Elektrodynamiczne łożysko magnetyczne

Istota wynalazku

Zadaniem łożysk jest zapewnienie prawidłowej pracy maszyn obrotowych. Najprostszym rozwiązaniem są łożyska toczne i ślizgowe, które jednak nie spełniają kryteriów dla urządzeń wysokoobrotowych. Dlatego też wykorzystuje się lewitację magnetyczną, która polega na przyciąganiu lub odpychaniu stałego i ruchomego elementu w polu magnetycznym. W celu zachowania stałej szczeliny powietrznej, między wirującym wałem i nieruchomą podstawą, stosuje się sterowanie natężeniem tego pola, poprzez zmianę prądu w uzwojeniach wytwarzających strumień magnetyczny. Istnieją też tzw. łożyska bierne, w których lewitację uzyskuje się poprzez oddziaływanie dwóch magnesów trwałych. Można również uzyskać lewitację pomiędzy magnesem i uzwojeniem z prądem.

Zamiast uzwojenia wykorzystuje się również pole magnetyczne prądów wirowych indukowanych w elemencie ruchomym łożyska, co wykorzystano w łożysku elektrodynamicznym, które zasadniczo składa się z dwóch podstawowych elementów: magnesów trwałych oraz wirującej części wykonanej z niemagnetycznego materiału przewodzącego.

Łożysko elektrodynamiczne według wynalazku zbudowane jest z przewodzącej, niemagnetycznej tarczy płaskiej, która pełni rolę wirnika poruszającego się w jednorodnym polu magnetycznym generowanym przez magnesy trwałe, namagnesowane osiowo. Pod wpływem ciężaru wału jak i jego obciążenia w tarczy generowane są prądy wirowe, które w polu magnetycznym wytwarzają siły elektrodynamiczne. Pod wpływem tych sił następuje centrowanie, przesuniętego pod wpływem obciążenia wirnika, w kierunku promieniowym w stosunku do osi wału.

Wyżej wymieniona siła elektrodynamiczna nie posiada, w czasie pracy napędu, tego samego kierunku i przeciwnego znaku w stosunku do wymuszającej siły obciążającej. Działa ona pod pewnym kątem do siły wymuszającej, co powoduje wzbudzenie drgań wirnika. Dlatego też, łożysko elektrodynamiczne powinno w swojej strukturze zawierać elementy tłumiące te drgania. W łożysku według wynalazku, tłumienie drgań jest realizowane przez tłumik elektrodynamiczny złożony z dwóch tulei wykonanych z materiału przewodzącego umieszczonych w stałym polu magnetycznym wytworzonym przez magnesy trwałe. Powstałe drgania generują, w tulejach wykonanych z materiału przewodzącego, prądy wirowe, które oddziałując na pole magnetyczne magnesów trwałych wytwarzają siłę elektrodynamiczną przeciwdziałającą drganiom wału. Dlatego też tłumiki te również można nazwać elektrodynamicznymi. Uzyskuje się stabilizację wału oraz eliminację szkodliwych drgań, co jest szczególnie cenne w napędach wysokoobrotowych.

Potencjał komercjalizacji

Obecnie łożyska magnetyczne znajdują zastosowanie w szerokiej gamie maszyn obrotowych, umożliwiając konstrukcje nowych urządzeń, jak również wypierając z zastosowania dotychczas stosowane typy łożysk. Istotną zaletą łożysk elektrodynamicznych w stosunku do aktywnych łożysk magnetycznych jest brak układu sterowania położeniem. Niekorzystnymi cechami łożysk elektrodynamicznych są: niska wartość sztywności przemieszczeniowej oraz wzrost wartości sztywności wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Wobec przedstawionych cech łożyska elektrodynamiczne mogą znaleźć zastosowanie przede wszystkim w urządzeniach pracujących z wysoką prędkością obrotową oraz niewymagających precyzyjnej stabilizacji położenia wału. Przykładem takich urządzeń są: wirujące magazyny energii, urządzenia medyczne, w tym pompy krwi, centryfugi, kompresory.