Cuscinetto magnetico: tipi, come funziona e applicazioni chiave

Quando si perde potenza in un cuscinetto magnetico attivo, il rotore cade sui cuscinetti ausiliari (touchdown). Si tratta di cuscinetti volventi con un gioco ridotto rispetto allo spazio magnetico del cuscinetto. Sono progettati per supportare in sicurezza il rotore alla massima velocità e consentirne la rotazione senza contatto con i poli dell'elettromagnete. L'evento di caduta è controllato e la macchina si ferma sui cuscinetti di contatto. Ogni sistema AMB deve includere cuscinetti di contatto e ogni installazione dovrebbe includere un gruppo di continuità (UPS) per fornire energia per una sequenza di rundown ordinata e controllata anziché una caduta immediata, riducendo al minimo l'usura dei cuscinetti di contatto.

In generale, no. I cuscinetti magnetici hanno una capacità di carico inferiore per unità di diametro del cuscinetto rispetto ai cuscinetti a rotolamento o a film fluido. Un cuscinetto volvente con alesaggio di 100 mm potrebbe supportare un carico statico di diverse centinaia di kN; un cuscinetto magnetico di diametro esterno simile supporta forse 10–30 kN a seconda del design dell'elettromagnete e della dissipazione di potenza consentita. Questo è il motivo per cui i cuscinetti magnetici vengono utilizzati raramente in applicazioni che richiedono carichi radiali elevati a velocità moderate: il loro vantaggio sta nell'alta velocità, nella precisione, nella sensibilità alla contaminazione o nel funzionamento esente da manutenzione, non nella capacità di carico grezzo. I rotori per sistemi con cuscinetti magnetici devono essere progettati tenendo presente questa limitazione di carico fin dall'inizio.

I componenti dello statore e del rotore con cuscinetti magnetici (lamierini, bobine e alloggiamenti) non sono parti soggette ad usura e non hanno una durata a fatica definita durante il normale funzionamento, poiché non vi è contatto tra loro. I componenti che limitano l'usura sono i cuscinetti di contatto, che vengono sostituiti secondo un programma preventivo, in genere ogni 3-5 anni o dopo un numero specificato di eventi di caduta del rotore. I componenti elettronici (amplificatori di potenza, schede controller) hanno una durata di servizio prevista di 10-15 anni, con riparazione a livello di componente o sostituzione della scheda secondo necessità. Rapporti sul campo provenienti da installazioni di gasdotti e compressori di processo indicano che i macchinari con cuscinetti magnetici hanno funzionato per oltre 20 anni con l'hardware del cuscinetto originale in servizio, con la sola manutenzione dei cuscinetti touchdown e dell'elettronica.

Sì, i sistemi di cuscinetti magnetici possono essere e vengono utilizzati in aree pericolose classificate ATEX/IECEx. Gli elettromagneti e i sensori all'interno dell'alloggiamento del cuscinetto sono in contatto con il gas di processo e questi componenti possono essere progettati e valutati per l'uso in ambienti con gas infiammabili. Il quadro elettrico e gli amplificatori di potenza si trovano generalmente all'esterno dell'area pericolosa in una stanza sicura, collegati al cuscinetto tramite cavi schermati. Questa separazione dell'elettronica attiva dall'area pericolosa è una pratica standard negli impianti di compressione del gas naturale. Gli utenti devono verificare che la configurazione specifica del prodotto disponga della valutazione dell'area pericolosa appropriata per la propria zona e gruppo di gas.

Entrambi utilizzano forze magnetiche controllate per far levitare un oggetto senza contatto, ma le applicazioni e le scale sono diverse. I sistemi di trasporto Maglev levitano e spingono un intero veicolo ferroviario lungo una guida, richiedendo un’infrastruttura elettromagnetica lineare su larga scala. I cuscinetti magnetici supportano gli alberi rotanti delle macchine – compressori, turbine, mandrini, volani – e sono un componente all’interno di una macchina più grande piuttosto che un sistema di trasporto a sé stante. I principi fisici e di controllo sottostanti sono strettamente correlati; infatti, la ricerca sui cuscinetti magnetici attivi ha contribuito direttamente ai metodi di controllo utilizzati nei moderni sistemi ferroviari commerciali a levitazione magnetica come la linea Transrapid di Shanghai e la SCMaglev giapponese. A livello funzionale, un cuscinetto magnetico è essenzialmente un sistema maglev applicato ad un asse rotante all'interno dell'alloggiamento di una macchina.

Il retrofit è tecnicamente possibile ma richiede un notevole lavoro di ingegneria. Il rotore deve essere modificato o sostituito per aggiungere i perni di atterraggio dei cuscinetti con materiale e geometria appropriati, e l'alloggiamento dei cuscinetti deve essere riprogettato per accogliere gli statori dell'elettromagnete, i sensori e i cuscinetti ausiliari. La dinamica del rotore cambierà con la nuova rigidità dei cuscinetti e le caratteristiche di smorzamento, quindi è necessaria un'analisi rotordinamica completa e una nuova valutazione delle velocità critiche. In alcuni casi, il design del rotore esistente è compatibile con il retrofit dei cuscinetti magnetici; in altri è necessario un nuovo rotore. Diverse aziende, tra cui Waukesha Bearings e SKF Magnetic Mechatronics, hanno eseguito progetti di retrofit su compressori centrifughi e sono disponibili casi di studio pubblicati dagli atti del Turbomachinery and Pump Symposia (Texas A&M University).

La temperatura influisce su diversi componenti di un sistema di cuscinetti magnetici in modi diversi. La densità del flusso rimanente dei magneti permanenti diminuisce con l'aumentare della temperatura: questo è un vincolo di progettazione primario per i cuscinetti ibridi che utilizzano magneti permanenti in terre rare, che possono perdere una significativa capacità di forza a temperature superiori a 150°C. L'isolamento degli avvolgimenti nelle bobine dell'elettromagnete stabilisce un limite superiore di temperatura per lo statore del cuscinetto; l'isolamento ad alta temperatura di classe H o di classe N estende questo valore rispettivamente a 180°C o 200°C. Il materiale di laminazione ferromagnetica perde permeabilità man mano che si avvicina alla temperatura di Curie (circa 770°C per il ferro), riducendo la forza portante a temperature molto elevate. Nella fascia bassa, è fattibile il funzionamento criogenico alle temperature dell’azoto liquido o dell’elio liquido: i turboespansori negli impianti di separazione dell’aria e negli impianti GNL funzionano con cuscinetti magnetici alle temperature del gas di processo criogenico.

Per volume di base installato, il settore della compressione di petrolio e gas/gas naturale è il maggiore utilizzatore industriale di cuscinetti magnetici attivi nelle grandi turbomacchine. Le apparecchiature per il vuoto per la produzione di semiconduttori sono il maggiore utilizzatore per numero di unità. L'edilizia HVAC è un segmento in crescita guidato dall'adozione di refrigeratori con cuscinetti magnetici da parte dei principali marchi. I dispositivi medici, in particolare i dispositivi di assistenza cardiaca impiantabili, rappresentano un mercato piccolo ma di alto valore in cui la tecnologia è diventata lo standard clinico di cura per il supporto avanzato dell’insufficienza cardiaca. Lo stoccaggio dell'energia tramite volani è un segmento emergente con installazioni in crescita nella regolazione della frequenza di rete.