Tutti sanno che i magneti tendono ad attrarre i metalli. Inoltre, un magnete può attrarne un altro. Ma l'interazione tra loro non si limita all'attrazione; possono respingersi a vicenda. Il punto sono i poli di un magnete: a differenza dei poli che si attraggono, i poli si respingono. Questa proprietà è la base di tutti i motori elettrici e di quelli piuttosto potenti.

Esiste anche la levitazione sotto l'influenza di un campo magnetico, quando un oggetto posto sopra un magnete (avente un polo simile ad esso) si libra nello spazio. Questo effetto è stato messo in pratica nel cosiddetto cuscinetto magnetico.

Cos'è un cuscinetto magnetico

Un dispositivo di tipo elettromagnetico in cui un albero rotante (rotore) è supportato in una parte stazionaria (statore) dalle forze del flusso magnetico è chiamato cuscinetto magnetico. Quando un meccanismo è in funzione, è influenzato da forze fisiche che tendono a spostare l'asse. Per superarli, il cuscinetto magnetico è stato dotato di un sistema di controllo che monitora il carico e invia un segnale per controllare la forza del flusso magnetico. I magneti, a loro volta, esercitano una forza più o meno forte sul rotore, mantenendolo in posizione centrale.

Cuscinetto magnetico ha trovato ampia applicazione nell'industria. Si tratta principalmente di potenti turbomacchine. A causa dell'assenza di attrito e, di conseguenza, della necessità di utilizzare lubrificanti, l'affidabilità delle macchine aumenta molte volte. Non c'è praticamente alcuna usura sui componenti. Anche la qualità delle caratteristiche dinamiche migliora e l'efficienza aumenta.

Cuscinetti magnetici attivi

Un cuscinetto magnetico, in cui viene creato un campo di forza utilizzando elettromagneti, è chiamato attivo. Gli elettromagneti di posizione si trovano nello statore del cuscinetto, il rotore è rappresentato da un albero metallico. L'intero sistema che garantisce il mantenimento dell'albero nell'unità è chiamato sospensione magnetica attiva (AMP). Ha una struttura complessa e si compone di due parti:

• blocco cuscinetto;
• sistemi di controllo elettronico.

Elementi base dell'AMP

• Cuscinetto radiale. Un dispositivo che ha elettromagneti sullo statore. Tengono il rotore. Il rotore ha speciali piastre ferromagnetiche. Quando il rotore è sospeso nel punto medio, non c'è contatto con lo statore. I sensori induttivi monitorano la minima deviazione della posizione del rotore nello spazio da quella nominale. I loro segnali controllano la forza dei magneti in un punto o nell'altro per ripristinare l'equilibrio nel sistema. Lo spazio radiale è 0,50-1,00 mm, lo spazio assiale è 0,60-1,80 mm.

• Il magnetico funziona allo stesso modo del radiale. Un disco reggispinta è fissato all'albero del rotore, su entrambi i lati del quale sono montati elettromagneti sullo statore.
• I cuscinetti di sicurezza sono progettati per trattenere il rotore quando il dispositivo è spento o in situazioni di emergenza. Durante il funzionamento non vengono utilizzati cuscinetti magnetici ausiliari. Lo spazio tra loro e l'albero del rotore è la metà di quello di un cuscinetto magnetico. Gli elementi di sicurezza sono assemblati sulla base di dispositivi a sfera o
• L'elettronica di controllo comprende sensori di posizione dell'albero del rotore, convertitori e amplificatori. L'intero sistema funziona secondo il principio della regolazione del flusso magnetico in ogni singolo modulo elettromagnete.

Cuscinetti magnetici passivi

I cuscinetti magnetici a magnete permanente sono sistemi di supporto dell'albero del rotore che non utilizzano un circuito di controllo che includa feedback. La levitazione viene eseguita solo grazie alle forze dei magneti permanenti ad alta energia.

Lo svantaggio di tale sospensione è la necessità di utilizzare un arresto meccanico, che porta alla formazione di attrito e ad una ridotta affidabilità del sistema. In questo circuito non è ancora stato implementato l'arresto magnetico in senso tecnico. Pertanto, in pratica, i cuscinetti passivi vengono utilizzati raramente. Esiste un modello brevettato, ad esempio la sospensione Nikolaev, che non è stata ancora replicata.

