gabinete y es responsable de la correcta modulación de la corriente que fluye a través de los electroimanes de acuerdo con las señales de los sensores de posición del rotor. La potencia de los amplificadores está relacionada con la fuerza máxima de los electroimanes, el tamaño del entrehierro y el tiempo de reacción del sistema ante un cambio en la posición del rotor.

Posibilidades de rodamientos magnéticos sin contacto

La velocidad máxima posible del rotor en un rodamiento magnético radial está limitada únicamente por la capacidad de las placas ferromagnéticas del rotor para resistir la fuerza centrífuga. Por lo general, el límite para la velocidad periférica es de 200 m/s, mientras que para los cojinetes magnéticos axiales el límite está limitado por la resistencia del acero fundido del tope: 350 m/s con materiales ordinarios.

Los ferroimanes aplicados también determinan la carga máxima que puede soportar un rodamiento con el diámetro y la longitud del estator del rodamiento correspondiente. Para materiales estándar, la presión máxima es de 0,9 N/cm2, que es menor que la de los cojinetes de contacto convencionales, pero la pérdida de carga se puede compensar con una alta velocidad periférica con un mayor diámetro del eje.

El consumo de energía del rodamiento magnético activo no es muy alto. Las mayores pérdidas en el rodamiento se deben a las corrientes de Foucault, pero esto es diez veces menos que la energía que se pierde cuando se utilizan rodamientos convencionales en las máquinas. Excluyendo acoplamientos, barreras térmicas y otros dispositivos, los rodamientos funcionan de manera efectiva en vacío, helio, oxígeno, agua de mar y más. El rango de temperatura es de -253 °C a +450 °C.

Desventajas relativas de los cojinetes magnéticos

Mientras tanto, los rodamientos magnéticos también tienen desventajas.

En primer lugar, es necesario utilizar rodamientos auxiliares de seguridad, que pueden soportar un máximo de dos fallas, luego de lo cual deben reemplazarse por otros nuevos.

En segundo lugar, la complejidad del sistema de control automático que, si falla, requerirá reparaciones complejas.

En tercer lugar, la temperatura del devanado del estator del cojinete aumenta con corrientes altas: los devanados se calientan y necesitan su propio enfriamiento, preferiblemente enfriamiento líquido.

Finalmente, el consumo de material de un cojinete sin contacto es alto porque la superficie del cojinete debe ser grande para soportar suficiente fuerza magnética: el núcleo del estator del cojinete es grande y pesado. Más el fenómeno de la saturación magnética.

Pero a pesar de las aparentes desventajas, los cojinetes magnéticos ahora se usan ampliamente, incluso en sistemas ópticos de alta precisión e instalaciones láser. De una forma u otra, desde mediados del siglo pasado, los rodamientos magnéticos han ido mejorando todo el tiempo.