Magnetická ložiska SKF – od inovace k osvědčeným řešením
 | |
| Magnetická ložiska SKF – od inovace k osvědčeným řešením Tim Harris, Výrazné zvýšení výkonu magnetických ložisek umožnil progresivní řídicí algoritmus programového vybavení – softwaru. Tento vývoj vytváří nové příležitosti pro odolné, hospodárné a energicky úsporné konstrukce s těmito univerzálními ložisky. Myšlenka využít magnetické pole k podepření předmětu se poprvé objevila již v polovině devatenáctého století. V uplynulých dvou desetiletích umožnil technický pokrok ekonomickou realizaci mnoha uložení s magnetickými ložisky. V současné době jsou vyvíjeny velmi pokrokové softwarové algoritmy, které napomáhají dosáhnout dříve naprosto nemyslitelných výkonů. Společnost Revolve Magnetic Bearings Inc., která bezesporu patří k předním výrobcům magnetických ložisek, se stala v roce 2000 přidruženou společností ve stoprocentním vlastnictví firmy SKF AB. SKF Revolve nepřetržitě vyvíjí a vyrábí systémy aktivních magnetických ložisek s elektromagnety, které regulují pohyb hřídele prostřednictvím proměnného magnetického pole. V současné době společnost dodává systémy s magnetickými ložisky do nejrůznějších průmyslových odvětví a zabývá se vývojem mnoha novátorských uložení s magnetickými ložisky. Díly ložisek Systémy magnetických ložisek se skládají ze tří hlavních částí:
Obr. 1. Radiální magnetické ložisko Radiální magnetické ložisko se podobá elektromotoru, avšak místo točivého momentu vytváří přitažlivou sílu, která zvedá hřídel. Typický radiální stator se skládá ze čtyř oddělených ovládacích jednotek. Každá jednotka je tvořena dvěma póly, na nichž je navinuta cívka (obr. 1). Při průchodu elektrického proudu cívkou vzniká přitažlivá síla, která působí na feromagnetický rotor (složený buď z plechů, nebo jednoho kusu). Vzduchová mezera mezi statorem a rotorem je zpravidla 0,5 až 2 mm. Axiální magnetické ložisko má masivní ocelový kotouč připojen k hřídeli a po obou stranách umístěn prstencový stator. Stator může mít jedno nebo dvě vinutí, která vytvářejí magnetický tok. Axiální stator (složený buď z plechů, nebo jednoho kusu) rozšiřuje šířku pásma odezvy síly (obr. 2). Ve strojích, v nichž působí nepříliš velké axiální zatížení, lze radiální ložiska nahradit kuželovými ložisky, která mohou vykonávat pohyb v radiálním i axiálním směru. Takové řešení nahrazuje axiální ložisko a přispívá ke zmenšení celkové délky stroje. Aktivní magnetická ložiska využívají přitažlivé síly. Snímače polohy hřídele zajišťují zpětnou odezvu pro řídicí systém. Převážně se používají indukční snímače umístěné na pěti osách (čtyřech radiálních a jedné axiální). Snímače vysílají lineární výstupní signál a mohou pracovat v širokém rozsahu provozních teplot.  Obr. 2. Axiální magnetické ložisko Proudy v magnetickém ložisku jsou regulovány a sledovány řídicí jednotkou, která využívá řídicí algoritmus pro změnu sil v ložisku, a tedy pro ovládání polohy hřídele. Řídicí jednotka se skládá z těchto tří částí:
DSP představuje „mozek„ magnetického ložiskového systému. Progresivní řídicí algoritmus zjišťuje polohu a reguluje proud přicházející do ovládacích jednotek 10 000krát za sekundu. Specifické parametry nastavení stroje lze upravit a uložit do souboru v počítači pomocí softwaru SKF MBScope. Tento program rovněž umožňuje uživateli sledovat funkci ložiska a hřídele podle zadaných parametrů, jako např. vibrací, vyvážení, otáček atd. Napájecí zdroj převádí přiváděný střídavý proud na stejnosměrný, který je nutný pro ložiskové zesilovače. Čím je zesilovač větší, tím výkonnější musí být napájecí zdroj. Zesilovač reguluje proud přiváděný do ložisek podle nastavených hodnot v elektronice DSP. Zesilovače jsou dimenzovány podle požadavků konkrétního stroje. V zásadě však platí přímá úměra, tj. čím je stroj větší, tím jsou větší i zesilovače. SKF Revolve nabízí široký sortiment řídicích jednotek a elektroniky DSP v závislosti na výstupním proudu a požadovaném napětí. Vlastnosti ložiska Magnetická ložiska není třeba mazat. Proto jsou obzvláště vhodná pro stroje, které pracují ve vzduchoprázdnu, při vysokých nebo nízkých (kryogenních) teplotách nebo v agresivních kapalinách. V zásadě lze magnetická ložiska využít v jakémkoliv stroji, v němž nesmí dojít ke