پروژه ساخت بیرینگ مغناطیسی

پروژه ساخت بیرینگ مغناطیسی

حیدر یارویسی

 در حال حاضر پروژه ساخت این وسیله پیشرفته توسط متخصصین شرکت نفت فلات قاره در منطقه قشم در دست انجام می‌باشد. ساخت نمونه اولیه بیرینگ مغناطیسی فعال پایان یافته و آزمایش‌های نهایی در حال انجام می‌باشد. پس از این مرحله، نصب در شرایط صنعتی در دستور کار قرار خواهد گرفت.

 هدف از طراحی و به‌کارگیری تکنولوژی بیرینگ مغناطیسی فعال (AMB)، برطرف نمودن معایب موجود در بیرینگ‌های متعارف می‌باشد. ویژگی بزرگ این بیرینگ‌ها، کار در سرعت‌های بسیار بالا و بدون استفاده از سیستم روغن‌کاری است. بیرینگ‌های مغناطیسی با بهره‌گیری از یک کنترلر جریان الکتریکی، معلق شدن شفت موتورها، کمپرسور‌‌ها و یا پمپ‌‌ها را در مرکز فضای چرخش امکان‌پذیر می‌سازند. عدم وجود تماس مکانیکی بین سطح دوار و سطح ثابت بدنه، امکان دستیابی به سرعت‌های بسیار بالا و کاهش شدید تعمیرات دوره‌ای به دلیل نبود سایش را فراهم می‌آورد. با حذف تلفات اصطکاک، سر و صدا، لرزش و مصرف انرژی نیز کاهش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد.

به‌طور کلی، تجهیزات دوار در صنایع کاربرد بسیاری دارند و تمام این تجهیزات به دلیل وجود بخش‌های متحرک نیاز به تعمیر و نگهداری دارند و باعث ایجاد نویز صوتی و مصرف بالای انرژی می‌شوند. بیرینگ یکی از مهم‌ترین بخش‌های این تجهیزات است که وظیفه تعلیق بخش متحرک را به عهده دارد. بیرینگ‌های مکانیکی متعارف مثل Ball Bearing، Roll Bearing و Bush Bearing به دلیل وجود اصطکاک، اکثر مشکلات مربوط به تعمیر و نگهداری در تجهیزات دوار را به خود اختصاص می‌دهد و در بیرینگ‌های هیدرولیکی (Oil Film Bearing) نیز به علت پیچیدگی سیستم و فشار زیاد روغن حجم بالایی از کار تعمیر و نگهداری با هزینه بالا باید انجام شود. ضمناً به دلیل تلفات ناشی از اصطکاک، میزان مصرف انرژی نیز افزایش پیدا کرده و همچنین باعث ایجاد محدودیت در سرعت بالا می‌گردد. لذا واضح است در صورت حذف عامل اصطکاک مزایای زیادی برای تجهیزات دوار به وجود می‌آید. با استفاده از بیرنگ‌های مغناطیسی فعال می‌توان عامل اصطکاک را حذف کرد. در این بیرینگ‌ها عملاً هیچ تماسی بین بخش دوار و ثابت وجود ندارد و بخش دوار به کمک نیروی مغناطیسی در هوا معلق می‌ماند و همچنین هیچ محدودیتی برای سرعت وجود نخواهد داشت.

به‌طور کلی بیرینگ‌های مغناطیسی در سه نوع غیرفعال، فعال و هیبریدی تقسیم بندی می‌گردند. در نوع غیرفعال آنها، به منظور معلق کردن شفت از آهنرباهای دایمی که میدان مغناطیسی ثابتی دارند استفاده می‌شود. در نوع فعال آن‌‌ها از آهنرباهای الکتریکی (Electro Magnet) برای ایجاد میدان استفاده می‌شود که شدت میدان آن‌‌ها را می‌توان با تغییر جریان بر اساس نیاز پروسه تنظیم کرد و نوع هیبریدی که از هر دو نوع قبلی سود می‌برد. در مقاله حاضر که با هدف استفاده از این تکنولوژی از نوع فعال در صنایع نفت وگاز تنظیم شده، اصول طراحی و ساخت بخش‌های مختلف این وسیله بیان گردیده است.

 

ساختار کلی بیرینگ مغناطیسی فعال

این بیرینگ‌ها شامل چند بخش اصلی می‌شوند که به ترتیب: الکترومگنت‌های شعاعی(Radial Bearing) و محوری(Thrust Bearing)، سنسورهای موقعیت(Position Sensor)، سیستم کنترل (Control System) و تقویت‌کننده‌های قدرت(Power Amplifier) می‌باشند.

همچنین برای کامل شدن بیرینگ مغناطیسی نیاز است تغییراتی روی شفت نیز ایجاد شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است یک دیسک و ورقه‌های فرومغناطیسی (Ferro Magnetic) روی شفت نصب شده‌اند (بخش قرمز رنگ). دیسک نصب شده که از جنس مواد فرومغناطیس است به عنوان مسیر میدان مغناطیسی حاصل از بیرینگ محوری روی شفت استفاده می‌شود. چگونگی ایجاد این شار مغناطیسی در ادامه توضیح داده خواهد شد. ورقه‌های از جنس مواد فرومغناطیس نیز به تقویت میدان مغناطیسی حاصل از بیرینگ‌های شعاعی روی بدنه روتور کمک زیادی می‌کنند.

