بخشی از مقاله
ظهور یاتاقان های مغناطیسی
کنترل کننده های قوی تر و نرم افزارهای بهتر، منجر به کاربرد گسترده تر یاتاقان های مغناطیسی خواهند شد.
یاتاقان های مغناطیسی که شافت را به جای تماس مکانیکی با نیروی مغناطیسی به حالت تعلیق در می آورند، چند دهه است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. یاتاقان های مغناطیسی مزایای فراوانی، از جمله توانایی کار در سرعت های بالا و قابلیت عملکرد بدون روغن کاری در محیط خلا را به استفاده کنندگان عرضه می کنند. این یاتاقان ها بدون اصطکاک کار می کنند،
فرسایش کمی دارند، در حین دوران ارتعاشات بسیار کمتری نسبت به بقیه ی یاتاقان ها ایجاد می کنند، می توانند مکان شافت را به دقت کنترل کنند، نیروهای خارجی وارد بر شافت را اندازه بگیرند و حتی شرایط کاری ماشین را تصویر کنند.
امروزه رشد تکنولوژی، به ویژه در کنترل و پردازش دیجیتال، یاتاقان های مغناطیسی را به سوی طراحی نیرومند تر و به صرفه تر نسبت به گذشته هدایت کرده است. یاتاقان های امروزی برای محدوده ی گسترده ای از کاربردها، از تجهیزات نیمه هادی گرفته تا میکروتوربین ها و کمپرسورهای سردسازی و پمپ های خلا، مناسب هستند.
اساس کار یاتاقان های مغناطیسی:
در سیستم یاتاقان مغناطیسی، محورها به وسیله نیروی الکترو مغناطیسی حاصل از اعمال جریان الکتریکی به مواد فرومغناطیس یاتاقان ها، به صورت معلق نگه داشته می شوند. این سیستم شامل سه بخش اصلی است:
محرک های یاتاقان، سنسورهای موقعیت، کنترل کننده و الگوریتم کنترل.
دستگاه های معمولی شامل دو یاتاقان شعاعی مغناطیسی و یک یاتاقان مغناطیسی کف گرد می باشند. این یاتاقان ها، شافت را در راستای پنج محور کنترل می کنند، دو محور مربوط به هر یاتاقان شعاعی است و محور پنجم در طول شافت قرار دارد. یاتاقان های مغناطیسی دارای اجزای ثابت و متحرک هستند که به ترتیب استاتور و روتور نامیده می شوند. استاتور یاتاقان های مغناطیسی شعاعی، به استاتور موتور های الکتریکی شباهت دارد.
استاتور یاتاقان های شعاعی لایه لایه است، به این صورت که قطب های مغناطیسی آن از لایه های نازک فلزی تشکیل شده است که بر روی هم قرار می گیرند و حلقه های سیم به دور قطب ها پیچیده می شوند.
جریان الکتریکی کنترل شده که از سیم پیچ ها می گذرد، یک نیروی جاذب روی روتور فرو مغناطیس ایجاد می کند و روتور را در فاصله هوایی به صورت معلق نگه می دارد. فاصله هوایی معمولا حدود 0.5 میلیمتر در نظر گرفته می شود و در برخی کاربردهای خاص می تواند به بزرگی 2 میلیمتر هم طراحی شود. روتور روی شافتی قرار می گیرد که در فاصله هوایی است
و لزومی ندارد که در مرکز قرار گیرد. این خاصیت از لحاظ کاربردی مفید است. زیرا می توان فرسودگی شافت و هم چنین لرزش های آن را جبران کرد، مانند ماشین های سنگ زنی که در طول کارکرد فرسوده می شوند. یک یاتاقان مغناطیسی کف گرد حرکت محوری را کنترل می کند.