Nastro magnetico nel cuscinetto della ruota

Il termine "magnetico" si riferisce al sistema ASB, ampiamente utilizzato nelle auto moderne. Il cuscinetto ASB si distingue per il fatto che al suo interno è integrato un sensore di velocità della ruota. Questo sensore è un dispositivo attivo incorporato nel distanziale del cuscinetto È costruito sulla base di un anello magnetico sul quale si alternano i poli dell'elemento che rileva la variazione del flusso magnetico.

Mentre il cuscinetto ruota, si verifica un cambiamento costante nel campo magnetico creato dall'anello magnetico. Il sensore registra questo cambiamento, generando un segnale. Il segnale va quindi al microprocessore. Grazie ad esso, funzionano sistemi come ABS ed ESP. Stanno già correggendo il funzionamento dell'auto. L'ESP è responsabile della stabilizzazione elettronica, l'ABS regola la rotazione delle ruote e il livello di pressione nel sistema controlla il freno. Monitora il funzionamento del sistema di sterzo, l'accelerazione laterale e regola anche il funzionamento della trasmissione e del motore.

Il vantaggio principale del cuscinetto ASB è la capacità di controllare la velocità di rotazione anche a velocità molto basse. Allo stesso tempo, il peso e le dimensioni del mozzo sono migliorati e l'installazione dei cuscinetti è stata semplificata.

Come realizzare un cuscinetto magnetico

Non è difficile realizzare un semplice cuscinetto magnetico con le tue mani. Non è adatto per l'uso pratico, ma mostrerà chiaramente le capacità della forza magnetica. Per fare ciò avrete bisogno di quattro magneti al neodimio dello stesso diametro, due magneti di diametro leggermente più piccolo, un'asta, ad esempio un pezzo di tubo di plastica, e un tappo, ad esempio un barattolo di vetro da mezzo litro. I magneti di diametro più piccolo sono fissati alle estremità del tubo mediante colla a caldo in modo che assomigli ad una bobina. Al centro di uno di questi magneti è incollata una sfera di plastica. I poli identici devono essere rivolti verso l'esterno. Quattro magneti con gli stessi poli rivolti verso l'alto sono disposti a coppie a una distanza pari alla lunghezza del segmento del tubo. Il rotore viene posizionato sopra i magneti e sul lato dove è incollata la sfera di plastica viene sostenuto con un barattolo di plastica. Ora il cuscinetto magnetico è pronto.

In una varietà di moderni prodotti elettromeccanici e prodotti tecnici, il cuscinetto magnetico è il componente principale che determina le caratteristiche tecniche ed economiche e aumenta il periodo di funzionamento senza problemi. Rispetto ai cuscinetti tradizionali, i cuscinetti magnetici eliminano completamente la forza di attrito tra le parti fisse e quelle in movimento. La presenza di questa proprietà consente di implementare velocità maggiori nella progettazione di sistemi magnetici. I cuscinetti magnetici sono realizzati con materiali superconduttori ad alta temperatura, che influenzano razionalmente le loro proprietà. Queste proprietà includono una significativa riduzione dei costi per la progettazione di modelli di sistemi di raffreddamento e un parametro così importante come il mantenimento a lungo termine di un cuscinetto magnetico in condizioni di lavoro.

Principio di funzionamento delle sospensioni magnetiche

Il principio di funzionamento delle sospensioni magnetiche si basa sull'uso della levitazione libera, creata da campi magnetici ed elettrici. Un albero rotante che utilizza tali sospensioni, senza l'uso del contatto fisico, è letteralmente sospeso in un potente campo magnetico. Le sue velocità relative passano senza attrito e usura e si ottiene la massima affidabilità. Il componente fondamentale di una sospensione magnetica è il sistema magnetico. Il suo scopo principale è creare un campo magnetico della forma richiesta, fornendo le caratteristiche di trazione richieste nell'area di lavoro con un certo spostamento di controllo del rotore e la rigidità del cuscinetto stesso. Tali parametri dei cuscinetti magnetici dipendono direttamente dal progetto del sistema magnetico, che deve essere sviluppato e calcolato in base ad esso peso e dimensioni componente: un costoso sistema di raffreddamento criogenico. Ciò di cui è capace il campo elettromagnetico delle sospensioni magnetiche può essere visto chiaramente nel funzionamento del giocattolo per bambini Levitron. In pratica le sospensioni magnetiche ed elettriche esistono in nove tipologie, differenti per il principio di funzionamento:

• sospensioni magnetiche e idrodinamiche;
• sospensioni funzionanti a magneti permanenti;
• cuscinetti magnetici attivi;
• grucce per condizionamento;
• LC - tipi di sospensioni risonanti;
• cuscinetti a induzione;
• tipi di sospensioni diamagnetiche;
• cuscinetti superconduttori;
• sospensioni elettrostatiche.

