磁気ベアリング: 種類、仕組み、および主な用途

アクティブな磁気ベアリングへの電力が失われると、ローターは補助 (タッチダウン) ベアリングの上に落ちます。磁気軸受のギャップに対して小さなクリアランスを持つ転がり軸受です。これらは、全速力でローターを安全にサポートし、電磁石の極に接触することなくローターがスピンダウンできるように設計されています。落下イベントが制御され、マシンはタッチダウン ベアリング上で停止します。すべての AMB システムにはタッチダウン ベアリングを含める必要があり、すべての設置には無停電電源装置 (UPS) を含める必要があります。これにより、即時の降下ではなく、秩序正しく制御されたランダウン シーケンスに電力を供給できます。これにより、タッチダウン ベアリングの摩耗が最小限に抑えられます。

一般的には、いいえ。磁気軸受は、転動体軸受や流体膜軸受よりも軸受直径単位あたりの負荷容量が低くなります。内径 100 mm の転動体ベアリングは、数百 kN の静荷重を支えることができます。同様の外径の磁気ベアリングは、電磁石の設計と許容消費電力に応じて、おそらく 10 ～ 30 kN をサポートします。これが、磁気軸受が中程度の速度で高いラジアル荷重を必要とする用途でほとんど使用されない理由です。磁気軸受の利点は、生の負荷容量ではなく、高速性、精度、汚染の影響を受けにくいこと、またはメンテナンスフリーの動作にあります。磁気軸受システムのローターは、最初からこの荷重制限を念頭に置いて設計する必要があります。

磁気ベアリングのステータとロータのコンポーネント (積層体、コイル、ハウジング) は摩耗部品ではなく、通常の動作ではそれらの間に接触がないため、定義された疲労寿命がありません。摩耗を制限するコンポーネントはタッチダウン ベアリングで、通常は 3 ～ 5 年ごと、または指定された回数のローター落下イベント後に予防スケジュールで交換されます。電子機器 (パワーアンプ、コントローラーボード) の耐用年数は 10 ～ 15 年で、必要に応じてコンポーネントレベルの修理またはボードの交換が必要です。パイプラインおよびプロセス コンプレッサーの設置からの現場レポートによると、磁気ベアリング機械は、タッチダウン ベアリングと電子機器のメンテナンスのみで、元のベアリング ハードウェアが稼働状態で 20 年以上稼働し続けています。

はい、磁気軸受システムは ATEX/IECEx に分類された危険区域で使用することができ、使用されています。ベアリング ハウジング内の電磁石とセンサーはプロセス ガスと接触しているため、これらのコンポーネントは可燃性ガス環境で使用するように設計および評価できます。制御キャビネットとパワーアンプは通常、危険区域の外の安全な部屋に設置され、シールドされたケーブルでベアリングに接続されています。アクティブな電子機器を危険領域から分離することは、天然ガス圧縮設備では標準的な方法です。ユーザーは、特定の製品構成がゾーンおよびガス グループに対して適切な危険区域評価を備えていることを確認する必要があります。

どちらも制御された磁力を使用して物体を非接触で浮上させますが、用途と規模は異なります。リニアモーターカー輸送システムは、鉄道車両全体を浮上させて軌道に沿って推進させるため、大規模な線形電磁インフラが必要です。磁気ベアリングは、コンプレッサー、タービン、スピンドル、フライホイールなどの機械の回転シャフトをサポートしており、それ自体が輸送システムではなく、より大型の機械内のコンポーネントです。基礎となる物理学と制御原理は密接に関連しています。実際、アクティブ磁気軸受の研究は、上海トランスラピッド線や日本のSCリニアモーターカーなど、現代の商用リニアモーターカー鉄道システムで使用される制御方法に直接貢献しました。機能レベルでは、磁気ベアリングは本質的に、機械ハウジング内の回転軸に適用されるリニアモーターカーシステムです。

後付けは技術的には可能ですが、多大なエンジニアリング作業が必要です。適切な材料と形状を備えたベアリング ランディング ジャーナルを追加するには、ローターを変更または交換する必要があり、電磁石ステーター、センサー、および補助ベアリングを収容するためにベアリング ハウジングを再設計する必要があります。ローターのダイナミクスは新しいベアリングの剛性と減衰特性によって変化するため、ローターの完全なダイナミクス解析と臨界速度の再評価が必要です。場合によっては、既存のローター設計が磁気ベアリングの改造に適合する場合があります。新しいローターが必要な場合もあります。 Waukesha Bearings や SKF Magnetic Mechatronics を含むいくつかの企業が、遠心圧縮機の改修プロジェクトを実施しており、公開された事例研究は、Turbomachinery and Pump Symposia の議事録 (テキサス A&M 大学) から入手できます。

温度は、磁気軸受システムのいくつかのコンポーネントにさまざまな形で影響を与えます。永久磁石の残留磁束密度は温度の上昇とともに減少します。これは希土類永久磁石を使用するハイブリッド ベアリングの主な設計制約であり、150°C を超える温度では力の容量が大幅に失われる可能性があります。電磁石コイルの巻線絶縁体により、ベアリング ステーターの温度の上限が設定されます。高温クラス H またはクラス N 絶縁では、これがそれぞれ 180°C または 200°C まで拡張されます。強磁性積層材料はキュリー温度 (鉄の場合約 770°C) に近づくと透磁率を失い、非常に高い温度での支持力が低下します。ローエンドでは、液体窒素または液体ヘリウム温度での極低温動作が可能です。空気分離プラントや LNG 施設のターボエキスパンダーは、極低温のプロセスガス温度で磁気軸受を使用して動作します。

設置ベースの量から見ると、石油およびガス/天然ガス圧縮部門は、大型ターボ機械におけるアクティブ磁気ベアリングの最大の産業ユーザーです。台数ベースで最も多いのは半導体製造用の真空装置です。建築用 HVAC は、主要ブランドによる磁気ベアリング冷却装置の採用により成長している分野です。医療機器、特に植込み型心臓補助装置は小規模ながら価値の高い市場であり、この技術は高度な心不全サポートのための臨床標準治療となっています。フライホイールを介したエネルギー貯蔵は、系統周波数調整における導入が増加している新興分野です。