روتور یاتاقان کف گرد، یک دیسک توپر آهنی است که به شافت متصل شده و در یک فاصله مشخص از استاتور، در یک طرف یا هر دو طرف شافت، قرار می گیرد. در حین کار، نیروهای الکترومغناطیسی تولید شده به وسیله استاتور، روی روتور عمل کرده و حرکت محوری را کنترل می کنند. یاتاقان های مغناطیسی،
هم چنین شامل یاتاقان های کمکی هستند. کار اصلی این یاتاقان ها نگه داشتن شافت هنگام خاموش بودن دستگاه است. این یاتاقان ها اجزای دستگاه را در هنگام قطع برق یا خرابی محافظت می کنند. رینگ داخل یاتاقان های کمکی، از فاصله هوایی یاتاقان های مغناطیسی کوچکتر است تا از آسیب دیدگی شافت در هنگام ارتعاش جلوگیری کند.
سیستم های کنترل:
سیستم کنترلی، جریان یاتاقان ها را تنظیم می کند و در نتیجه نیروی یاتاقان ها را سامان می بخشد. حین فعالیت، سنسورهای تعیین موقعیت طولی و شعاعی، داده های حرکت و مکان شافت را به کنترل کننده می فرستند.
این کنترل کننده موقعیت مطلوب و واقعی شافت را مقایسه کرده و نیروی لازم را برای نگه داشتن شافت در موقعیت فعلی را محاسبه می کند و در صورت نیاز به تقویت کننده، دستور تنظیم جریان، جهت کاهش یا افزایش شار مغناطیسی را می دهد.
بخش های اصلی سیستم کنترل، DSP (پردازش سیگنال های دیجیتال)، منبع تغذیه و تقویت کننده ها هستند. به طور کلی هر چه دستگاه بزرگ تر باشد، تقویت کننده های بزرگ تر باشد، تقویت کننده های بزرگ تری نیاز دارد.
اندازه ی کنترل کننده نیز به دینامیک بار مورد نیاز بستگی دارد که عموما در دستگاه های سنگین تر، بزرگ تر است.
شافت می تواند از طریق الگوریتم های تک ورودی- تک خروجی(SISO) و یا چند ورودی- چند خروجی(MIMO) ، برای سرعت های بالا و کاربرد های مورد نیاز، کنترل شود. کنترل کننده توسط سیگنال هایی با فرکانس 10 کیلو هرتز، موقعیت دقیق شافت را اندازه گرفته و تحلیل می کند و سپس دستور مناسب را صادر می نماید. به این ترتیب قابلیت کنترل دقیق یاتاقان هایی با حداکثر سرعت 100000 دور در دقیقه فراهم می شود.
یک مزیت قابل توجه تکنولوژی یاتاقان های مغناطیسی این است که کنترل کننده، خود عمل نمایش شرایط کاری دستگاه را انجام می دهد. نرم افزارهایی مانندMBS ، اطلاعات جزئی بسیاری را در مورد سلامت دستگاه مهیا کرده و برنامه ی نگهداری و مراقبت را بهینه می کنند.
این نرم افزار، ابزارهایی دارد که می تواندپارامترهای ورودی را همساز کرده و تفاوت آن ها را قبل از شروع کار دستگاه بررسی کند.ابزارهای تصویری آن، نمایش دهنده موقعیت جریان ها و نیروها به صورت لحظه ای و یک سیستم هشدار که کلیه متغیر های سیستم را قبل و بعد از یک اتفاق غیر عادی در کنترل می گیرد، هستند. این ابزارها مشاهده ی اطلاعات سیستم در شکل های مختلف جهت همسازی ورودی ها و مشخصات دستگاه را امکان پذیر می سازد.
سیستم ابزار تطابق پذیر AVC یک ابزار مهم دیگر است. AVC نیروهای لازم برای از بین بردن ارتعاشات را از دو راه حساب می کند. یک راه این است که به شافت اجازه می دهد که حول محور هندسی اش بگردد. از این رو به طور دقیق جابجایی شافت را کنترل می کند و انحراف ناشی از نامیزان بودن شافت را از بین می برد. این کاربرد در دقت های بالا مانند
ماشین های افزار مفید است. راه دیگر این است که شافت را حول محور گذرنده از مرکز جرم می گرداند تا ارتعاشات منتقل شده به بدنه یا محفظه را تا 0.01 میلی متر کاهش دهد. این طرح در پمپ های توربومولکولی و تجهیزات نیمه هادی بسیار ارزشمند است.
