Магнитный подшипник, как и остальные механизмы подшипниковой группы, служит опорой для вращающегося вала. Но в отличие от распространенных подшипников качения и подшипников скольжения соединение с валом является механически бесконтактным, то есть используется принцип левитации.

Классификация и принцип работы

Используя принцип левитации, вращающийся вал буквально парит в мощном магнитном поле. Контролировать движение вала и координировать работу магнитной установки позволяет сложная система датчиков, которая постоянно отслеживает состояние системы и подает необходимые управляющие сигналы, меняя силу притяжения с той или иной стороны.

Магнитные подшипники делятся на две большие группы – активные и пассивные. Более подробно об устройстве каждого типа подшипника ниже.

1. Активные магнитные подшипники.

Также их называют активными магнитными подвесами. Как упоминалось выше, состоят они из двух частей – непосредственно сам подшипник, а также электронная система управления магнитным полем.

1, 3 – силовые катушки; 2 — вал Различают радиальный и упорные механизмы (по типу воспринимаемой нагрузки), но принцип работы у них один и тот же. Используется специальный ротор (обычный вал не подойдет), модифицированный ферромагнитными блоками. Этот ротор «висит» в магнитном поле, создаваемом электромагнитными катушками, которые находятся на статоре, то есть вокруг вала на 360 градусов, образуя кольцо.

Между ротором и статором образуется воздушный зазор, что позволяет деталям вращаться с минимальным трением.

Изображенным механизмом управляет специальная электронная система, которая с помощью датчиков постоянно отслеживает положение ротора относительно катушек и при малейшем его смещении подает управляющий ток на соответствующую катушку. Это позволяет поддерживать ротор в одном и том же положении.

Расчет таких системы можно более детально изучить в приложенной документации .

1. Пассивные магнитные подшипники.

Активные магнитные подвесы достаточно широко используются в промышленности, в то время как пассивные системы еще находятся в стадии разработки и испытаний. Как вытекает из названия, ключевым отличием является отсутствие активных элементов, то есть используются постоянные магниты. Но система из нескольких постоянных магнитов очень неустойчива, поэтому практическое применение подобных систем пока под вопросом. На схеме ниже условно представлен принцип работы пассивных механических подвесов.

Ротор оснащен постоянным магнитом так же, как и статор, расположенный кольцом вокруг ротора. Одноименные полюса расположены рядом в радиальном направлении, что создает эффект левитации вала. Подобную систему можно даже собрать своими руками.

Преимущества

Разумеется, основным преимуществом является отсутствие механического взаимодействия между вращающимся ротором и статором (кольцом).

Из этого следует, что подобные подшипники очень долговечны, то есть обладают повышенной износоустойчивостью. Также конструкция механизма позволяет использовать его в агрессивных средах – повышенная/пониженная температура, агрессивная воздушная среда. Поэтому МП находят все большее применение в космической промышленности.

Недостатки

К сожалению, система обладает и большим количеством недостатков. К ним относятся:

• Сложность управления активными подвесами. Необходима сложная, дорогостоящая электронная система управления подвесом. Ее использование может быть оправдано только в «дорогих» отраслях – космической и военной.
• Необходимость использования страховочных подшипников. Резкое отключение электричества или выход из строя магнитной катушки может привести к катастрофическим последствиям для всей механической системы. Поэтому для страховки совместно с магнитными используют и механические подшипники. В случае отказа основных, они смогут взять на себя нагрузки и избежать серьезной поломки.
• Нагрев обмотки катушек. Вследствие прохождения тока, создающего магнитное поле, обмотка катушек нагревается, что зачастую является неблагоприятным фактором. Поэтому необходимо использовать специальные охлаждающие установки, что еще больше увеличивает стоимость использования подвеса.

Области применения

Возможность работы при любых температурах, в условиях вакуума и отсутствия смазки позволяет использовать подвесы в космической промышленности, в станках нефтеперерабатывающей промышленности. Также они нашли свое применение в газовых центрифугах для обогащения урана. Различные электростанции также используют магнитные подвесы в своих генерирующих установках.

Ниже несколько интересных видео по теме.

