Cojinete magnético

Un cojinete magnético es un tipo de cojinete que soporta una carga mediante levitación magnética . Los cojinetes magnéticos soportan piezas móviles sin contacto físico. Por ejemplo, pueden levitar un eje giratorio y permitir el 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 límite de velocidad relativa.

Los cojinetes activos presentan varias ventajas: no sufren desgaste, tienen baja fricción y, a menudo, pueden compensar automáticamente las irregularidades en la distribución de la 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 alimentación eléctrica, pero su diseño es complejo debido a las limitaciones descritas por el teorema de Earnshaw . Las técnicas que emplean materiales diamagnéticos están relativamente poco desarrolladas y dependen en gran medida de las características del material. En consecuencia, la mayoría de los cojinetes magnéticos son activos, empleando electroimanes que requieren alimentación eléctrica continua y un sistema de control activo para mantener la carga estable. En un diseño combinado, los imanes permanentes se utilizan a menudo para soportar la carga estática, y el cojinete magnético activo se emplea cuando el objeto levitado se desvía de su posición óptima. Los cojinetes magnéticos suelen requerir un cojinete de respaldo en caso de fallo de la alimentación eléctrica o del sistema de control.

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 emplean en la centrífuga tipo Zippe [ ^{1 ] para} el enriquecimiento de uranio y en bombas turbomoleculares , donde los cojinetes lubricados con aceite constituirían 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 genera una corriente en el material que contrarresta el cambio en el campo magnético (conocido como Ley de Lenz ). Esto genera una corriente que produce un campo magnético orientado en sentido opuesto al del imán . El material conductor de electricidad actúa así como un espejo magnético . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

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 separación con su electrónica asociada para proporcionar la retroalimentación necesaria para controlar la posición del rotor dentro de la separación. El amplificador de potencia suministra una corriente de polarización igual a dos pares de electroimanes situados en lados opuestos del rotor. Esta constante interacción es mediada 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 inductivos y funcionan en modo diferencial. Los amplificadores de potencia en una aplicación comercial moderna son dispositivos de estado sólido que operan 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 inestabilidad. Los imanes atractivos generan una fuerza estática inestable que disminuye con la distancia y aumenta al disminuirla. Esto puede provocar el desequilibrio del cojinete. En segundo lugar, dado que el magnetismo es una fuerza conservativa , proporciona poca amortiguación; las oscilaciones pueden provocar la pérdida de la eficacia de la suspensión si existen fuerzas impulsoras.

La tabla que figura a continuación enumera varias patentes antiguas de cojinetes magnéticos activos. Si bien existen patentes anteriores de suspensiones magnéticas, se excluyen aquí porque consisten en conjuntos de imanes permanentes con una estabilidad problemática según el teorema de Earnshaw .

Jesse Beams from the University of Virginia filed some of the earliest active magnetic bearing patents^[12][13] during World War II. The patents dealt with ultracentrifuges intended for the enrichment of isotopes of elements needed for the Manhattan Project. However, magnetic bearings did not mature until advances in solid-state electronics and modern computer-based control technology with the work of Habermann^[14] and Schweitzer.^[15] In 1987, Estelle Croot further improved active magnetic bearing technology,^[16] but these designs were not manufactured due to expensive costs of production, which used a laser guidance system. Estelle Croot's research was the subject of three Australian patents^[17] and was funded by Nachi Fujikoshi, Nippon Seiko KK and Hitachi, and her calculations were used in other technologies that used rare-earth magnets but the active magnetic bearings were only developed to the prototype stage. Croot's^[18] design also included an advance computerised control system, while the last design was a non-linear magnetic bearing.

Mary Kasarda ^{[ 19 ]} revisa en profundidad la historia de los cojinetes magnéticos activos. Señala que la primera aplicación comercial de estos cojinetes se dio en turbomáquinas . El cojinete magnético activo permitió eliminar 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 en los costos de los seguros. 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 digital de cojinetes magnéticos 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. Posteriormente, la empresa fue adquirida 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. ^{[ 20 ]}

Durante la década que comenzó en 1996, la compañía holandesa de petróleo y gas NAM instaló veinte compresores de gas, cada uno accionado por un motor eléctrico de velocidad variable de 23 megavatios. Cada unidad estaba 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 y aumentar su capacidad. 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, empresa que posteriormente fue adquirida por Federal Mogul y ahora forma parte de Waukesha Bearings). Mediante el uso de cojinetes magnéticos activos, una transmisión directa entre el motor y el compresor (sin caja de engranajes intermedia) y la aplicación de sellos de gas secos, se logró un sistema completamente seco (sin 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 rodamientos de bolas) da como resultado un sistema relativamente sencillo con un rango de funcionamiento muy amplio y una alta eficiencia, especialmente a carga parcial. Como se hizo en el yacimiento de Groningen, la instalación completa puede ubicarse al aire libre sin necesidad de un gran edificio para el compresor.

Los cojinetes de imanes permanentes sin contacto con estabilización electromotriz fueron patentados por RG Gilbert en 1955 (Patente estadounidense 2,946,930) ^{[ 21 ]} y por K. Boden y D. Scheffer en 1968 (Patente alemana 1750602). ^{[ 22 ]} Estas invenciones proporcionan la base tecnológica para diversas aplicaciones prácticas, algunas de las cuales han alcanzado la etapa de producción industrial en serie bajo licencia del Forschungszentrum Jülich desde aproximadamente 1980. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Meeks ^{[ 25 ]} 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 emplean imanes permanentes para generar el campo de polarización, son más pequeños y ligeros que los cojinetes puramente electromagnéticos. El sistema de control electrónico también es más pequeño y requiere menos energía eléctrica, ya que 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 el campo, alcanzando su punto álgido 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 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 rodamientos magnéticos donde 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, el Prof. Yohji Okada, el Prof. Gerhard Schweitzer y Michael Swann, de Waukesha Magnetic Bearings, ingresaron al salón de la fama y recibieron premios a la trayectoria profesional.