kontaminaci mazivy nebo částicemi otěru, resp. není-li používání maziv slučitelné s výrobním procesem. Takové požadavky jsou charakteristické např. pro linky na výrobu polovodičů, v potravinářském nebo nápojovém průmyslu. Provoz bez maziv však také znamená úsporu nejen provozních (maziva a údržba), ale i pořizovacích nákladů, neboť odpadá nákup nezbytných pomocných zařízení, která souvisejí s provozem mazacího systému (např. čerpadla a filtry). Nízké rotační ztráty hřídele jsou další charakteristickou vlastností magnetických ložisek. Je tedy možné zvolit motor s nižším výkonem a dosáhnout vyšší účinnosti. Nízké ztráty napovídají, že provozní teploty jsou zpravidla nižší než u ložisek jiných typů (např. valivých či hydrodynamických), a jsou tedy kladeny nižší nároky na chlazení celého zařízení. Magnetická ložiska pracují s řízením vzduchové mezery. Některé způsoby použití přímo využívají vzduchovou mezeru – např. procesy, které vyžadují průtok procesní kapaliny nebo materiálu. Využití k biologickým a farmaceutickým účelům, včetně zpracování živých buněk, představují jen dva případy možných aplikací. Magnetická ložiska je možné hermeticky utěsnit, díky čemuž budou vhodná pro použití v technologických procesech založených na agresivních kapalinách, které by jinak mohly poškodit vinutí nebo vrstvení. Ložiska lze rovněž ponořit do procesních kapalin pod tlakem, aniž by bylo nutné je utěsňovat – jsou tedy aplikovatelná v hygienicky citlivých procesech (např. v potravinářském průmyslu). Na rozdíl od valivých nebo hydrodynamických ložisek dosahují magnetická ložiska mnohem vyšších obvodových rychlostí, a to až 250 m/s. To odpovídá otáčkovému číslu 4,5 milionů n × d (kde n jsou otáčky za minutu a d průměr v mm). Díky takovýmto rychlostem je možné realizovat mnoho nových aplikací, jako např. vysokorychlostní vřetena obráběcích strojů či vodíkový cirkulátor, který vyvinula a vyrobila společnost SKF Revolve pro americké laboratoře US National Laboratories. Progresivní software Programové vybavení MBScope společnosti SKF Revolve nabízí některé jedinečné možnosti:
Ekonomické řešení Optimální využití předností uložení s magnetickými ložisky ve velkých turbosoustrojích je založeno na ekonomickém posouzení nákladů na životní cyklus (technickou životnost) zařízení, tj. na údržbu, energii, související součásti umístěné mimo vlastní systém, náhradní díly aj. Použití systému magnetických ložisek umožňuje provoz bez olejového mazání, chladicího systému, převodovky (vysokootáčkový motor s plynulou regulací otáček je spojen přímo s kompresorem) i bez zařízení pro bezdemontážní diagnostiku při současné úspoře zastavěné plochy. Není tedy nutné počítat s náhradními díly pro zařízení umístěná mimo vlastní systém, což navíc zvyšuje provozní spolehlivost zařízení. V porovnání se systémy, které používají olejové mazání ložisek, jsou nároky na pravidelnou údržbu výrazně nižší, protože není nutný spotřební materiál ani rychle opotřebitelné díly. Absence pomocných zařízení snižuje rovněž počet možných zdrojů poruch. Systém magnetických ložisek spotřebovává zlomek energie v porovnání s hydrodynamickým ložiskem, neboť při otáčení nedochází ke styku, a tím ani ke ztrátám třením. Díky tomu lze dosáhnout výrazného snížení nákladů na energii (u turbosoustrojí, např. u kompresoru zemního plynu s výkonem vyšším než 1 MW až 90 000 eur ročně). Faktory ovlivňující velikost a únosnost ložiska:
Vlastnosti magnetického ložiska:
Shrnutí SKF Revolve se snaží přiblížit ideálu světa bez tření, světa neomezených rychlostí, nezjistitelných vibrací a nepřekonatelné energetické účinnosti a naznačuje možnosti využití magnetických ložisek při aplikačních řešeních v průmyslové praxi. Vývoj progresivních softwarových řídicích systémů a charakteristické vlastnosti magnetických ložisek značně rozšiřují jejich oblasti využití v mnoha průmyslových odvětvích. Schopnost ovládat pohyb hřídele prostřednictvím elektromagnetického pole umožňuje u magnetických ložisek provoz bez mazání, s nízkým opotřebením, a dokonce i v podmínkách, které nedovolují použít jiné typy ložisek. Podle předpovědi společnosti SKF Resolve, která vyrábí a dodává magnetická ložiska, lze očekávat rozšíření tržního segmentu nových aplikačních řešení. SKF Ložiska, a. s. | |