В разнообразной современной электромеханической продукции и технических изделиях, магнитный подшипник является основным узлом, который определяет технические и экономические характеристики и увеличивает безотказный эксплуатационный период. По сравнению с традиционными подшипниками, в магнитных подшипниках полностью отсутствует сила трения между неподвижными и подвижными деталями. Наличие такого свойства позволяет реализовывать повышенные скорости в конструкциях магнитных систем. Магнитные подшипники изготавливаются из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, которые рационально влияют на их свойства. К таким свойствам можно отнести существенное снижение затрат на модельные конструкции систем охлаждения и такой важный параметр, как длительное поддержание магнитного подшипника в рабочем состоянии.

Принцип работы магнитных подвесов

Принцип работы магнитных подвесов основан на применении свободной левитации , которая создается магнитными и электрическими полями. Вращающий вал с применением таких подвесов, без применения физического контакта, в прямом смысле подвешен в мощном магнитном поле. Относительные обороты его проходят без трения и износа, при этом достигается высочайшая надежность. Основополагающей составляющей магнитного подвеса является магнитная система. Ее основное предназначение – это создание магнитного поля необходимой формы, обеспечение требуемых тяговых характеристик в рабочей области при контрольном определенном смещении ротора и жесткости самого подшипника. Такие параметры магнитных подшипников находятся в прямой зависимости от конструкции магнитной системы, которую необходимо разрабатывать и рассчитывать исходя из ее массогабаритной составляющей – дорогостоящей системы криогенного охлаждения. На что способны электромагнитное поле магнитных подвесов наглядно можно увидеть на работе детской игрушки Левитрон . На практике магнитные и электрические подвесы существуют в девяти видах, отличающихся между собой принципом действия:

• магнитные и гидродинамические подвесы;
• подвесы, работающие на постоянных магнитах;
• активные магнитные подшипники;
• кондиционные подвесы;
• LC- резонансные виды подвесов;
• индукционные подшипники;
• диамагнитные типы подвесов;
• сверхпроводящие подшипники;
• электростатические подвесы.

Если протестировать все эти типы подвесов по популярности, то в нынешних реалиях, заняли лидирующие позиции активные магнитные подшипники (АМП ). По виду они представляют собой мехатронную систему устройства, в которой стабильное состояние ротора, осуществляется присутствующими силами магнитного притяжения. Эти силы воздействуют на ротор с боку электромагнитов, электрический ток в которых настраивается системой автоматического управления на сигналах датчиков электронного блока управления. В таких блоках управления может применяться как традиционная аналоговая, так и более инновационная система цифровой обработки сигналов. Активные магнитные подшипники имеют великолепные динамические характеристики, надежность и высокий КПД. Уникальные возможности активных магнитных подшипников способствуют их повсеместному внедрению. АМП эффективно применяются, к примеру, в таком оборудовании:
- газотурбинные установки;
- скоростные роторные системы;
- электродвигатели;
- турбодетандеры;
- накопители инерционной энергии и т.д.
Пока активные магнитные подшипники требуют внешнего источника тока и дорогостоящей и сложной аппаратуры управления. На данный момент разработчики АМП проводят активные работы по созданию пассивного вида магнитных подшипников.

Принцип его действия основан на использовании силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Проводник с током может быть твердым или жидким. В последнем случае опоры называются

магнитогидродинамическими кондукционноготипа. В зависимости от вида тока кондукционные подвесы делятся на подвесы постоянного тока и переменного тока (магнитное поле и ток должны совпадать по фазе).

Кондукционный подвес, представленный на рисунке 1.2.5, имеет простую конструкцию и в тоже время обладает высокой грузоподъемностью.

Рисунок 1.2.5 - Кондукционный подвес

Существенным недостатком, ограничивающим применение кондукционных подвесов, является необходимость возбуждения токов непосредственно на подвешиваемом теле, что приводит к значительному увеличению собственного веса и снижению эффективности подвеса. Так же к недостаткам можно отнести и необходимость в источнике тока больших значений.

Кондукционным опорам посвящено небольшое количество работ, но широкого применения они пока не нашли. На данный момент кондукционный подвес используется в металлургии (для плавки чистых металлов), транспорте.

Активные магнитные подвесы

Активный магнитный подвес? это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает вращающуюся часть машины (ротор) в заданном положении относительно неподвижной части (статор).

Активные магнитные подвесы требуют специального электронного блока внешней обратной связи.

