Un rodamiento magnético es un tipo de rodamiento que soporta una carga mediante levitación magnética . Los rodamientos magnéticos soportan piezas móviles sin contacto físico. Por ejemplo, son capaces de hacer levitar un eje giratorio y permitir un movimiento relativo con muy baja fricción y sin desgaste mecánico . Los rodamientos magnéticos soportan las velocidades más altas de cualquier tipo de rodamiento y no tienen una velocidad relativa máxima.
Los rodamientos activos tienen varias ventajas: no sufren desgaste, tienen baja fricción y, a menudo, pueden adaptarse automáticamente a irregularidades en la distribución de masa, lo que permite que los rotores giren alrededor de su centro de masa con muy baja vibración.
Los rodamientos magnéticos pasivos utilizan imanes permanentes y, por lo tanto, no requieren ninguna potencia de entrada, pero son difíciles de diseñar debido a las limitaciones descritas por el teorema de Earnshaw . Las técnicas que utilizan materiales diamagnéticos están relativamente poco desarrolladas y dependen en gran medida de las características del material. Como resultado, la mayoría de los rodamientos magnéticos son rodamientos magnéticos activos que utilizan electroimanes que requieren una entrada de energía continua y un sistema de control activo para mantener la carga estable. En un diseño combinado, a menudo se utilizan imanes permanentes para soportar la carga estática y el cojinete magnético activo se utiliza cuando el objeto levitado se desvía de su posición óptima. Los cojinetes magnéticos normalmente requieren un cojinete de respaldo en caso de falla del sistema de control o de energía.
Los rodamientos magnéticos se utilizan en varias aplicaciones industriales, como la generación de energía eléctrica , el refinamiento de petróleo, el funcionamiento de máquinas herramienta y el manejo de gas natural. También se utilizan en la centrífuga tipo Zippe , [1] para el enriquecimiento de uranio y en bombas turbomoleculares , donde los cojinetes lubricados con aceite serían una fuente de contaminación.
Un cojinete magnético activo funciona según el principio de suspensión electromagnética basado en la inducción de corrientes parásitas en un conductor giratorio . Cuando un material eléctricamente conductor se mueve en un campo magnético , se generará una corriente en el material que contrarresta el cambio en el campo magnético (conocida como Ley de Lenz ). Esto genera una corriente que dará como resultado un campo magnético orientado opuesto al del imán . El material conductor de la electricidad actúa así como un espejo magnético . [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [ citas excesivas ]
El hardware consta de un conjunto de electroimán , un conjunto de amplificadores de potencia que suministran corriente a los electroimanes, un controlador y sensores de espacio con la electrónica asociada para proporcionar la retroalimentación necesaria para controlar la posición del rotor dentro del espacio. El amplificador de potencia suministra una corriente de polarización igual a dos pares de electroimanes en lados opuestos de un rotor. Este tira y afloja constante está mediado por el controlador, que compensa la corriente de polarización mediante perturbaciones de corriente iguales y opuestas a medida que el rotor se desvía de su posición central.
Los sensores de separación suelen ser de naturaleza inductiva y detectan en modo diferencial. Los amplificadores de potencia en una aplicación comercial moderna son dispositivos de estado sólido que funcionan en una configuración de modulación de ancho de pulso . El controlador suele ser un microprocesador o un procesador de señales digitales .
Normalmente se presentan dos tipos de inestabilidades en los rodamientos magnéticos. Los imanes atractivos producen una fuerza estática inestable que disminuye al aumentar la distancia y aumenta al disminuir la distancia. Esto puede hacer que el rodamiento se desequilibre. En segundo lugar, como el magnetismo es una fuerza conservativa , proporciona poca amortiguación; Las oscilaciones pueden causar la pérdida de una suspensión exitosa si hay fuerzas impulsoras presentes.
La siguiente tabla enumera varias de las primeras patentes de rodamientos magnéticos activos. Se pueden encontrar patentes anteriores para suspensiones magnéticas, pero se excluyen aquí porque consisten en conjuntos de imanes permanentes de estabilidad problemática según el teorema de Earnshaw .
Jesse Beams de la Universidad de Virginia presentó algunas de las primeras patentes de rodamientos magnéticos activos [12] [13] durante la Segunda Guerra Mundial. Las patentes se referían a ultracentrífugas destinadas al enriquecimiento de isótopos de elementos necesarios para el Proyecto Manhattan . Sin embargo, los rodamientos magnéticos no maduraron hasta los avances en la electrónica de estado sólido y la moderna tecnología de control basada en computadora con el trabajo de Habermann [14] y Schweitzer. [15] En 1987, Estelle Croot mejoró aún más la tecnología de rodamientos magnéticos activos, [16] pero estos diseños no se fabricaron debido a los elevados costos de producción, que utilizaban un sistema de guía láser. La investigación de Estelle Croot fue objeto de tres patentes australianas [4] y fue financiada por Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK e Hitachi, y sus cálculos se utilizaron en otras tecnologías que utilizaban imanes de tierras raras, pero los cojinetes magnéticos activos sólo se desarrollaron hasta el final. etapa de prototipo. El diseño de Croot [17] también incluía un sistema de control computarizado avanzado, mientras que el último diseño era un cojinete magnético no lineal.