مکانیزم کار یک سیستم کامل بیرینگ مغناطیسی که شامل دو عدد بیرینگ شعاعی در دو سر شفت و یک عدد بیرینگ محوری در یکی از دو سر شفت می‌باشد به این صورت است که سنسورهای موقعیت که حداقل ۳ عدد می‌باشند (دو عدد برای بیرینگ‌های شعاعی و یک عدد برای بیرینگ‌های محوری)، موقعیت شفت را با دقت بسیار بالا برای سیستم کنترل فراهم می‌کند. سپس سیستم کنترل با تنظیم جریان الکترومگنت‌ها، شدت میدان مغناطیسی را کنترل می‌نماید به‌طوری که شفت در مرکز فضای چرخش ثابت بماند. همین کار برای بیرینگ محوری نیز انجام می‌شود و با استفاده از یک سنسور که در راستای محور شفت و در یکی از دو سر شفت نصب شده است، موقعیت محوری شفت نیز آشکار می‌شود تا سیستم کنترل بتواند به درستی جریان الکترومگنت‌های محوری را تنظیم نماید. به علت ضعیف بودن سیگنال کنترلی تولید شده توسط سیستم کنترل، این سیگنال نمی‌تواند به صورت مستقیم به الکترومگنت‌‌ها اعمال شود، پس لازم است که توان این سیگنال کنترل با نسبتی مشخص تقویت گردد که این کار توسط تقویت‌کننده‌های قدرت انجام می‌شود.

 

ساختار کلی بیرینگ مغناطیسی فعال

 نصب بیرینگ مغناطیسی روی تجهیزات دوار می‌تواند تأثیر زیادی در افزایش کارایی آن‌‌ها داشته باشد. به خصوص در صنایع نفت و گاز که تجهیزات دوار نظیر توربو ژنراتورها، توربو اکسپاندرها، توربو کمپرسور‌‌ها و الکتروموتورهای پر قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند، این تکنولوژی می‌تواند باعث کاهش حداقل ۲۰ درصدی مصرف انرژی شود. علت اصلی به وجود آمدن سر و صدا در تجهیزات دوار، بیرینگ مکانیکی آن‌‌ها و لرزش‌های ناشی از خرابی این بیرینگ‌ها است. استفاده از بیرینگ‌های مغناطیسی به جای بیرینگ‌های مکانیکی با توجه به عدم تماس بخش ثابت و دوار و قابلیت کنترل لرزش با تنظیم درست پارامترهای سیستم کنترل، می‌تواند سروصدا را به حداقل میزان ممکن برساند.

در این بیرینگ‌ها سیستم روغن کاری حذف می‌گردد که این خود مزیت بزرگی را نسبت بیرینگ‌های مکانیکی و هیدرولیکی ایجاد می‌کند. در بیرینگ‌های مکانیکی پمپ‌های بزرگ مثل پمپ‌های صادرات نفت نیاز است یک مسیر برای گردش و خنک کاری روغن با استفاده از پمپ روغن و رادیاتور ایجاد شود. ایجاد این مسیر نیاز به تعمیرات را اضافه نموده و اطمینان پذیری سیستم را پایین می‌آورد به این صورت که اگر پمپ روغن از کار بیفتد یا رادیاتور سوراخ شود، پمپ صادرات نفت نیز از سرویس خارج می‌گردد. برای بیرینگ‌های هیدرولیک نیز به دلیل بالا بودن فشار روغن، پمپ روغن قوی تر و خنک کاری سریع‌تری نیاز است که در بیرینگ مغناطیسی به هیچ یک از این‌‌ها نیازی نمی‌باشد.

یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های بیرینگ‌های مغناطیسی قابلیت کار در سرعت‌های بسیار بالا است. مهم‌ترین عامل محدود کننده سرعت در بیرینگ‌های مکانیکی اصطکاک است که سرعت چرخش در این بیرینگ‌ها را تا ۳۰۰۰ دور بر دقیقه محدود کرده است. به علت حذف اصطکاک در بیرینگ‌های مغناطیسی می‌توان سرعت را بسیار بالاتر یعنی در حدود ۵۰۰۰۰ دور بر دقیقه رساند که میزان دقیق آن بستگی به وضعیت ایرودینامیک روتور و توانایی تحمل نیروی گریز از مرکز اجزای آن دارد. این قابلیت باعث می‌شود بیرینگ مغناطیسی گزینه مناسبی برای استفاده در تجهیزات دوار پر سرعت مثل توربین‌‌ها باشد.

 

بیرینگ‌های مغناطیسی فعال یک قابلیت منحصر به فرد دارند که آن تنظیم پارامترهای فنریت (Stiffness) و میرایی (Damping) می‌باشد. این پارامتر‌‌ها در بیرینگ‌های مکانیکی بسته به نوع متریال مورد استفاده در آن‌‌ها تعیین گردیده و ثابت می‌باشند. در حالی که در یک بیرینگ مغناطیسی فعال می‌توان به راحتی و با تغییر پارامترهای کنترلر براساس نیاز پروسه آن‌‌ها را تغییر داد.