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.

Говоря о магнитных подшипниках или бесконтактных подвесах, нельзя не отметить их замечательные качества: не нужна смазка, отсутствуют трущиеся части, следовательно нет потерь на трение, крайне низкий уровень вибрации, высокая относительная скорость, малое энергопотребление, система автоматического контроля и мониторинга состояния подшипников, возможность герметизации.

Все эти достоинства делают магнитные подшипники лучшими решениями для множества применений: для газовых турбин, для криогенной техники, в высокооборотных электрогенераторах, для вакуумных устройств, для различных станков и прочего оборудования, в том числе высокоточного и высокоскоростного (порядка 100000 оборотов в минуту), где важно отсутствие механических потерь, помех и погрешностей.

Принципиально магнитные подшипники подразделяются на два типа: пассивные и активные магнитные подшипники. Пассивные магнитные подшипники изготавливаются , но такой подход далеко не идеален, поэтому используется он крайне редко. Более гибкие и широкие технические возможности открываются с подшипниками активными, в которых магнитное поле создается переменными токами в обмотках сердечников.

Как работает бесконтактный магнитный подшипник

Работа активного магнитного подвеса или подшипника базируется на принципе электромагнитной левитации - левитации с использованием электрического и магнитного полей. Здесь вращение вала в подшипнике происходит без физического контакта поверхностей друг с другом. Именно по этой причине полностью исключается смазка, а механический износ тем не менее отсутствует. Так повышаются надежность и КПД машин.

Специалисты также отмечают важность наличия контроля положения вала ротора. Система датчиков непрерывно следит за положением вала и подает сигналы системе автоматического управления для точного позиционирования путем корректировки позиционирующего магнитного поля статора, - сила притяжения с нужной стороны вала делается сильнее или слабее путем регулировки тока в статорных обмотках активных подшипников.

Два конических активных подшипника либо два радиальных и один осевой активные подшипники - позволяют бесконтактно подвесить ротор буквально в воздухе. Система управления подвесом работает непрерывно, она может быть цифровой или аналоговой. Так обеспечивается высокая прочность удержания, высокая грузоподъемность, и регулируемые жесткость и амортизация. Данная технология позволяет подшипникам работать в условиях низких и высоких температур, в вакууме, на больших скоростях и в условиях повышенных требований к стерильности.

Из вышеизложенного ясно, что основными частями системы активного магнитного подвеса являются: магнитный подшипник и автоматическая система электронного управления. Электромагниты все время действуют на ротор с разных сторон, и действие их подчинено электронной системе контроля.

Ротор радиального магнитного подшипника оснащен ферромагнитными пластинами, на которые и действует удерживающее магнитное поле от катушек статора, в результате чего ротор оказывается подвешен в центре статора, не соприкасаясь с ним. Индуктивные датчики все время следят за положением ротора. Любое отклонение от правильного положения приводит к появлению сигнала, который подается на контроллер, чтобы тот в свою очередь вернул ротор в нужное положение. Радиальный зазор может составлять от 0,5 до 1 мм.

Аналогичным образом функционирует упорный магнитный подшипник. Электромагниты в форме кольца закреплены на валу упорного диска. Электромагниты располагаются на статоре. На концах вала располагаются осевые датчики.

Для надежного удержания ротора машины во время ее остановки или в момент отказа системы удержания, используются страховочные шариковые подшипники, которые закреплены так, что зазор между ними и валом выставлен равным половине того, что имеет место в магнитном подшипнике.

Система автоматического регулирования располагается в шкафу, и отвечает за правильную модуляцию тока, проходящего по электромагнитам, в соответствии с сигналами от датчиков положения ротора. Мощность усилителей связана с максимальной силой электромагнитов, величиной воздушного зазора и временем реакции системы на изменение положения ротора.

Возможности бесконтактных магнитных подшипников

Максимально возможная скорость вращения ротора в радиальном магнитном подшипнике ограничена лишь способностью ферромагнитных пластин ротора сопротивляться центробежной силе. Обычно предел окружной скорости составляет 200 м/с, в то время как для осевых магнитных подшипников предел ограничен стойкостью литой стали упора - 350 м/с с обычными материалами.

От применяемых ферромагнетиков зависит и максимальная нагрузка, которую способен выдержать подшипник соответствующего диаметра и длины статора подшипника. Для стандартных материалов максимальное давление - 0,9 Н/см2, что меньше чем у обычных контактных подшипников, однако проигрыш в нагрузке может быть компенсирован высокой окружной скоростью при увеличенном диаметре вала.

