فصل اول
ظهور یاتاقان های مغناطیسی
یاتاقان 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 خلاء 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 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 نیرومندتر و به صرفه تر نسبت به گذشته هدایت کرده است. یاتاقان های امروزی برای محدودهِی گسترده ای از کاربردها، از تجهیزات نیمه هادی گرفته تا میکرو توربین ها و کمپرسورهای سرد سازی و پمپهای خلاء، مناسب هستند.
اساس کار یاتاقان های مغناطیسی
در سیستم یاتاقان مغناطیسی، محورها به وسیله ی نیروی الکترومغناطیسی 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 موتورهای الکتریکی شباهت دارد.
استاتور یاتاقان های شعاعی لایه لایه است، به این صورت که قطبهای 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 پیچها می گذرد، یک نیروی جاذب روی روتور فرو مغناطیس ایجاد می کند و روتور را در فاصله ی هوایی به صورت معلق نگه می دارد. فاصله ی هوایی معمولاً حدود 0/5 میلی متر در نظر گرفته می شود و در برخی کاربرد های خاص می تواند به بزرگی 2 میلی متر هم طراحی شود. روتور روی شافتی قرار می گیرد که در فاصله ی هوایی است و لزومی ندارد که در مرکز قرار گیرد. این خاصیت از لحاظ کاربردی مفید است زیرا می توان فرسودگی شافت و همچنین ارزش های آن را جبران کرد، مانند ماشین های سنگ زنی که در طول کارکرد فرسوده می شوند.
یک یاتاقان مغناطیسی کف گرد خرکت 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، نیروی الکترومغناطیسی تولید شده به وسیله ی استاتور؛ روی روتور عمل کرده و حرکت محوری را کنترل می کنند. یاتاقان های مغناطیسی، همچنین 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 ی 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، سنسور های تعیین موقعیت طولی و شعاعی، داده های حرکت و مکان شافت را به منترل کننده می فرستند.
این کنترل کننده موقعیت مطلوب و واقعی شافت را مقایسه کرده و نیروی لازم 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 مغتاطیسی را می دهد .
بخشهای اصلی سیستم کنترل DSP ( پردازش سیگنال های دیجیتال )، منبع تغذیه و تقویت کننده ها هستند. به طور کلی هرچه دستگاه بزرگتر باشد، به تقویت کننده های بزرگتری نیاز دارد.
اندازه ی کنترل کننده نیز به دینامیک بار مورد نیاز بستگی دارد که عموماً در دستگاه های سنگین تر، بزرگتر است.
شافت می تواند از طریق الگوریتم های تک ورودی - تک خروجی (SISO) و یا چند ورودی - چند خروجی (MIMO) برای سرعتهای بالا و کاربردهای مورد نیاز، کنترل شود. کنترل کننده توسط سیگنال هاییی 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 یا تاقان هایی با حداکثر سرعت 100/000 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 جرئی بسیاری، در مورد سلامت دستگاه مهیا کرده و برنامه ی نگهداری و مراقبت را بهینه می کنند.
این نرم افزار، ابزارهایی دارد که می تواند پارامترهای ورودی را همساز کرده و تفاوت آنها را قبل از شروع دستگاه بررسی کند. ابزارهای تصویری آن ، یک نمایش دهنده موقعیت جریانها و نیروها به صورت لحظه ایو یک سیستم هشدار که کلیه متغیرهای 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 کحور 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 ابزار، 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 01/0 میلی متر کاهش دهد. این طرح در پمپهای توربومولکولی و تجهیزات نیمه هادی بسیار ارزشمند است.
AVC می تواند ضریب اطمینان را بالا ببرد و فاصله ی 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 زا بین بردن پردازش اغتشاشات، می تواند محدوده ی عملکرد دستگاه را گسترش بخشد.
ملاحظات طراحی
هدف نهایی از طراحی یاتاقان های مغناطیسی، چرخش بدون تماس و مطمئن در کل محدوده ی 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 غامل اصلی در توسعه ی سیستم یاتاقان های مغناطیسی هستند. استحکام مکانیکی شافت غالباً عامل محدود کننده ی سرعت است.
ظرفیت استاتیکی ( نیروی بیشینه ای که یاتاقان های مغناطیسی برای نگه داشتن شافت تولید می کنند ) تابعی از متغیرهایی مثل جریان تقویت کننده، مساحت قطبهای مغناطیسی، تعداد حلقه های سیم پیچ و ابعاد فاصله های هوایی است. یک قاعده ی 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 ولتلژ تقویت کننده مشخص می شود.
به عنوان مثال فرض کنید یاتاقان مغناطیسی 150 نیوتنی به سیستم کنترلی با ولتاژ 40 ولت و جریان 2 آمپر متصل است. رفتن به محدوده ی 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 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 آنها، 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 آنجا که بلبرینگ های مغناطیسی فاصله ی هوایی دارند، برای کارهای خاص بیولوژیکی استفاده می شوند. سلول های خونی و سایر مایعات می توانند از این فاصله ی هوایی بدون هیچ گونه خسارتی عبور کنند.
کمپرسورهای سردسازی، نمونه ی دیگری از کاربردهای مهم بلبرینگ های مغناطیسی هستند. بلبرینگ های مغناطیسی می توانند در سرعت های بالا که کورد 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 همچنین می توانند به طور دقیق عایق بندی شوند و لذا برای فرایندهایی که با سیالات مخرب سرو کار دارند، قابل توجه هستند.
