Un cojinete magnético es un tipo de cojinete que soporta una carga mediante levitación magnética . Los cojinetes magnéticos sostienen piezas móviles sin contacto físico. Por ejemplo, pueden hacer levitar un eje giratorio y permitir un movimiento relativo con muy poca fricción y sin desgaste mecánico . Los cojinetes magnéticos soportan las velocidades más altas de cualquier tipo de cojinete y no tienen una velocidad relativa máxima.
Los cojinetes activos tienen varias ventajas: no sufren desgaste, tienen baja fricción y, a menudo, pueden adaptarse automáticamente a las irregularidades en la distribución de masa, lo que permite que los rotores giren alrededor de su centro de masa con muy poca vibración.
Los cojinetes 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 cojinetes magnéticos son cojinetes 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 transportar la carga estática y el cojinete magnético activo se utiliza cuando el objeto levitado se desvía de su posición óptima. Los cojinetes magnéticos generalmente requieren un cojinete de respaldo en caso de falla del sistema de control o de energía.
Los cojinetes magnéticos se utilizan en diversas aplicaciones industriales, como la generación de energía eléctrica , el refinado de petróleo, el funcionamiento de máquinas herramienta y el manejo de gas natural. También se utilizan en la centrífuga de 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 conductor de electricidad 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 de manera opuesta al del imán . El material conductor de 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 electroimanes , un conjunto de amplificadores de potencia que suministran corriente a los electroimanes, un controlador y sensores de espacio con 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 iguales y opuestas de la corriente a medida que el rotor se desvía de su posición central.
Los sensores de brecha 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 por ancho de pulso . El controlador suele ser un microprocesador o un procesador de señal digital .
En los cojinetes magnéticos suelen presentarse dos tipos de inestabilidades. Los imanes atractivos producen una fuerza estática inestable que disminuye con el aumento de la distancia y aumenta con la disminución de la distancia. Esto puede provocar que el cojinete se desequilibre. En segundo lugar, debido a que el magnetismo es una fuerza conservativa , proporciona poca amortiguación; las oscilaciones pueden provocar la pérdida de una suspensión eficaz si hay fuerzas impulsoras presentes.
En la siguiente tabla se enumeran varias patentes antiguas de cojinetes magnéticos activos. Se pueden encontrar patentes anteriores de 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 cojinetes magnéticos activos [12] [13] durante la Segunda Guerra Mundial. Las patentes trataban de ultracentrífugas destinadas al enriquecimiento de isótopos de elementos necesarios para el Proyecto Manhattan . Sin embargo, los cojinetes magnéticos no maduraron hasta los avances en la electrónica de estado sólido y la tecnología de control basada en computadora moderna con el trabajo de Habermann [14] y Schweitzer. [15] En 1987, Estelle Croot mejoró aún más la tecnología de cojinetes magnéticos activos, [16] pero estos diseños no se fabricaron debido a los altos 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 solo se desarrollaron hasta la 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] analiza en profundidad la historia de los cojinetes magnéticos activos. Señala que la primera aplicación comercial de los cojinetes magnéticos activos fue en turbomáquinas . El cojinete magnético activo permitió la eliminación de los depósitos de aceite en los compresores de los gasoductos de NOVA Gas Transmission Ltd. (NGTL) en Alberta, Canadá. Esto redujo el riesgo de incendio, lo que permitió una reducción sustancial de los costos de seguro. El éxito de estas instalaciones de cojinetes magnéticos llevó a NGTL a ser pionera en la investigación y el desarrollo de un sistema de control de cojinetes magnéticos digitales como reemplazo de los sistemas de control analógicos suministrados por la empresa estadounidense Magnetic Bearings Inc. En 1992, el grupo de investigación de cojinetes magnéticos de NGTL formó la empresa Revolve Technologies Inc. para comercializar la tecnología de cojinetes magnéticos digitales. La empresa fue adquirida más tarde por SKF de Suecia. La empresa francesa S2M, fundada en 1976, fue la primera en comercializar cojinetes magnéticos activos. La investigación exhaustiva sobre cojinetes magnéticos continúa en la Universidad de Virginia en el Programa de Investigación Industrial de Maquinaria Rotativa y Controles. [19]
Durante la década que comenzó en 1996, la empresa holandesa de petróleo y gas NAM instaló veinte compresores de gas, cada uno de ellos accionado 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 yacimiento de gas de Groningen para extraer el gas restante de este gran yacimiento de gas y aumentar la capacidad del yacimiento. El diseño del motor-compresor fue realizado por Siemens y los cojinetes magnéticos activos fueron suministrados por Waukesha Bearings (propiedad de Dover Corporation ). (Originalmente, estos cojinetes fueron diseñados por Glacier, esta empresa fue adquirida posteriormente por Federal Mogul y ahora forma parte de Waukesha Bearings). Al utilizar cojinetes magnéticos activos y un accionamiento directo entre el motor y el compresor (sin tener una caja de cambios en el medio) y al aplicar sellos de gas seco, se logró un sistema completamente seco-seco (sin aceite). La utilización de cojinetes magnéticos activos tanto en el motor como en el compresor (en comparación con la configuración tradicional con engranajes y cojinetes de bolas) da como resultado un sistema relativamente sencillo con un rango de funcionamiento muy amplio y altas eficiencias, especialmente con carga parcial. Al igual que se hizo en el campo de Groningen, la instalación completa puede ubicarse además al aire libre sin necesidad de un gran edificio para el compresor.