AVC می تواند ضریب اطمینان دستگاه را بالا ببرد و فاصله زمانی سرویس کردن دستگاه را کاهش دهد. این ساختار تطبیقی، ارتعاشات را کاهش می دهد. حتی زمانی که موتور در طول زمان کهنه و کثیف می شود با از بین بردن پردازش اغتشاشات می تواند محدوده عملکرد دستگاه را گسترش بخشد.
ملاحظات طراحی:
هدف نهایی از طراحی یاتاقان های مغناطیسی، چرخش بدون تماس و مطمئن، در کل محدوده سرعت دستگاه است. کاهش اندازه سیستم های کنترل دیجیتال، یعنی راه حل با صرفه تر، و طراحی یاتاقان های مغناطیسی فشرده به معنی تولید دستگاه های کوچکتر و قوی تر است.
سرعت، بار و محیط کاری سه عامل اصلی در توسعه ی سیستم یاتاقان های مغناطیسی هستند. استحکام مکانیکی شافت غالبا عامل محدود کننده سرعت است.
ظرفیت استاتیکی (نیروی بیشینه ای که یاتاقان های مغناطیسی برای نگه داشتن شافت تولید می کنند) تابعی از متغیر هایی مثل جریان تقویت کننده، مساحت قطب های مغناطیسی، تعداد حلقه های سیم پیچ و ابعاد فاصله هوایی است. یک قاعده سر انگشتی خوب این است که این مقدار را برابر 75 نیوتن بگیریم.
ظرفیت دینامیکی(محدوده ای که نیروی اعمالی یاتاقان های مغناطیسی تغییر می کند) فقط با یک متغیر یعنی ولتاژ تقویت کننده مشخص می شود.
به عنوان مثال یاتاقان مغناطیسی 150 نیوتنی به سیستمی با ولتاژ 40 ولت و جریان 2 آمپر متصل است. رفتن به محدوده 200 نیوتنی با افزایش تعداد حلقه های سیم پیچ ها و مساحت قطب های مغناطیسی، به معنی افزایش ظرفیت استاتیکی است. اگر کنترل کننده ثابت بماند، در هر حال تاثیری روی بار ظرفیت دینامیکی نخواهد داشت (فقط ظرفیت استاتیکی تغییر می کند)
و توانایی کنترل نامیزانی ها و سایر نیروهای دینامیکی ثابت می ماند. برعکس، تعویض یاتاقان مغناطیسی 150 نیوتنی مورد نظر با یک یاتاقان 150 نیوتنی دیگر با سیستم کنترلی 50 ولتی 3 آمپری، ظرفیت دینامیکی سیستم را افزایش می دهد، اما تاثیری روی ظرفیت استاتیکی ندارد.
کاربردهای مختلف:
طراحی منحصر به فرد و قابلیت های گسترده ی بلبرینگ های مغناطیسی، موجب کاربردهای مختلف آن ها، به عنوان مثال، در ساختن لایه های فابریک نیمه هادی ها و به ویژه در ساختن لایه های نازک سیلیکون، می شود. بلبرینگ های مغناطیسی در این گونه کاربردها که به ارتعاش و لرزش بسیار حساسند، می توانند موجب افزایش پایداری شوند.
از آن جا که بلبرینگ های مغناطیسی فاصله هوایی دارند، برای کارهای خاص بیولوژیکی استفاده می شوند. سلول های خونی یا سایر مایعات می توانند از این فاصله هوایی، بدون هیچ گونه خسارتی عبور کنند.
کمپرسورهای سرد سازی، نمونه دیگری از کاربردهای مهم بلبرینگ های مغناطیسی هستند. بلبرینگ های مغناطیسی می توانند در سرعت های بالا که مورد نیاز مبرد های جدید است، کار کنند و بر خلاف بلبرینگ های معمولی که با روغن خنک می شوند، هیچ تاثیری از جهت ایجاد آلودگی روی مبرد ندارند. بلبرینگ های مغناطیسی هم چنین می توانند به طور دقیق عایق بندی شوند و لذا برای فرآیندهایی که با سیالات مخرب سر و کار دارند، قابل توجه هستند.