Entre las ventajas de los cojinetes magnéticos se incluyen una fricción muy baja y predecible, y la capacidad de funcionar sin lubricación y en vacío. Los cojinetes magnéticos se utilizan cada vez más en máquinas industriales como compresores, turbinas, bombas, motores y generadores.

Los cojinetes magnéticos se utilizan comúnmente en los contadores de energía eléctrica para medir el consumo doméstico. También se emplean en aplicaciones de almacenamiento de energía o transporte, y para soportar equipos en el vacío, por ejemplo, en sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Un volante de inercia en el vacío presenta pérdidas por resistencia del aire 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 lograr un bajo nivel de ruido y una marcha suave al eliminar las superficies de contacto físico. Entre sus desventajas se incluyen su elevado coste, su gran peso y su tamaño relativamente grande.

Los cojinetes magnéticos también se utilizan en algunos compresores centrífugos para enfriadoras, donde un eje de material magnético se encuentra entre dichos cojinetes. Una pequeña corriente eléctrica proporciona levitación magnética al eje, que permanece suspendido libremente en el aire, garantizando así una fricción nula 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 tipo cojinete magnético 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 medidor de rotor giratorio (SRG) fue introducido como patrón de referencia por el BIPM de París en 1979. Jesse Beams estableció el primer montaje de laboratorio de este medidor en 1946. La producción comercial en serie comenzó en 1980 bajo licencia del Forschungszentrum Jülich. El SRG es fundamental 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 la suspensión magnética en los dispositivos de asistencia ventricular fue impulsado por el profesor Paul Allaire y el profesor Houston Wood en la Universidad de Virginia, culminando en la primera bomba centrífuga de asistencia ventricular ( VAD ) con suspensión magnética en 1999.

Varios dispositivos de asistencia ventricular utilizan cojinetes magnéticos, incluyendo la bomba cardíaca LifeFlow, ^{[ 28 ]} el sistema de asistencia ventricular izquierda DuraHeart, ^{[ 29 ]} el Levitronix CentriMag, ^{[ 30 ]} y el Berlin Heart . ^{[ 31 ]} 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 áreas de alta tensión de corte (que conduce al daño de los glóbulos rojos) y el estancamiento del flujo (que conduce a la coagulación) en estas bombas de sangre. ^{[ 32 ]} El Berlin Heart INCOR fue el primer dispositivo de asistencia ventricular comercial sin estabilización mecánica o fluidodinámica.

Calnetix Technologies, Synchrony Magnetic Bearings (filial de Johnson Controls International), Waukesha Magnetic Bearings y S2M (filial de SKF) se encuentran entre los principales desarrolladores y fabricantes de cojinetes magnéticos a nivel mundial.

Mediante el uso de un sistema de levitación por inducción, presente en tecnologías de levitación magnética como el sistema Inductrack , los cojinetes magnéticos podrían reemplazar sistemas de control complejos utilizando matrices de Halbach y bobinas de circuito cerrado simples. Estos sistemas son más sencillos, pero presentan menores pérdidas por corrientes parásitas . Para sistemas rotatorios, es posible utilizar imanes homopolares en lugar de estructuras multipolares de Halbach, 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. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} Este es un nuevo tipo de cojinete electromagnético basado en una tecnología magnética pasiva. No requiere electrónica de control para funcionar y funciona porque las corrientes eléctricas generadas por el movimiento producen una fuerza restauradora. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

• Volante
• Levitron
• levitación magnética estabilizada por espín
• rueda electrodinámica

• Schweitzer, G (2002). "Cojinetes magnéticos activos: oportunidades y limitaciones" (PDF) . Actas de la 6.ª Conferencia Internacional IFToMM sobre Dinámica de Rotores . Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2009.
• Chiba, A., Fukao, T., Ichikawa, O., Oshima, M., Takemoto, M., Dorrel, D. (2005). Cojinetes magnéticos y transmisiones sin cojinetes . Newnes.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
• Schweitzer, G., Maslen, H. (2009). Cojinetes magnéticos, teoría, diseño y aplicación a maquinaria rotativa . Springer.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
• Jim Wilson (septiembre de 1999). "Vencer la fricción demoníaca" . Popular Mechanics . Archivado del original el 5 de septiembre de 2008.
• Estelle Croot (1987–1995). Cojinetes magnéticos mejorados . IPAustralia [Entradas de la base de datos de la Oficina de Patentes de Australia].
• T. Lembke (2005). Tesis doctoral «Diseño y análisis de un nuevo cojinete electrodinámico homopolar de bajas pérdidas» (PDF) . Estocolmo: Universitetsservice US AB. ISBN 91-7178-032-7.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: ubicación del editor ( enlace )
• Fremerey, Johan K. (2000). "Cojinetes de imanes permanentes" .

• Biblioteca Digital de Modelos Cinemáticos para el Diseño (KMODDL) : vídeos y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento en la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño e ingeniería mecánica.
• MADYN2000, un software de dinámica de rotores, permite el diseño asistido por ordenador de controladores de cojinetes magnéticos y proporciona múltiples informes analíticos sobre la calidad del diseño.