Энергопотребление активного магнитного подшипника не очень велико. Наибольшие потери в подшипнике приходятся на вихревые токи, но это в десятки раз меньше чем та энергия, которая растрачивается при использовании в машинах обычных подшипников. Муфты, термоизоляционные барьеры и другие устройства исключаются, подшипники эффективно работают в условиях вакуума, гелия, кислорода, морской воды и т. д. Диапазон температур составляет от -253°С до +450°С.

Относительные недостатки магнитных подшипников

Между тем, есть у магнитных подшипников и недостатки.

В первую очередь - необходимость применять вспомогательные страховочные подшипники качения, которые выдерживают максимум два отказа, после чего их нужно менять на новые.

Во-вторых, сложность системы автоматического управления, которая при выходе из строя потребует сложного ремонта.

В-третьих, температура обмотки статора подшипника при высоких токах повышается - обмотки греются, и им нужно персональное охлаждение, лучше если жидкостное.

Наконец, материалоемкость бесконтактного подшипника оказывается высокой, потому что площадь несущей поверхности для поддержания достаточной магнитной силы должна быть обширной - сердечник статора подшипника получается большим и тяжелым. Плюс явление магнитного насыщения.

Но, несмотря на кажущиеся недостатки, магнитные подшипники уже достаточно широко применяются, в том числе в оптических системах высокой точности и в лазерных установках. Так или иначе, начиная с середины прошлого века магнитные подшипники все время совершенствуются.

Ниже рассмотрена конструкция магнитного подвеса Николаева, который утверждал, что можно обеспечить левитацию постоянного магнита без упора. Показан опыт с проверкой работы данной схемы.

Сами неодимовые магниты продаются в этом китайском магазине .

Магнитная левитация без затрат энергии – фантастика или реальность? Можно ли сделать простейший магнитный подшипник? И что же на самом деле показал Николаев в начале 90-х? Давайте рассмотрим эти вопросы. Каждый, кто когда-либо держал в руках пару магнитов, наверняка задавался вопросом: “Почему не получается заставить один магнит парить над другим без посторонней поддержки? Обладая таким уникальным , как постоянное магнитное поле, они отталкиваются одноименными полюсами совершенно без затрат энергии. Это великолепная основа для технического творчества! Но не все так просто.

Еще в 19 веке британский ученый Earnshaw доказал, что используя только постоянные магниты, невозможно устойчиво удерживать левитирующий объект в гравитационном поле. Частичная левитация или, иначе говоря, псевдолевитация, возможна лишь при механической поддержке.

Как сделать магнитный подвес?

Простейший магнитный подвес можно сделать за пару минут. Понадобятся 4 магнита в основании,чтобы сделать опорную базу, и пара магнитов, закрепленных на самом левитирующим объекте, в качестве которого можно взять, например, фломастер. Тем самым мы получили парящую конструкцию с неустойчивым равновесием по обе стороны оси фломастера. Стабилизировать положение поможет обычный механический упор.

Простейший магнитный подвес с упором

Эту конструкцию можно настроить таким образом, чтобы основной вес левитирующего объекта ложился на опорные магниты, а боковая сила упора была настолько мала, что механическое трение там практически стремится к нулю.

Теперь было бы логично попытаться заменить механический упор на магнитный, чтобы добиться абсолютной магнитной левитации. Но, к сожалению, сделать это не получается. Возможно, дело в примитивности конструкции.

Альтернативная конструкция.

Рассмотрим более надежную систему такого подвеса. В качестве статора используются кольцевые магниты, сквозь которые проходит ось вращения подшипника. Оказывается, в определенной точке кольцевые магниты обладают свойством стабилизировать другие магниты вдоль своей оси намагниченности. А в остальном имеем то же самое. Нет устойчивого равновесия вдоль оси вращения. Это и приходится устранять регулируемым упором.

Рассмотрим конструкцию более жесткую.

Возможно здесь удастся стабилизировать ось при помощи упорного магнита. Но и здесь так и не удалось добиться стабилизации. Возможно, упорные магниты нужно размещать с обеих сторон от оси вращения подшипника. В интернете давно обсуждается видео с магнитным подшипником Николаева. Качество изображения не позволяет детально рассмотреть эту конструкцию и складывается впечатление что ему удалось добиться устойчивой левитации исключительно при помощи постоянных магнитов. При этом схема устройства идентична показанной выше. Добавлены лишь второй магнитный упор.

Проверка конструкции Геннадия Николаева.

Сначала посмотрите полное видео, на котором показан магнитный подвес Николаева. Этот ролик заставил сотни энтузиастов в России и за рубежом попытаться сделать конструкцию, которая смогла бы создать левитацию без упора. Но, к сожалению, в настоящее время не создана действующая конструкция такого подвеса. Это заставляет усомниться в модели Николаева.