Для пояснения принципа работы активного магнитного подвеса рассмотрим рисунок 1.2.6, на котором изображена простейшая структурная схема подвеса. Она состоит из датчика, который измеряет смещение подвешиваемого тела относительно положения равновесия, регулятором который обрабатывает сигнал измерения, усилителем мощности, питаемый от внешнего источника, который преобразует этот сигнал в управляющий ток в обмотке электромагнита. Этот сигнал вызывает силы, которые удерживают и возвращают ферромагнитное тело в состояние равновесия.

Очевидным преимуществом активных схем является возможность достижения более эффективного регулирования взвешивающего поля и, следовательно, улучшения силовых характеристик. Активный подвес обладает высокой грузоподъемностью, высокой механической прочностью, широким диапазоном изменения жесткости и демпфирования, отсутствие шума и вибраций, невосприимчив к загрязнению, отсутствие изнашивания, нет необходимости в смазке и т.п. Устойчивость подвеса, а так же необходимая жесткость и демпфирование, достигается выбором закона управления. К недостаткам активного магнитного подвеса можно отнести высокую стоимость, потребление энергии от внешнего источника, сложность электронного блока управления и т.д.

Рисунок 1.2.6 - Активный магнитный подвес

Важными областями применения активных магнитных подшипников является космическая техника (вакуумные турбомолекулярных насосов), медицинская аппаратура, техника в пищевой промышленности, высокоскоростной наземный транспорт и т.п.

насмотревшись видео отдельных товарищей, типа таких

решил и я отметится в этой теме. на мой взгляд видео довольно безграмотное, так что вполне можно по-свистеть из партера.

перебрав в голове кучу схем, посмотрев принцип подвеса в центральной части в видео Белецкого, поняв как работает игрушка "левитрнон", пришел к простой схеме. понятно, что опорных шипа должно быть два на одной оси, сам шип выполнен из стали, а кольца жестко на оси зафиксированны. вместо цельных колец вполне можно уложить не очень большие магниты в форме призмы или цилиндра расположенные по окружности. принцип такойже как в известной игрушке "ливитрон". только вместо героскопического момента, который не дает волчку опрокинутся мы используем "распор" между жестко закрепленными на оси подставками.

ниже видео с игрушкой "ливитрон"

а здесь схема которую предлагаю я. по сути это и есть игрушка на видео выше, но как я уже говорил, ей необходимо что-то что не довало бы опорному шипу опрокинутся. в видео выше используется гироскопический момент, я использую две подставки и распор между ними.

попробуем обосновать работу это конструкции, как я её вижу:

магниты отатлкиваются, значит слабое место - нужно стабилизировать эти шипы по оси. здесь я использовал такую идею: магнит пытается вытолкнуть шип в зону с наименьшей напряженностью поля, т.к. шип имеет противоположную кольцу намагниченость и сам магнит кольцевой, где в достаточно большой области, расположенной вдоль оси, напряженность меньше чем на переферии. т.е. распределение напряженности магнитного поля по-форме напомянает стакан - в стенке напряженность максимальна, а на оси минимальна.

шип должен стабилизироваться по оси, с одновременным выталкиванием из кольцевого магнита в зону с наименьшей напряженностью поля. т.е. если таких шипа два на одной оси и кольцевые магниты жестко зафиксированны - ось должна "зависнуть".

получается, что находится в зоне с меньшей напряженностью поля наиболее энергетически выгодно.

порывшись еще в интернете нашел похожую конструкцию:

здесь тоже формируется зона с меньшей напряженностью, находится она тоже по оси между магнитами, так же используется угол. в общем идеалогия очень похожая, однако если говрить о компактном подшипнике - вариант выше выглядит лучше, однако требует магнитов специальной формы. т.е. разница между схемами в том, что я выдавливаю в зону с меньшей напряженностью опорную часть, а в схеме выше само формирование такой зоны обеспечивает положение на оси.
для наглядности сравнения я перерисовал свою схему:

по сути они зеркальны. вообще идея не нова - все они крутятся вокруг одного и того же, у меня даже есть подозрения, что автор ролика выше просто не искакал предполагаемых решений

здесь практически один в один, если конические упоры сделать не цельным, а составными - магнитопровод + кольцевой магнит, то получится моя схема. я бы даже сказал начальная неоптимизированная идея - рисунок ниже. только рисунок выше работает на "притяжение" ротора, а я изначально планировал "отталкивание"


для особо одаренных хочу заметить, данный подвес не нарушает теоремы (запрет) Ирншоу. дело в том что речь идет здесь не о чисто магнитном подвесе, без жесткой фиксации центров на оси т.е. одна ось жестко зафиксирована, ничего работать не будет. т.е. речь идет о выборе точки опоры и не более того.