مزیت بلبرینگ های مغناطیسی
بلبرینگ ها ی مغناطیسی بدون هیچ گونه تماسی کار می کنند. این منجر به خصوصیات ویژه ای می شود که گستره ی کاربرد این بلبرینگ ها را وسعت می بخشد. برای کاربردهایی که دارای یکی از خصوصیات زیر هستند، عموماً بلبرینگ های مغناطیسی سودمند هستند.
عدم نیاز به روغن کاری: سیستم های روغن کاری برای بقیه ی انواع یاتاقان ها ، گران قیمت، غیر قابل اطمینان و غیر ایمن هستند. روان کننده ها برای محیط زیست خطر آفرین هستند و دور ریختن آنها هم معضل دیگری است. در صورتی که هیچ کدام از این موارد برای یاتاقان های مغناطیسی مطرح نیست.
ایمنی: این بلبرینگ ها از لحاظ ایمنی قابل مقایسه با موتورهای الکتریکی هستند و معقول است که انتظار داشته باشیم عمری حدود 15 تا 20 سال داشته باشند. سیستم کنترلی آنها هم یک عمر پایدار نسبی پنج ساله داردکه قابل مقایسه با عمر اجزای الکتریکی معمولی است.
کاربرد در خلاء: محیط های با خلاء زیاد برای خنک کننده ها ، محیط های ناسازگاری برای فعالیت هستند.
بسیاری از سیستم ها در خلاءهای بالا (torr16 -10 )به شدت به آلودگی خنک کننده های با شرایط متغیر، حساس هستند.
ارتعاش کم: بلبرینگ های مغناطیسی برای کاربردهایی که به ارتعاشات دستگاه حساس هستند، بسیار مناب هستند.
اندازه گیری نیرو: کنترل کننده می تواند مقدار و جهت نیروی بلبرینگ ها را با اندازه گیری جریان و موقعیت آن اندازه بگیرد که این خصوصیت بسیار ویژه ای برای طراحان است. این نیروها با دقت پنج درصد قابل اندازه گیری هستند.
کنترل موقعیت محور: چون سنسورها موقعیت شافت را نمایش می دهند، سیستم کنترلی می تواند موقعیت آن را بر حسب اطلاعاتی که از سنسورها می گیرد، تغییر دهد. به عنوان مثال، سیستم کنترلی می تواند با جبران سازی موقعیت طولی، شافت را طی کار تثبیت کند.
دقت: کنترل دقیق می تواند، جابجایی شافت را در اثر نامیزانی ها از بین ببرد، که این کار با استفاده از سیستم کنترلی تطبیقی (Adaptive) انجام می شود. جابجایی شافت در همان سرعت می تواند تا حدود یک میلی متر کاهش پیدا کند که برای ماشن های ابزار برش، بسیار قابل توجه است.
عملیات غوطه وری: بلبرینگ های مغناطیسی می توانند به طور مستقیم داخل سیال کار کنند و نیاز به آب بندی ندارند که این مورد ، هزینه دستگاه را کاهش می دهد.
کاهش مصرف انرژی: بلبرینگ های مغناطیسی، نیروی اصطکاک را کاهش داده و بازده دستگاه را افزایش می دهند. عدم نیاز به سیستم خنک کاری هزینه های مربوط به پمپ ها و فن های سرد کننده را کاهش می دهد.
نمایش شرایط کاری: بلبرینگ های مغتاطیسی قابلیت نمایش شرایط کارکرد را دارند که این ، نیاز به وسایلی نظیر سنسورهای ارتعاشی و یا شتاب سنج ها را از بین می برد. علاوه بر آن از طریق سیستم کنترلی بلبرینگ های مغناطیسی، به طور مستقیم شافت و سیال کاری قابل مشاهده است.
کنترل فاز: امروزه پردازشگرهای دیجیتالی کارهای بیشتری غیر از کنترل بلبرینگ های مغناطیسی انجام می دهند و باعث افزایش مزیت بلبرینگ های مغناطیسی نسبت به بلبرینگ های ساده می شوند که از جمله ی آنها می توان کنترل فاز را نام برد.
طرح هماهنگی شافت با سیگنال های خارجی ، عملیات تطابق شافت را (فاز) تا 05/0 مقدار مرجعش در سرعت هایی حدود 36000 دور در دقیقه موقعیت دهی می کند. کنترل فاز در عملیاتی مثل جداسازی نوترون کاربرد دارد.
آلودگی ( آلایندگی ): فرایندهایی که به آلودگی های بسیار کم نیز حساسند از یاتاقان های مغناطیسی که دارای قطعات و میله هایی از جنس فولاد ضد زنگ، هستند سود می جویند با ظهور ورقه های بسیار نازک نیمه هادی 300 میلی متری و یا ابزارهای با اندازه حدود 0.25mm ، حذف آلودگی های کوچک امری ضروری به نظر می رسد.
فاصله هوایی: بعضی کاربرد ها از عملکرد بدون تماس استفاده می کنند. به عنوان مثال در بیوتکنولوژی، پمپهای قلب یا مخلوط کننده ها ، از عدم ایجاد بین سطوح تماس برای جلوگیری از وارد کردن آسیب به سلول ها، استفاده می کنند. در نساجی، تارها و نخ ها می توانند از فاصله ی هوایی رد شوند. فاصله ی هوایی می تواند تا 2 mm باشد.
سرعتهای بالا: سرعت توسط مقاومت مکانیکی شافت محدود می شود. سرعت خطی ( محیطی ) در یاتاقان های شعاعی در حدود DN *1063.5 ( قطر mm * rmp ) می باشد. هنگامی ارزش این خصوصیت را بیشتر در می یابیم که می فهمیم روغن کاری در این شرایط بسیار مشکل است.