Для проверки была сделана точно такая-же конструкция. Кроме всех дополнений были поставлены такие же, как у Николаева, ферритовые магниты. Они слабее неодимовых и не выталкивают с такой огромной силой. Но проверка в серии экспериментов принесла только разочарование. К сожалению, и эта схема оказалась нестабильной.

Заключение.

Проблема в том что кольцевые магниты, какими бы сильными они не были, не в состоянии удержать ось подшипников в равновесии при том усилии со стороны боковых упорных магнитов, которое нужно для ее боковой стабилизации. Ось просто соскальзывают в сторону при малейшем движении. Другими словами, сила, с которой кольцевые магниты стабилизируют ось внутри себя, всегда будет меньше силы, необходимой для стабилизации оси в боковом направлении.

Так что же все-таки показал Николаев? Если более внимательно посмотреть это видео, то возникает подозрение, что при плохом качестве видео просто не видно игольчатый упор. Случайно ли Николаев не старается демонстрировать самое интересное? Не отвергается сама возможность абсолютной левитация на постоянных магнитах, закон сохранения энергии здесь не нарушается. Возможно, еще не создали такую форму магнита, которая создаст необходимую потенциальную яму, надежно удерживающую связку других магнитов в устойчивом равновесии.

Далее схема магнитного подвеса

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основным элементом многих машин является ротор, вращающийся в подшипниковых опорах. Рост скоростей вращения и мощностей роторных машин при одновременной тенденции к уменьшению массовых и габаритных показателей выдвигает проблему повышения долговечности подшипниковых узлов как первоочередную. Кроме того, в целом ряде областей современной техники требуются подшипники, способные надежно работать в экстремальных условиях: в вакууме, при высоких и низких температурах, сверхчистых технологиях, в агрессивных средах и т. п. Создание таких подшипников также является актуальной технической проблемой.
Решение указанных проблем может осуществляться как совершенствованием традиционных подшипников качения и скольжения. так и созданием нетрадиционных подшипников, в которых используются иные физические принципы действия.
Традиционные подшипники качения и скольжения (жидкостные и газовые) к настоящему пременн достигли высокого технического уровня. Однако природа протекающих в них процессов ограничивает, о иногда делает принципиально невозможным применение этих подшипников для достижения указанных выше целей. Так, существенными недостатками подшипников качения являются наличие механического контакта между подвижными и неподвижными частями и необходимость в смазке дорожек качения. В подшипниках скольжения механический контакт отсутствует, но необходимы система иодичн смазочного материала для создания смазочного слоя и герметизация этого слоя. Очевидно, что совершенствование узлов герметизации может лишь уменьшить, но не полиостью устранить взаимное проникновение смазочного материала и внешней среды.
От указанных недостатков свободны подшипники, в которых для создания опорных реакций используются магнитные и электрические поля. Среди них наибольший практический интерес представляют активные магнитные подшипники (АМП). Работа АМН основана нл известном принципе активного магнитного подвеса ферромагнитного тела: стабилизация тела заданном положении осушссталястся силами магнитного притяжения, действующими на тело со стороны управляемых электромагнитов. Токи в обмотках электромагнитов формируются при помощи системы автоматического управления, состоящей из датчиков перемещений тела, электронного регулятора и усилителей мощности, питающихся от внешнего источника электрической энергии.
Первые примеры практического использования активных магнитных подвесов в измерительных приборах относятся к 40-м годам XX столетия. Они связаны с именами Д. Бимса и Д. Хри-зингера (США) и О. Г. Кацнельсона и А. С. Эдельштейна (СССР). Первый активный магнитный подшипник был предложен и экспериментально исследован в 1960 году Р. Сикссмитом (США). Широкое практическое применение АМН в нашей стране и за рубежом началось в начале 70-х годов XX столетня.
Отсутствие в АМП механического контакта и необходимости смазки делает их весьма перспективными во многих областях техники. Это, прежде всего: турбины и насосы в вакуумной и криогенной технике; машины для сверхчистых технологий и для работы в агрессивных средах; машины и приборы для ядерных и космических установок; гороскопы; инерционные накопители энергии; а также изделия для общего машиностроения и приборостроения - шлифовальные и фрезерные высокоскоростные шпиндели, текстильные машины. центрифуги, турбины, балансировочные станки, вибростенды, роботы, точные измерительные приборы и т. д.
Однако, несмотря на имеющиеся успехи, AMJI внедряются на практике значительно медленнее, чем это ожидалось из прогнозов, сделанных в начале 1970-х годов. Прежде всего, это объясняется замедленным восприятием промышленностью новшеств, в том числе и АМП. Как и любое новшество, чтобы быть востребованным, АМП нуждаются в популяризации.