на всамом деле, если посмотреть видео Белецкого, то там видно, что примерно такая конфигурация полей уже используется где не поподя, не хватает только финального штриха. конический магнитопровод распределяет "отталкивание" по двум осям, третью же ось Ирншоу велел зафиксировать иначе, я не стал спорить и жестко её зафиксировал механически. почему Белецкий не попробывал такой вариант я не знаю. фактически ему нужно два "ливитрона" - подставки зафиксировать на оси, а на волчки соединить медной трубкой.

еще можно заметить, что можно использовать наконечники из любого дастаточно сильного диамегнетика в место магнита полярности противоположной магнитному опорному кольцу. т.е. заменить связку магнит+конический магнитопровод, просто на конус из диамагнетика. фиксация на оси будет более надежной, но диамагнетики не отличаются сильным взаимодействием и нужны большие напряженности поля и большой "объем" этого поля, чтобы применять это хоть как-то. за счет того что поле аксильно равномерное относительно оси вращения, изменения магнитного поля происходить при вращении не будет т.е. подобный подшипник не создаёт противодействия вращению.

по логике вещей такой принцип должен быть применим и для подвески плазмы - пропатченная "магнитная бутылка" (пробкотрон), что же поживем - увидем.

почему я так уверен в результате? ну потому что его не может не быть:) единственно что возможно придется сделать магнитопроводы в форме конуса и чашки для более "жесткой" конфигурации поля.
ну и такжк можно найти видео с подобным подвесом:

здесь автор не использует каких-либо магнитопроводов и использует упор на иглу, как в общем-то и нужно, понимая теорему Ирншоу. но ведь кольца уже жестко закреплены на оси, значит можно распереть ось между ними, чего лего добится используя конические магнитопроводы на магнитах на оси. т.е. пока не пробили "дно" "магнитного стакана" магнитопровод все труднее впихнуть в кольцо т.к. магнитная проницаемость воздуха меньше чем магнитопровода - уменьшение воздушной прослойки приведет к возрастанию напряженности поля. т.е. одна ось жестко закреплена механически - тогда опор на иглу будет не нужен. т.е. см. самый первый рисунок.

P.S.
вот чего нашел. из сери дурная голова рукам покая не дает - автор тот еще белецкий - накручено там мама не горюй - конфигурация поля довольно сложная, более того не однородная по оси вращения т.е. при вращении буде изменение пока магнитной индукции в оси со всеми вытикающими... обратите внимание на шарик в кольцевом магните, с другой же стороны в кольцевом магните цилиндр. т.е. человек тупо испохабил принцип подвеса описанный здесь.

ну или пропаичил подвес на фотографии т.е. перцы на фото используют опор на иглу, а он в место иглы повесил шарик - ай шайтан - сработало - кто бы мог подумать (помню мне доказывали что я не правильно понимаю теорему Ирншоу), однако ума повесить два шарика и использовать всего два кольца видимо не хватает. т.е. количество магнитов в устройстве на видео можно легко сократить до 4-х, а возможно до 3-х т.е. конфигурацию с цилиндром в одном кольце и шариком в другом можно считать экспериментально доказаной работающей см. рисунок изначальной идеи. там я использовал два симитричных упора и цилинд + конус, хотя считаю что конус что часть сферы от полюса до диаметра работают одинакого.

стало быть сам упор выглядит так - это магнитопровод (т.е железный, никелевый и т.п.)в него просто

закладывается магнит-кольцо. ответнаая часть такая же, только наоборот:) и работают два упора в распоре- товарищ Ирншоу запретил рабоать по одному упору.

Многие потребители подшипников считают магнитные подшипники своеобразным "черным ящиком", хотя в промышленности их применяют довольно долго. Обычно они используются при транспортировке или подготовке природного газа, в процессах его сжижения и так далее. Часто они используются плавучими газоперерабатывающими комплексами.

