بیرینگ های مغناطیسی

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: بیرینگ های مغناطیسی

بیرینگ ها در هر دستگاهی که دارای اجزای گردنده هستند جهت تثبیت موقعیت و کنترل و نگهداری بار قسمت متحرک، مورد استفاده قرار میگیرند و بسته به کاربرد دارای گونه های مختلفی هستند. نسل جدیدی از این بیرینگ ها که در موتورهای توربین گازی هواپیماهای آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت بیرینگ های مغناطیسی هستند. بیرینگ های مغناطیسی حرکت یک متحرک را بدون تماس فیزیکی ممکن میکنند. اصول کارکرد بیرینگهای مغناطیسی بر اساس این است که یک آهنربای الکتریکی، یک جسم فرومغناطیسی را جذب میکند (تصویر 1).

یک جسم فرومغناطیس گردنده (Rotor) میتواند به این صورت، در یک میدان مغناطیسی که توسط آهنربای الکتریکی ثابت (Stator) بیرینگ ایجاد شده، همانند یک تکیه گاه نگهداری شود.
از آنجایی که گرایش طبیعی قسمت ثابت، تا وقتی که قسمت گردنده ارتباط ایجاد کند، جذب قسمت گردنده است، بعضی از رفتارهای کنترلی جهت انطباق میدان مغناطیسی و نگهداری قسمت گردنده در موقعیت مطلوب، لازم هستند. نوع بسیار رایجی از کنترل شامل بازخورد موقعیت شفت است. سپس این اطلاعات توسط سیستم کنترل جهت تعدیل و میزان میدان مغناطیسی از طریق تقویت کننده های قدرت، مورد استفاده قرار میگیرد تا موقعیت مطلوب قسمت گردنده حتی تحت شرایط تغییر بار و فشار شفت، حفظ شود.

یک سیستم بیرینگ مغناطیسی فعال (شکل 2) شامل فعال کننده های بیرینگ آهنربای الکتریکی، سنسورهای موقعیت، یک سیستم کنترل و تقویت کننده های قدرت است. فعال کننده های بیرینگ و سنسورها در درون دستگاه واقع شده اند در حالیکه سیستم کنترل و تقویت کننده ها بطور کلی در خارج از دستگاه قرار دارند.

بیرینگ های شعاعی
یک نوع سیستم شامل دو بیرینگ شعاعی و یک بیرینگ تراست یا محوری میباشد. هر بیرینگ شعاعی یک قسمت ثابت و یک سیستم سنسور نصب شده در بالای قسمت گردنده ی فرومغناطیس سوار بر شفت، دارد. قسمت گردنده شامل یک دسته از حلقه های ورقی سوار بر یک سیلندر است که روی شفت می نشیند. ورق ها جهت کاهش اتلافات جریان گردشی و افزایش واکنش بیرینگ استفاده میشوند. قسمت ثابت از یک دسته حلقه های ورقی با قطب هایی در دیواره ی داخلی تشکیل شده است. سیم پیچ ها در اطراف هر قطب پیچانده شده اند تا بیرینگ به چهار ربع قسمت شود. سیم پیچ هایی که در هر ربع به ترتیب پیچانده شده اند، باعث میشوند تا هر قطب مانند یک آهنربای مغناطیسی عمل کند. بطور نمونه در دستگاههای افقی، ربع ها در 45 درجه از راس عمودی، ردیف شده اند. بر خلاف ربع ها، تشکیل یک محور و بنابراین هر بیرینگ شعاعی، میتواند با دو برش بیان شود. یک دسته از سنسورها که موقعیت شفت را اندازه گیری میکنند به گونه ای نصب شده اند که تا جای ممکن به بیرینگ نزدیک باشند
.