К сожалению, на момент написания этих строк активным магнитным подшипникам посвящена лишь одна книга : G.Schweitzer. Н. Bleulerand A. Traxler «Active magnetic bearings», ETH Zurich, 1994, 244 p., изданная на английском и немецком языках. Небольшая по объему, эта книга ориентирована н первую очередь на читателя, делающего первые шаги в понимании тех проблем, которые возникают при создании АМП. Предъявляя весьма скромные требования к инженерной и математической подготовке читателя, авторы выстраивают основные идеи и понятия в такой продуманной последовательности, которая позволяет начинающему легко войти в курс дела и концептуально овладеть новой для себя областью. Несомненно, указанная книга является заметным явлением, а ее популяризаторскую роль трудно переоценить.
Читатель может спросить, стоило ли писать настоящую монографию, а не ограничиться переводом ни русский ялык цитированной выше книги . Во-первых, начиная с 1992 года меня приглашали прочитать лекции по АМН в университетах России. Финляндии и Швеции. Из этих лекций выросла книга. Во-вторых, многие мои коллеги высказывали желание получить книгу об ЛМП, написанную для разработчиков машин с АМП. В-третьих, я также сознавал, что многие инженеры, которые вовсе не специализируются в области АМП, нуждаются в книге, исследующей такой объект управления, как электромагнит.
Цель этой книги состоит в том, чтобы вооружить инженеров методами математического моделирования, синтеза и анализа АМП и способствовать тем самым возбуждению интереса к этой новой области техники. Не сомневаюсь, что книга будет также полезна для студентов многих технических специальностей, особенно при курсовом и дипломном проектировании. При написании книги я опирался на 20-летний опыт работы в области АМП в качестве научного руководителя научно-исследовательской лаборатории магнитных опор при Псковском политехническом институте Санкт-Петербургского государственного технического университета.
Книга содержит 10 глав. В главе 1 дается краткое описание всех возможных видов электромагнитных подвесов, цель которого - расширить кругозор читателя. Глава 2, нацеленная на пользователей АМП, вводит читателя в технику активных магнитных подшипников - это история развития, конструкции, характеристики, проблемы освоения и несколько примеров практических приложений. В главах 3 и 4 приводится методика расчета магнитных цепей подшипников. Электромагнит как объект управления изучается в главе 5. В главе 6 решаются задачи синтеза регулятора и анализа динамики одностепенного магнитного подвеса. Это глава о том, как следует управлять подвесом и что может помешать получить требуемые динамические качества. Центральное место занимает глава 7, в которой рассматриваются задачи управления подвесом жесткого ротора, имеющего пять степенен свободы, исследуется взаимодействие подвеса и приводного электродвигателя, а также затронут вопрос создания бесподшнпннковых электрических машин. Влияние упругих изгибных деформаций ротора на динамику подвеса рассматривается в главе 8. Глава 9 посвящена цифровому управлению подвесом. В заключительной главе 10 рассматривается ряд динамических аспектов, связанных с реализацией подвесов роторов в АМП.
Что касается списка литературы в конце книги, то я не пытался включить в него все исторически заметные статьи по АМП и прошу прошения у тех исследователей, чьи вклады в эту область не упомянуты.
Поскольку круг вопросов весьма широк, оказалось невозможным сохранить одну систему условных обозначений по всей книге. Однако в каждой главе использована постоянная система обозначений.
Я благодарен своим учителям профессорам Давиду Рахмилье-вичу Меркнну и Анатолию Сауловнчу Кельзону - они во многом способствовали появлению этой книги. Я хотел бы поблагодарить моих коллег по лаборатории магнитных опор и университету, в особенности Федора Георгиевича Кочевина, Михаила Вадимовича Афанасьева. Валентина Васильевича Андреена, Сергея Владимировича Смирнова, Сергея Геннадьевича Стебихова и Игоря Ивановича Морозова, чьими усилиями созданы многие машины с АМП. Мне были также полезны беседы и совместная работа с профессором Камилом Шамсудднновичем Ходжаеным и доцентами Владимиром Александровичем Андреевым, Валерием Георгиевичем Боговым и Вячеславом Григорьевичем Мацевичем. Я хотел бы также отметить вклад дипломников и аспирантов, которые с большим энтузиазмом работали со мной в области АМП, - это Григорий Михайлович Крайзман, Николай Вадимович Хмылко, Аркадий Григорьевич Хростицкий, Николай Михаилович Ильин, Александр Михайлович Ветлнцын и Павел Васильевич Киселев. Особого упоминания заслуживает техническая помощь по подготовке рукописи к изданию Елены Владимировны Журавлевой и Андрея Семеновича Леонтьева.
За помощь в финансировании издания книги хочу поблагодарить Псковскую инженерную компанию и Псковский политехнический институт.

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.