Se testiamo tutti questi tipi di sospensioni in termini di popolarità, nelle realtà attuali i cuscinetti magnetici attivi (AMP) hanno preso la posizione di leader. In apparenza rappresentano un sistema di dispositivi meccatronici in cui lo stato stabile del rotore è raggiunto dalle forze di attrazione magnetica presenti. Queste forze agiscono sul rotore dal lato degli elettromagneti, elettricità in cui è configurato dal sistema controllo automatico sui segnali dei sensori provenienti dalla centralina elettronica. Tali centraline possono utilizzare sia un tradizionale sistema analogico che un più innovativo sistema di elaborazione del segnale digitale. I cuscinetti magnetici attivi hanno eccellenti caratteristiche dinamiche, affidabilità e alta efficienza. Le capacità uniche dei cuscinetti magnetici attivi contribuiscono alla loro diffusa adozione. Gli AMP vengono effettivamente utilizzati, ad esempio, nelle seguenti apparecchiature:
- gruppi turbogas;
- sistemi di rotori ad alta velocità;
- motori elettrici;
- turboespansori;
- dispositivi di accumulo inerziale dell'energia, ecc.
Attualmente, i cuscinetti magnetici attivi richiedono una fonte di corrente esterna e apparecchiature di controllo costose e complesse. Al momento, gli sviluppatori AMP stanno lavorando attivamente per creare un tipo passivo di cuscinetti magnetici.

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Cuscinetti magnetici attivi

Cuscinetti magnetici attivi (AMP)
(prodotto da S2M Société de Mécanique Magnétique SA, 2, rue des Champs, F-27950 St. Marcel, Francia)

Le principali aree di applicazione dei cuscinetti magnetici attivi sono le turbomacchine. Il concetto di assenza di olio nei compressori e nei turboespansori consente di raggiungere questo obiettivo massima affidabilità anche per la mancanza di usura dei componenti della macchina. I cuscinetti magnetici attivi (AMP) trovano tutto maggiore applicazione in molti settori. Per migliorare le caratteristiche dinamiche, aumentare l'affidabilità e l'efficienza, vengono utilizzati cuscinetti magnetici attivi senza contatto.

Il principio di funzionamento dei cuscinetti magnetici si basa sull'effetto della levitazione in un campo magnetico. L'albero di tali cuscinetti è letteralmente sospeso in un potente campo magnetico. Il sistema di sensori monitora costantemente la posizione dell'albero e invia segnali ai magneti di posizione dello statore, regolando la forza di attrazione su un lato o sull'altro.

1 . descrizione generale Sistemi AMP

La sospensione magnetica attiva è composta da 2 parti separate:

Cuscinetto;

Sistema di controllo elettronico

La sospensione magnetica è costituita da elettromagneti (bobine di potenza 1 e 3) che attraggono il rotore (2).

Componenti AMP

1. Cuscinetto radiale

Il rotore con cuscinetti radiali, dotato di piastre ferromagnetiche, è supportato da campi magnetici creati da elettromagneti posti sullo statore.

Il rotore è posto in uno stato sospeso al centro, senza entrare in contatto con lo statore. La posizione del rotore è controllata da sensori induttivi. Rilevano qualsiasi deviazione dalla posizione nominale e forniscono segnali che controllano la corrente negli elettromagneti per riportare il rotore nella sua posizione nominale.

4 bobine poste lungo gli assi V e W e spostato di un angolo di 45° rispetto agli assi X e Y , tenere il rotore al centro dello statore. Non c'è contatto tra il rotore e lo statore. Gioco radiale 0,5-1 mm; gioco assiale 0,6-1,8 mm.

2. Cuscinetto reggispinta

Un cuscinetto reggispinta funziona secondo lo stesso principio. Su entrambi i lati del disco reggispinta montato sull'albero si trovano elettromagneti a forma di anello permanente. Gli elettromagneti sono fissati allo statore. Il disco reggispinta viene montato sul rotore (ad esempio utilizzando il atterraggio caldo). I sensori di posizione assiale si trovano solitamente alle estremità dell'albero.