Kasarda [18] revisa en profundidad la historia de los cojinetes magnéticos activos. Señala que la primera aplicación comercial de los cojinetes magnéticos activos fue en turbomaquinaria . El cojinete magnético activo permitió la eliminación de depósitos de aceite en los compresores de los gasoductos NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) en Alberta, Canadá. Esto redujo el riesgo de incendio permitiendo una reducción sustancial en los costos de seguro. El éxito de estas instalaciones de rodamientos magnéticos llevó a NGTL a ser pionero en la investigación y el desarrollo de un sistema de control de rodamientos magnéticos digital como reemplazo de los sistemas de control analógicos suministrados por la empresa estadounidense Magnetic Bearings Inc. En 1992, el grupo de investigación de rodamientos magnéticos de NGTL formó la empresa. Revolve Technologies Inc. [5] para comercializar la tecnología de rodamientos magnéticos digitales. Posteriormente, la empresa fue comprada por SKF de Suecia. La empresa francesa S2M, fundada en 1976, fue la primera en comercializar rodamientos magnéticos activos. En la Universidad de Virginia se continúa una extensa investigación sobre rodamientos magnéticos en el Programa de Investigación Industrial de Controles y Maquinaria Rotativa [6].
Durante la década que comenzó en 1996, la empresa holandesa de petróleo y gas NAM instaló veinte compresores de gas, cada uno impulsado por un motor eléctrico de velocidad variable de 23 megavatios. Cada unidad estaba completamente equipada con cojinetes magnéticos activos tanto en el motor como en el compresor. Estos compresores se utilizan en el campo de gas de Groningen para extraer el gas restante de este gran campo de gas y aumentar la capacidad del campo. El diseño del motor-compresor fue realizado por Siemens y los cojinetes magnéticos activos fueron entregados por Waukesha Bearings (propiedad de Dover Corporation ). (Originalmente, estos rodamientos fueron diseñados por Glacier; esta empresa luego fue adquirida por Federal Mogul y ahora es parte de Waukesha Bearings). Al usar rodamientos magnéticos activos y una transmisión directa entre el motor y el compresor (sin tener una caja de cambios en el medio) y por Al aplicar sellos de gas seco, se logró un sistema completamente seco (libre de aceite). La aplicación de cojinetes magnéticos activos tanto en el motor como en el compresor (en comparación con la configuración tradicional que utiliza engranajes y cojinetes de bolas) da como resultado un sistema relativamente simple con un rango operativo muy amplio y altas eficiencias, particularmente con carga parcial. Como se hizo en el campo de Groningen, la instalación completa también se puede colocar al aire libre sin necesidad de un gran edificio de compresores.
Los rodamientos magnéticos permanentes sin contacto con estabilización electromotriz fueron solicitados para patente por RG Gilbert en 1955 (patente estadounidense 2.946.930) [19] y K. Boden, D. Scheffer en 1968 (patente alemana 1750602). [20] Estas invenciones proporcionan la base tecnológica para una serie de aplicaciones prácticas, algunas de las cuales han alcanzado la etapa de producción industrial en serie bajo licencia del Forschungszentrum Jülich desde aproximadamente 1980. [21] [22]
Meeks [23] fue pionero en diseños de rodamientos magnéticos híbridos (patente estadounidense 5.111.102) en los que los imanes permanentes proporcionan el campo de polarización y se utilizan bobinas de control activo para la estabilidad y el control dinámico. Estos diseños que utilizan imanes permanentes para campos polarizados son más pequeños y livianos que los rodamientos puramente electromagnéticos. El sistema de control electrónico también es más pequeño y requiere menos energía eléctrica porque el campo polarizado lo proporcionan los imanes permanentes.
A medida que avanzaba el desarrollo de los componentes necesarios, también aumentó el interés científico en este campo, alcanzando su punto máximo en el primer Simposio Internacional sobre Rodamientos Magnéticos celebrado en 1988 en Zúrich con la fundación de la Sociedad Internacional de Rodamientos Magnéticos por el Prof. Schweitzer ( ETHZ ), el Prof. Allaire (Universidad de Virginia) y Prof. Okada (Universidad de Ibaraki). Desde entonces, el simposio se ha convertido en una serie de conferencias bienales con un portal permanente sobre tecnología de rodamientos magnéticos [7] donde están disponibles todas las contribuciones del simposio. El portal web cuenta con el apoyo de la comunidad industrial y de investigación internacional. Se unieron al salón de la fama y obtuvieron premios a la trayectoria en 2012 el Prof. Yohji Okada, el Prof. Gerhard Schweitzer y Michael Swann de Waukesha Magnetic Bearings [8].