Магнитные подшипники функционируют за счет магнитной левитации. Они работают благодаря силам, образующимся за счет магнитного поля. При этом поверхности между собой не контактируют, поэтому отсутствует необходимость в смазке. Данный тип подшипников способен функционировать даже в довольно жестких условиях, а именно при криогенных температурах, экстремальных показателях давления, высоких скоростях и так далее. При этом магнитные подшипники показывают высокую надежность.

Ротор радиального подшипника, который оснащен ферромагнитными пластинами, с помощью магнитных полей, создаваемых, размещенными на статоре электромагнитами, удерживается в нужной позиции. Функционирование осевых подшипников основано на таких же принципах. При этом напротив электромагнитов на роторе, находится диск, который установлен перпендикулярно к оси вращения. Позицию ротора отслеживают индукционные датчики. Данные датчики быстро определяют все отклонения от номинальной позиции, в результате чего создают сигналы, управляющие токами в магнитах. Данные манипуляции позволяют удерживать ротор в нужном положении.

Преимущества магнитных подшипников неоспоримы : они не требуют смазки, не угрожают окружающей среде, потребляют мало энергии и благодаря отсутствию соприкасающихся и трущихся частей работают продолжительное время. Кроме того магнитные подшипники обладают низким уровнем вибраций. Сегодня существуют модели со встроенной системой мониторинга и контроля состояния. На данный момент магнитные подшипники в основном применяются в турбокомпрессорах и компрессорах для природного газа, водорода и воздуха, в криогенной технике, в рефрижераторных установках, в турбодетандерах, в вакуумной технике, в электрогенераторах, в контрольном и измерительном оборудовании, в высокоскоростных полировальных, фрезерных и шлифовальных станках.

Главный недостаток магнитных подшипников - зависимость от магнитных полей. Исчезновение поля может привести к катастрофической поломке системы, поэтому зачастую их используют со страховочными подшипниками. Обычно в качестве них используют подшипники качения, способные выдержать два или один отказ магнитных моделей, после этого требуется их незамедлительная замена. Также для магнитных подшипников применяют громоздкие и сложные системы управления, значительно затрудняющие эксплуатацию и ремонт подшипника. К примеру, для управления данными подшипниками зачастую устанавливают специальный шкаф управления. Данный шкаф является контроллером, взаимодействующим с магнитными подшипниками. С его помощью на электромагниты подается ток, регулирующий положение ротора, гарантирующий его бесконтактное вращение и поддерживающий его стабильное положение. Кроме того, во время эксплуатации магнитных подшипников может возникать проблема нагревания обмотки данной детали, которая происходит за счет прохождения тока. Поэтому с некоторыми магнитными подшипниками иногда устанавливают дополнительные охлаждающие системы.

Один из крупнейших производителей магнитных подшипников - компания S2M, которая участвовала в разработке полного жизненного цикла магнитных подшипников, а также двигателей с постоянными магнитами: начиная с разработки и заканчивая вводом в эксплуатацию, производством и практическими решениями. Компания S2M всегда старалась придерживаться инновационной политики, направленной на упрощение конструкции подшипников, необходимой для снижения затрат. Она старалась сделать магнитные модели более доступными для более широкого использования рынком промышленных потребителей. С фирмой S2M сотрудничали компании, изготавливающие различные компрессоры и вакуумные насосы в основном для нефтегазовой отрасли. В свое время сеть сервисов S2M раскинулась по всему миру. Ее офисы имелись в России, Китае, Канаде и Японии. В 2007 фирму S2M приобрела группа SKF за пятьдесят пять миллионов евро. Сегодня магнитные подшипники по их технологиям изготавливаются производственным подразделением A&MC Magnetic Systems.

Компактные и экономичные модульные системы, оборудованные магнитными подшипниками, используются в промышленности все шире. По сравнению с привычными традиционными технологиями они обладают множеством преимуществ. Благодаря миниатюризованным инновационным системам «двигатель / подшипник» стала возможна интеграция таких систем в современную серийную продукцию. Они сегодня используются в высокотехнологичных отраслях (производство полупроводников). Последние изобретения и разработки в области магнитных подшипников четко направлены на максимальное конструкционное упрощение данного изделия. Это нужно для снижения затрат на подшипники, что сделает их более доступными для использования широким рынком промышленных потребителей, которые несомненно нуждаются в такой инновации.