3. Ausiliario (assicurazione)

cuscinetti

I cuscinetti ausiliari vengono utilizzati per supportare il rotore mentre la macchina è ferma e in caso di guasto del sistema di controllo AMS. Durante il normale funzionamento, questi cuscinetti rimangono fermi. La distanza tra i cuscinetti ausiliari e il rotore è solitamente pari alla metà del traferro, tuttavia, se necessario, può essere ridotta. I cuscinetti ausiliari sono principalmente cuscinetti a sfere solidi lubrificati, ma possono essere utilizzati anche altri tipi di cuscinetti come i cuscinetti a strisciamento.

4. Sistema di controllo elettronico

Un sistema di controllo elettronico controlla la posizione del rotore modulando la corrente che passa attraverso gli elettromagneti a seconda dei valori del segnale dei sensori di posizione.

5. Sistema di trattamento elettronico segnali

Il segnale inviato dal sensore di posizione viene confrontato con un segnale di riferimento, che corrisponde alla posizione nominale del rotore. Se il segnale di riferimento è zero, la posizione nominale corrisponde al centro dello statore. Quando si modifica il segnale di riferimento, è possibile spostare la posizione nominale della metà del traferro. Il segnale di deviazione è proporzionale alla differenza tra la posizione nominale e la posizione attuale del rotore. Questo segnale viene trasmesso al processore, che a sua volta invia un segnale di correzione all'amplificatore di potenza.

Rapporto tra il segnale di uscita e il segnale di deviazionedeterminato dalla funzione di trasferimento. La funzione di trasferimento è selezionata per mantenere il rotore il più accuratamente possibile nella sua posizione nominale e per riportarlo rapidamente e senza intoppi in questa posizione in caso di disturbi. La funzione di trasferimento determina la rigidità e lo smorzamento della sospensione magnetica.

6. Amplificatore di potenza

Questo dispositivo fornisce agli elettromagneti portanti la corrente necessaria a creare un campo magnetico che agisce sul rotore. La potenza degli amplificatori dipende dalla forza massima dell'elettromagnete, dal traferro e dal tempo di risposta del sistema di controllo automatico (ovvero dalla velocità con cui questa forza deve essere modificata quando incontra un'interferenza). Le dimensioni fisiche del sistema elettronico non hanno una relazione diretta con il peso del rotore della macchina, ma sono molto probabilmente legate al rapporto dell'indicatore tra l'entità dell'interferenza e il peso del rotore; Pertanto, un piccolo guscio sarà sufficiente per un grande meccanismo dotato di un rotore relativamente pesante e soggetto a pochi disturbi. Allo stesso tempo, un meccanismo soggetto a maggiori interferenze deve essere dotato di un armadio elettrico di grandi dimensioni.

2. Alcune caratteristiche dell'AMP

Vuoto d'aria

Il traferro è lo spazio tra il rotore e lo statore. La quantità di gap indicata e, dipende dal diametro D rotore o cuscinetto.

Di norma, vengono solitamente utilizzati i seguenti valori:

D (mm)	e(mm)
< 100	0,3 - 0,6
100 - 1 000	0,6 - 1,0

Velocità di rotazione

La velocità di rotazione massima di un cuscinetto magnetico radiale dipende solo dalle caratteristiche delle piastre del rotore elettromagnetico, ovvero dalla resistenza delle piastre alla forza centrifuga. Quando si utilizzano inserti standard, è possibile raggiungere velocità periferiche fino a 200 m/s. La velocità di rotazione del cuscinetto magnetico assiale è limitata dalla resistenza del disco reggispinta in acciaio fuso. Utilizzando l'attrezzatura standard è possibile raggiungere una velocità periferica di 350 m/s.

Il carico AMP dipende dal materiale ferromagnetico utilizzato, dal diametro del rotore e dalla lunghezza longitudinale dello statore di sospensione. Il carico specifico massimo di un AMP realizzato con materiale standard è 0,9 N/cm². Questo carico massimoè inferiore rispetto ai valori corrispondenti dei cuscinetti classici, tuttavia l'elevata velocità periferica ammissibile consente di aumentare il diametro dell'albero in modo da ottenere la maggiore superficie di contatto possibile e quindi lo stesso limite di carico di un cuscinetto classico senza la necessità per aumentarne la lunghezza.