Las ventajas de los rodamientos magnéticos incluyen una fricción muy baja y predecible, y la capacidad de funcionar sin lubricación y en vacío. Los rodamientos magnéticos se utilizan cada vez más en máquinas industriales como compresores, turbinas, bombas, motores y generadores.
Las empresas de servicios eléctricos suelen utilizar cojinetes magnéticos en los medidores de vatios-hora para medir el consumo de energía del hogar. También se utilizan en aplicaciones de transporte o almacenamiento de energía y para soportar equipos en el vacío, por ejemplo, en sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia . [24] [25] Un volante en el vacío tiene pérdidas de resistencia al viento muy bajas, pero los rodamientos convencionales generalmente fallan rápidamente en el vacío debido a una mala lubricación. Los cojinetes magnéticos también se utilizan para soportar trenes maglev con el fin de lograr un funcionamiento suave y silencioso al eliminar las superficies de contacto físico. Las desventajas incluyen alto costo, gran peso y tamaño relativamente grande.
Los cojinetes magnéticos también se utilizan en algunos compresores centrífugos para enfriadoras con un eje hecho de material magnético entre los cojinetes magnéticos. Una pequeña cantidad de corriente proporciona levitación magnética al eje, que permanece suspendido libremente en el aire, lo que garantiza una fricción cero entre el rodamiento y el eje.
Entre las aplicaciones industriales más importantes se encuentran las bombas turbomoleculares para la generación de vacío en plantas de producción de semiconductores. Leybold AG comercializó las primeras turbobombas comerciales de tipo cojinete magnético sin estabilización mecánica en 1975 (electromagnéticas) y en 1989 (basadas en imanes permanentes).
En el campo de la metrología de vacío, el BIPM, París, introdujo el medidor de rotor giratorio (SRG) como estándar de referencia en 1979. Jesse Beams estableció el primer laboratorio de este medidor en 1946. La producción comercial en serie comenzó en 1980 bajo licencias del Forschungszentrum. Jülich. El SRG es importante para el control de procesos de vacío en equipos de fabricación de semiconductores.
Una nueva aplicación de los rodamientos magnéticos es en los corazones artificiales. El uso de suspensión magnética en dispositivos de asistencia ventricular fue iniciado por el Prof. Paul Allaire y el Prof. Houston Wood en la Universidad de Virginia, culminando con la primera bomba centrífuga de asistencia ventricular ( VAD ) suspendida magnéticamente en 1999. [ cita necesaria ]
Varios dispositivos de asistencia ventricular utilizan cojinetes magnéticos, incluida la bomba cardíaca LifeFlow, [26] el sistema de asistencia ventricular izquierda DuraHeart, [27] Levitronix CentriMag, [28] y el Berlin Heart . [29] En estos dispositivos, la única parte móvil está suspendida mediante una combinación de fuerza hidrodinámica y fuerza magnética. Al eliminar las superficies de contacto físico, los cojinetes magnéticos facilitan la reducción de áreas de alto estrés cortante (que provoca daño a los glóbulos rojos) y estancamiento del flujo (que provoca coagulación) en estas bombas de sangre. [30] Berlin Heart INCOR fue el primer dispositivo de asistencia ventricular comercial sin estabilización mecánica o dinámica de fluidos.
Calnetix Technologies, Synchrony Magnetic Bearings (subsidiaria de Johnson Controls International), Waukesha Magnetic Bearings y S2M (subsidiaria de SKF) se encuentran entre los principales desarrolladores y fabricantes de rodamientos magnéticos a nivel mundial.
Con el uso de un sistema de levitación basado en inducción presente en tecnologías maglev como el sistema Inductrack , los rodamientos magnéticos podrían reemplazar sistemas de control complejos mediante el uso de matrices Halbach y bobinas simples de circuito cerrado. Estos sistemas ganan en simplicidad, pero son menos ventajosos en cuanto a las pérdidas por corrientes parásitas . Para sistemas giratorios es posible utilizar diseños de imanes homopolares en lugar de estructuras Halbach multipolares, lo que reduce considerablemente las pérdidas.
Un ejemplo que ha pasado por alto las cuestiones del teorema de Earnshaw es el cojinete electrodinámico homopolar inventado por el Dr. Torbjörn Lembke. [31] [32] [33] Se trata de un nuevo tipo de rodamiento electromagnético basado en una tecnología magnética pasiva. No requiere ningún control electrónico para funcionar y funciona porque las corrientes eléctricas generadas por el movimiento provocan una fuerza restauradora. [34] [35] [36]
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