بیرینگ های محوری
در سیستم های صنعتی، بیرینگ تراست یا محوری شامل دو قسمت ثابت در دو طرف یک قسمت متحرک است. قسمت های ثابت هر دو از فولاد سخت یا از قطعات فولاد سخت با شکاف های شعاعی در بین قطعات پر شده با ورقه ها جهت افزایش واکنش بیرینگ، تشکیل شده است. قسمت های ثابت محوری همچنین یک یا دو شکاف جانبی در داخل صفحه دارند و با سیم پیچ ها پر میشوند. با یک قسمت ثابت نصب شده در هر طرف قسمت متحرک، بیرینگ محوری میتواند نیروهای محوری را در هر دو جهت خنثی کند.
سیستم کنترل از سیگنالهای سنسورهای موقعیت جهت تعیین موقعیت شفت استفاده میکند. این سیگنال با یک مرجع جهت تعیین خطا در موقعیت، سنجیده و مقایسه میشود. بعد از تصحیح مناسب، این سیگنال به تقویت کننده های قدرت فرستاده میشود تا خروجی حاضر به بیرینگ را کنترل کند.

سیستم کنترل
سیستم کنترل اجازه ی کنترل جریان در بیرینگ با استفاده از اطلاعات بازخور در موقعیت شفت را میدهد که حلقه ی بسته ی بازخور کنترل نامیده میشود و در شفت جهت حفظ موقعیت پایدار، اهمیت بالایی دارد. به زبان ساده تر سیستم کنترل، جریان بالای بیرینگ را زمانی که شفت بالاتر از موقعیت مرکزی قرار دارد، کاهش میدهد و زمانی که شفت پایین تر از موقعیت مرکزی باشد، آن جریان را افزایش میدهد. بطور نمونه کنترل بیرینگ مغناطیسی به روش تک ورودی - تک خروجی (SISO) اجرا شده است. به این معنی که اطلاعات موقعیت از یک سنسور تنها سبب کنترل تغییر جریان در محور متناظر میشود. سیستم های کنترل همچنین میتوانند بصورت چند ورودی و چند خروجی (MIMO) نیز باشند. سیستم MIMO زمانی که مراحل بالاتری از کنترل نیاز است یا زمانی که قطع و اتصال قابل توجهی بین محورها مورد انتظار است، بکار میرود. اجزای سیستم کنترل شامل یک سنسور موقعیت به همراه الکترونیک، یک کنترل کننده و تقویت کننده ها میشود. این اجزاء در دنباله ی مطلب تشریح شده اند.

سنسورها
سنسورها اطلاعات راجع به موقعیت شفت را بصورت یک ولتاژ الکتریکی به کنترل کننده می رسانند. سنسورها معمولا طوری تنظیم شده اند تا هنگامی که شفت در موقعیت مطلوب است، سنسور ولتاژ صفر تولید می کند. هنگامیکه شفت از این موقعیت مطلوب بطرف بالا برود، یک ولتاژ مثبت و هنگامیکه بطرف پایین برود یک ولتاژ منفی تولید میشود.

کنترل کننده
وظیفه ی کنترل کننده دریافت سیگنال ولتاژ از سنسورهای موقعیت، پردازش این اطلاعات و فرستادن درخواستهای جریان به تقویت کننده است. کنترل کننده شامل فیلترهای ضد فرکانس های مخرب، مبدل های آنالوگ به دیجیتال، یک پردازنده ی سیگنال دیجیتال و ژنراتورهای تلفیق پهنای پالس می شود. ولتاژ گرفته شده از سنسورهای موقعیت از میان فیلترهای ضد فرکانس های مخرب گذرانده شده تا اختلال فرکانس بالای سیگنال حذف شود. بعد از حذف جزئیات فرکانس بالا، سیگنال موقعیت توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال نمونه برداری میشود. سپس اطلاعات دیجیتال از میان یک ---------- توسط یک پردازنده ی سیگنال دیجیتال، گذرانده می شود. این اطلاعات به ژنراتورهای تلفیق پهنای پالس که موج شکل PWM ارسالی به تقویت کننده ها را تولید می کند، فرستاده میشود.

تقویت کننده ها
هر محور بیرینگ یک جفت تقویت کننده برای فراهم کردن جریان کویل های بیرینگ و یک نیروی جاذبه جهت اصلاح موقعیت گردنده در طول همان محور، دارد. تقویت کننده به واقع سویچ های فرکانس بالایی هستند که در یک بسامد بالا روشن و خاموش میشوند.