Consumo di energia

I cuscinetti magnetici attivi hanno un consumo energetico molto basso. Questo consumo di energia deriva dalle perdite dovute all'isteresi, dalle correnti parassite (correnti di Foucault) nel cuscinetto (potenza prelevata dall'albero) e dalle perdite di calore nel guscio elettronico. Gli AMP consumano 10-100 volte meno energia rispetto ai meccanismi classici di dimensioni comparabili. Molto basso è anche il consumo energetico del sistema di controllo elettronico, che richiede una fonte di alimentazione esterna. Le batterie vengono utilizzate per mantenere le condizioni operative del gimbal in caso di guasto della rete: in questo caso si accendono automaticamente.

Condizioni ambientali

Gli AMP possono essere installati direttamente nell'ambiente operativo, eliminando completamente la necessità di appositi giunti e dispositivi, nonché di barriere per l'isolamento termico. Oggi, i cuscinetti magnetici attivi operano in un'ampia varietà di condizioni: vuoto, aria, elio, idrocarburi, ossigeno, acqua di mare ed esafluoruro di uranio, nonché a temperature da - 253° Da a + 450 ° CON.

3. Vantaggi dei cuscinetti magnetici

• Senza contatto/senza liquidi
  - nessun attrito meccanico
  - niente olio
  - aumento della velocità periferica
  
• Maggiore affidabilità
  - affidabilità operativa del quadro elettrico > 52.000 ore.
  - affidabilità operativa dei cuscinetti EM > 200.000 ore.
  - Quasi completa assenza manutenzione preventiva
  
• Dimensioni ridotte delle turbomacchine
  - mancanza del sistema di lubrificazione
  - dimensioni più piccole (P = K*L*P²*N)
  -meno peso
  
• Monitoraggio
  - carico del cuscinetto
  - carico della turbomacchina
• Parametri regolabili
  - sistema di controllo attivo del cuscinetto magnetico
  - rigidità (varia a seconda della dinamica del rotore)
  - smorzamento (varia a seconda della dinamica del rotore)
  
• Funzionamento senza guarnizioni (compressore e azionamento in un unico alloggiamento)
  - cuscinetti nel gas di processo
  - ampio intervallo di temperature di esercizio
  - ottimizzazione della dinamica del rotore accorciandolo

Il vantaggio innegabile dei cuscinetti magnetici è la completa assenza di superfici di sfregamento e, di conseguenza, usura, attrito e, soprattutto, l'assenza di deviazioni da area di lavoro particelle generate durante il funzionamento dei cuscinetti convenzionali.

I cuscinetti magnetici attivi sono caratterizzati da elevata capacità di carico e resistenza meccanica. Possono essere utilizzati quando alte velocità rotazione, nonché in spazi senz'aria e a diverse temperature.

Materiali forniti dalla società “S2M”, Francia ( www.s2m.fr).

Molti consumatori di cuscinetti credono cuscinetti magnetici una sorta di "scatola nera", sebbene siano utilizzati nell'industria da molto tempo. Di solito vengono utilizzati nel trasporto o nella preparazione gas naturale, nei processi della sua liquefazione e così via. Sono spesso utilizzati dai complessi galleggianti di lavorazione del gas.

I cuscinetti magnetici funzionano mediante levitazione magnetica. Funzionano grazie alle forze generate dal campo magnetico. In questo caso le superfici non entrano in contatto tra loro, quindi non è necessaria la lubrificazione. Questo tipo di cuscinetti è in grado di funzionare anche in condizioni piuttosto difficili, ovvero a temperature criogeniche, pressioni estreme, velocità elevate e così via. Allo stesso tempo, i cuscinetti magnetici mostrano un'elevata affidabilità.

Il rotore con cuscinetti radiali, dotato di piastre ferromagnetiche, viene mantenuto nella posizione desiderata con l'aiuto di campi magnetici creati da elettromagneti posti sullo statore. Il funzionamento dei cuscinetti assiali si basa sugli stessi principi. In questo caso, di fronte agli elettromagneti sul rotore, è presente un disco montato perpendicolare all'asse di rotazione. La posizione del rotore è monitorata da sensori di induzione. Questi sensori rilevano rapidamente tutte le deviazioni dalla posizione nominale, creando così segnali che controllano le correnti nei magneti. Queste manipolazioni consentono di mantenere il rotore nella posizione desiderata.