Los cojinetes de imán permanente sin contacto con estabilización electromotriz fueron patentados por RG Gilbert en 1955 (patente estadounidense 2.946.930) [20] y por K. Boden, D. Scheffer en 1968 (patente alemana 1750602). [21] 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. [22] [23]
Meeks [24] fue pionero en el diseño de cojinetes magnéticos híbridos (patente estadounidense 5.111.102) en los que los imanes permanentes proporcionan el campo de polarización y se utilizan bobinas de control activas para la estabilidad y el control dinámico. Estos diseños que utilizan imanes permanentes para los campos de polarización son más pequeños y más livianos que los cojinetes puramente electromagnéticos. El sistema de control electrónico también es más pequeño y requiere menos energía eléctrica porque el campo de polarización lo proporcionan los imanes permanentes.
A medida que avanzaba el desarrollo de los componentes necesarios, también aumentó el interés científico en este campo, que alcanzó su punto máximo en el primer Simposio Internacional sobre Cojinetes Magnéticos celebrado en 1988 en Zúrich, con la fundación de la Sociedad Internacional de Cojinetes Magnéticos por el Prof. Schweitzer ( ETHZ ), el Prof. Allaire (Universidad de Virginia) y el 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 cojinetes magnéticos en el que se encuentran disponibles todas las contribuciones del simposio. El portal web cuenta con el apoyo de la comunidad internacional de investigación e industria. En 2012, se unieron al salón de la fama y obtuvieron premios a la trayectoria el Prof. Yohji Okada, el Prof. Gerhard Schweitzer y Michael Swann de Waukesha Magnetic Bearings.
Las ventajas de los cojinetes magnéticos incluyen una fricción muy baja y predecible y la capacidad de funcionar sin lubricación y en el vacío. Los cojinetes magnéticos se utilizan cada vez más en máquinas industriales como compresores, turbinas, bombas, motores y generadores.
Los cojinetes magnéticos se utilizan habitualmente en los medidores de vatios-hora de las empresas eléctricas para medir el consumo de energía de los hogares. También se utilizan en aplicaciones de almacenamiento o transporte de energía y para soportar equipos en el vacío, por ejemplo, en sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia . [25] [26] Un volante de inercia en el vacío tiene pérdidas de resistencia al viento muy bajas, pero los cojinetes convencionales suelen fallar rápidamente en el vacío debido a una lubricación deficiente. Los cojinetes magnéticos también se utilizan para soportar trenes de levitación magnética con el fin de obtener un bajo nivel de ruido y una marcha suave eliminando las superficies de contacto físico. Las desventajas incluyen un alto costo, un peso elevado y un tamaño relativamente grande.
Los cojinetes magnéticos también se utilizan en algunos compresores centrífugos para enfriadores con un eje hecho de material magnético que se encuentra 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 cojinete 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. Las primeras turbobombas comerciales de cojinetes magnéticos sin estabilización mecánica fueron comercializadas por Leybold AG en 1975 (electromagnéticas) y en 1989 (basadas en imanes permanentes).
En el campo de la metrología de vacío, el calibre de rotor giratorio (SRG) fue introducido como estándar de referencia por el BIPM de París en 1979. Jesse Beams estableció la primera configuración de laboratorio de este calibre en 1946. La producción en serie comercial 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 cojinetes magnéticos se encuentra 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, y culminó con la primera bomba centrífuga de asistencia ventricular ( VAD ) suspendida magnéticamente en 1999. [ cita requerida ]
Varios dispositivos de asistencia ventricular utilizan cojinetes magnéticos, incluida la bomba cardíaca LifeFlow, [27] el sistema de asistencia ventricular izquierda DuraHeart, [28] el Levitronix CentriMag, [29] y el Berlin Heart . [30] En estos dispositivos, la única parte móvil está suspendida por una combinación de fuerza hidrodinámica y fuerza magnética. Al eliminar las superficies de contacto físico, los cojinetes magnéticos facilitan la reducción de las áreas de alto esfuerzo cortante (que conduce al daño de los glóbulos rojos) y el estancamiento del flujo (que conduce a la coagulación) en estas bombas de sangre. [31] Berlin Heart INCOR fue el primer dispositivo de asistencia ventricular comercial sin estabilización mecánica o fluidodinámica.
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 cojinetes magnéticos del mundo.
Con el uso de un sistema de levitación basado en inducción presente en tecnologías de levitación magnética como el sistema Inductrack , los cojinetes magnéticos podrían reemplazar los complejos sistemas de control mediante el uso de matrices Halbach y bobinas de bucle cerrado simples. Estos sistemas ganan en simplicidad, pero son menos ventajosos en lo que respecta a las pérdidas por corrientes de Foucault . Para sistemas rotatorios es posible utilizar diseños de imanes homopolares en lugar de estructuras Halbach multipolares, lo que reduce considerablemente las pérdidas.
Un ejemplo que ha evitado los problemas del teorema de Earnshaw es el cojinete electrodinámico homopolar inventado por el Dr. Torbjörn Lembke. [32] [33] [34] Se trata de un nuevo tipo de cojinete electromagnético basado en una tecnología magnética pasiva. No requiere ningún sistema electrónico de control para funcionar y funciona porque las corrientes eléctricas generadas por el movimiento provocan una fuerza restauradora. [35] [36] [37]
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