Vantaggi dei cuscinetti magnetici innegabile: non necessitano di lubrificazione, non costituiscono pericolo ambiente, consumano poca energia e, grazie all'assenza di parti di contatto e di sfregamento, funzionano a lungo. Inoltre, i cuscinetti magnetici hanno basso livello vibrazioni. Oggi esistono modelli con un sistema di monitoraggio e controllo delle condizioni integrato. Attualmente i cuscinetti magnetici vengono utilizzati principalmente nei turbocompressori e compressori per gas naturale, idrogeno e aria, nella tecnologia criogenica, nelle unità di refrigerazione, nei turboespansori, nella tecnologia del vuoto, nei generatori elettrici, nelle apparecchiature di controllo e misurazione, nella lucidatura ad alta velocità, fresatrici e rettificatrici.

Lo svantaggio principale dei cuscinetti magnetici- dipendenza dai campi magnetici. La scomparsa del campo può portare a un guasto catastrofico del sistema, quindi vengono spesso utilizzati con cuscinetti di sicurezza. Tipicamente, vengono utilizzati come cuscinetti volventi in grado di sopportare due o un guasto dei modelli magnetici, dopodiché è necessaria la loro immediata sostituzione. Anche per cuscinetti magnetici, ingombranti e sistemi complessi controlli che complicano notevolmente il funzionamento e la riparazione del cuscinetto. Ad esempio, per controllare questi cuscinetti viene spesso installato un armadio di controllo speciale. Questo armadio è un controller che interagisce con cuscinetti magnetici. Con il suo aiuto, viene fornita una corrente agli elettromagneti, che regola la posizione del rotore, ne garantisce la rotazione senza contatto e mantiene la sua posizione stabile. Inoltre, durante il funzionamento dei cuscinetti magnetici, può sorgere il problema del riscaldamento dell'avvolgimento di questa parte, che avviene a causa del passaggio di corrente. Pertanto, a volte vengono installati sistemi di raffreddamento aggiuntivi con alcuni cuscinetti magnetici.

Uno dei maggiori produttori di cuscinetti magnetici- Società S2M, che ha partecipato allo sviluppo del progetto completo ciclo vitale cuscinetti magnetici e motori a magneti permanenti: dallo sviluppo alla messa in servizio, alla produzione e alle soluzioni pratiche. S2M è da sempre impegnata in una politica innovativa volta a semplificare la progettazione dei cuscinetti per ridurre i costi. Ha cercato di rendere i modelli magnetici più accessibili per un uso più ampio da parte del mercato di consumo industriale. Hanno collaborato con S2M aziende produttrici di vari compressori e pompe per vuoto, principalmente per l'industria del petrolio e del gas. Un tempo, la rete di servizi S2M si estendeva in tutto il mondo. I suoi uffici erano in Russia, Cina, Canada e Giappone. Nel 2007 la S2M è stata acquisita dal gruppo SKF per cinquantacinque milioni di euro. Oggi, i cuscinetti magnetici che utilizzano le loro tecnologie sono prodotti dalla divisione di produzione di A&MC Magnetic Systems.

Compatto ed economico sistemi modulari, dotati di cuscinetti magnetici, sono sempre più utilizzati nell'industria. Rispetto alle solite tecnologie tradizionali presentano numerosi vantaggi. Grazie agli innovativi sistemi miniaturizzati motore/cuscinetto, è diventata possibile l'integrazione di tali sistemi nei moderni prodotti di serie. Oggi vengono utilizzati nelle industrie ad alta tecnologia (produzione di semiconduttori). Le recenti invenzioni e sviluppi nel campo dei cuscinetti magnetici sono chiaramente finalizzati a massimizzare la semplificazione strutturale di questo prodotto. L’obiettivo è ridurre i costi dei cuscinetti, rendendoli più accessibili al mercato industriale più ampio che chiaramente necessita di tale innovazione.

PREFAZIONE

L'elemento principale di molte macchine è il rotore, che ruota su supporti portanti. L'aumento delle velocità di rotazione e delle potenze delle macchine rotative con contemporanea tendenza alla riduzione delle masse e degli ingombri pone come prioritario il problema dell'aumento della durabilità dei supporti. Inoltre, numerosi settori della tecnologia moderna richiedono cuscinetti in grado di funzionare in modo affidabile condizioni estreme: sotto vuoto, ad alte e basse temperature, tecnologie ultra pulite, in ambienti aggressivi, ecc. Anche la creazione di tali cuscinetti è un problema tecnico urgente.
La soluzione a questi problemi può essere ottenuta migliorando i tradizionali cuscinetti volventi e radenti. e la creazione di cuscinetti non tradizionali che utilizzano diversi principi fisici di funzionamento.
I tradizionali cuscinetti volventi e radenti (liquidi e gas) hanno ormai raggiunto un elevato livello tecnico. Tuttavia, la natura dei processi che si verificano in essi limita e talvolta rende sostanzialmente impossibile l'utilizzo di questi cuscinetti per raggiungere gli obiettivi sopra indicati. COSÌ, carenze significative i cuscinetti volventi sono la presenza di contatto meccanico tra parti mobili e fisse e la necessità di lubrificare le piste. Nei cuscinetti radenti non c'è contatto meccanico, ma è necessario un sistema di lubrificante allo iodio per creare uno strato lubrificante e sigillare questo strato. È ovvio che il miglioramento dei gruppi di tenuta può solo ridurre, ma non eliminare completamente, la penetrazione reciproca del lubrificante e dell'ambiente esterno.
Cuscinetti in cui creare reazioni del terreno vengono utilizzati campi magnetici ed elettrici. Tra questi, i cuscinetti magnetici attivi (AMP) sono di grande interesse pratico. Il lavoro dell'AMS si basa sul noto principio della sospensione magnetica attiva di un corpo ferromagnetico: la stabilizzazione del corpo in una determinata posizione viene effettuata dalle forze di attrazione magnetica che agiscono sul corpo da elettromagneti controllati. Le correnti negli avvolgimenti degli elettromagneti vengono generate utilizzando un sistema di controllo automatico costituito da sensori di movimento del corpo, un controller elettronico e amplificatori di potenza alimentati da una fonte esterna energia elettrica.
I primi esempi di utilizzo pratico delle sospensioni magnetiche attive negli strumenti di misura risalgono agli anni '40 del XX secolo. Sono associati ai nomi di D. Beams e D. Hriesinger (USA) e O. G. Katsnelson e A. S. Edelstein (URSS). Il primo cuscinetto magnetico attivo fu proposto e studiato sperimentalmente nel 1960 da R. Sixsmith (USA). Largo uso pratico L'AMS nel nostro Paese e all'estero nasce agli inizi degli anni '70 del XX secolo.
L'assenza di contatto meccanico e la necessità di lubrificazione negli AMP li rendono molto promettenti in molti campi della tecnologia. Si tratta innanzitutto di: turbine e pompe nella tecnologia del vuoto e criogenica; macchine per tecnologie ultra pulite e per lavorare in ambienti aggressivi; macchine e strumenti per impianti nucleari e spaziali; oroscopi; dispositivi di accumulo inerziale dell'energia; nonché prodotti per l'ingegneria meccanica generale e la costruzione di strumenti: mandrini ad alta velocità per rettifica e fresatura, macchine tessili. centrifughe, turbine, macchine equilibratrici, supporti vibranti, robot, precisione strumenti di misura eccetera.
Tuttavia, nonostante questi successi, nella pratica gli AMJI vengono attuati molto più lentamente di quanto previsto dalle previsioni formulate nei primi anni ’70. Innanzitutto, ciò si spiega con la lenta accettazione delle innovazioni da parte del settore, incluso l’AMP. Come ogni innovazione, per essere richiesta, le AMP devono essere rese popolari.
Purtroppo, al momento in cui scrivo queste righe, un solo libro è dedicato ai cuscinetti magnetici attivi: G. Schweitzer. N. Bleulerand A. Traxler «Cuscinetti magnetici attivi», ETH Zurigo, 1994, 244 p., pubblicato in inglese e Lingue tedesche. Di piccolo volume, questo libro si rivolge principalmente al lettore che sta muovendo i primi passi nella comprensione dei problemi che sorgono durante la creazione di un AMP. Facendo richieste molto modeste al background ingegneristico e matematico del lettore, gli autori organizzano le idee e i concetti principali in una sequenza così ponderata che consente a un principiante di mettersi facilmente al passo e padroneggiare concettualmente una nuova area. Indubbiamente, questo libro è un fenomeno notevole e il suo ruolo divulgativo difficilmente può essere sopravvalutato.
Il lettore potrà chiedersi se valesse la pena scrivere una vera monografia, e non limitarsi a una traduzione in lingua russa del libro sopra citato. Innanzitutto, a partire dal 1992, sono stato invitato a tenere conferenze sull'AMS nelle università russe. Finlandia e Svezia. Da queste conferenze è nato un libro. In secondo luogo, molti dei miei colleghi hanno espresso il desiderio di ricevere un libro su LMP, scritto per gli sviluppatori di macchine con AMP. In terzo luogo, mi sono anche reso conto che molti ingegneri che non sono specializzati nel campo dell'AMP hanno bisogno di un libro che esplori l'oggetto di controllo di un elettromagnete.
Lo scopo di questo libro è fornire agli ingegneri metodi per la modellazione matematica, la sintesi e l'analisi degli AMP e quindi contribuire a stimolare l'interesse in questo nuovo campo della tecnologia. Non ho dubbi che il libro sarà utile anche a molti studenti specialità tecniche, soprattutto durante i corsi e la progettazione del diploma. Nello scrivere il libro, ho fatto affidamento su 20 anni di esperienza nel campo dell'AMP come direttore scientifico del laboratorio di ricerca sui supporti magnetici presso l'Istituto Politecnico di Pskov dello Stato di San Pietroburgo Università Tecnica.
Il libro contiene 10 capitoli. Il capitolo 1 fornisce breve descrizione tutte le possibili tipologie di sospensioni elettromagnetiche, il cui scopo è quello di ampliare gli orizzonti del lettore. Il capitolo 2, rivolto agli utenti degli AMP, introduce il lettore alla tecnologia dei cuscinetti magnetici attivi: la storia dello sviluppo, i progetti, le caratteristiche, i problemi di sviluppo e diversi esempi di applicazioni pratiche. I capitoli 3 e 4 forniscono una metodologia per il calcolo dei circuiti magnetici dei cuscinetti. Nel capitolo 5 viene studiato un elettromagnete come oggetto di controllo. Nel capitolo 6 vengono risolti i problemi di sintesi del controllore e l'analisi della dinamica di una sospensione magnetica a singola potenza. Questo è un capitolo su come controllare il gimbal e cosa può impedirti di raggiungere le qualità dinamiche richieste. Il posto centrale è occupato dal capitolo 7, che esamina i problemi di controllo della sospensione di un rotore rigido a cinque gradi di libertà, esamina l'interazione tra sospensione e motore di azionamento e tocca anche la questione della creazione di macchine elettriche senza base. L'effetto delle deformazioni di flessione elastica del rotore sulla dinamica del gimbal è discusso nel capitolo 8. Il capitolo 9 è dedicato al controllo digitale del gimbal. Il capitolo finale 10 esamina una serie di aspetti dinamici associati all'implementazione dei supporti del rotore negli AMP.
Per quanto riguarda l'elenco dei riferimenti alla fine del libro, non ho tentato di includere tutti gli articoli storicamente importanti sull'AMP e mi scuso con quei ricercatori i cui contributi in questo campo non sono menzionati.
Poiché la gamma di argomenti è molto ampia, si è rivelato impossibile mantenere un sistema di convenzioni in tutto il libro. Tuttavia, ogni capitolo utilizza una notazione coerente.
Sono grato ai miei insegnanti, i professori David Rakhmilevich Merknn e Anatoly Saulovnch Kelzon: hanno contribuito notevolmente alla pubblicazione di questo libro. Vorrei ringraziare i miei colleghi del laboratorio di supporti magnetici e dell'università, in particolare Fedor Georgievich Kochevin, Mikhail Vadimovich Afanasyev. Valentin Vasilievich Andreen, Sergei Vladimirovich Smirnov, Sergei Gennadievich Stebikhov e Igor Ivanovich Morozov, grazie ai cui sforzi furono create molte macchine con AMP. Mi sono state utili anche le conversazioni e il lavoro congiunto con il professor Kamil Shamsuddnovich Khodzhaen e i professori associati Vladimir Aleksandrovich Andreev, Valery Georgievich Bogov e Vyacheslav Grigorievich Matsevich. Vorrei anche riconoscere il contributo degli studenti laureati e degli studenti laureati che hanno lavorato con me con grande entusiasmo nel campo dell'AMP: questi sono Grigory Mikhailovich Kraizman, Nikolai Vadimovich Khmylko, Arkady Grigorievich Khrostitsky, Nikolai Mikhailovich Ilyin, Alexander Mikhailovich Vetlntsyn e Pavel Vassilievich Kiselev. Merita una menzione speciale l'assistenza tecnica fornita da Elena Vladimirovna Zhuravleva e Andrei Semenovich Leontiev nella preparazione del manoscritto per la pubblicazione.
Vorrei ringraziare la Pskov Engineering Company e il Politecnico di Pskov per il loro aiuto nel finanziare la pubblicazione del libro.