หลักการทำงานและการจำแนกประเภทของแบริ่งแม่เหล็ก

 

ตลับลูกปืนแม่เหล็กระบบสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทตามหลักการทำงาน ได้แก่ ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟ ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟ และตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบไฮบริด

 

ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟ

 

แบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ควบคุมได้เพื่อยกเพลาหมุน ซึ่งประกอบด้วยโรเตอร์ โซลินอยด์ เซ็นเซอร์ ตัวควบคุม และตัวขยายกำลังเป็นหลัก โซลินอยด์ติดตั้งอยู่บนสเตเตอร์ที่แขวนอยู่ในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กไฟฟ้าที่จัดวางในแนวสมมาตรรัศมี โดยแต่ละแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีเซ็นเซอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของเพลาอย่างต่อเนื่อง สัญญาณที่ส่งออกจากเซ็นเซอร์ ด้วยความช่วยเหลือของระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ จะปรับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อควบคุมแรงดึงดูดของแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เพลาหมุนทำงานในสภาวะที่เสถียรและสมดุล และบรรลุข้อกำหนดด้านความแม่นยำบางประการ

 

แบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟสามารถแบ่งออกเป็นแบบควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้าและแบบควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าตามวิธีการควบคุมที่แตกต่างกัน และสามารถแบ่งออกเป็นแบริ่งแม่เหล็กแบบรัศมีและแบริ่งแม่เหล็กแบบแกนตามวิธีการรองรับที่แตกต่างกัน ปัจจุบัน ในบรรดาแบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟ แบริ่งแม่เหล็กแบบควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้า (DC controlled magnetic bearing) เป็นชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

 

โดยทั่วไปแล้ว ส่วนประกอบเชิงกลของแบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟจะประกอบด้วยแบริ่งรัศมีและแบริ่งแกน โดยแบริ่งรัศมีประกอบด้วยสเตเตอร์ (แม่เหล็กไฟฟ้า) และโรเตอร์ ส่วนแบริ่งแกนประกอบด้วยสเตเตอร์ (แม่เหล็กไฟฟ้า) และแผ่นรับแรงผลัก

 

เนื่องจากตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟมีข้อดีคือ ตำแหน่งของโรเตอร์ ความแข็งของตลับลูกปืน และการหน่วงสามารถกำหนดได้ด้วยระบบควบคุม จึงเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในด้านการลอยตัวด้วยแม่เหล็ก และการวิจัยเกี่ยวกับตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟจึงเป็นจุดสนใจของการวิจัยเทคโนโลยีการลอยตัวด้วยแม่เหล็กมาโดยตลอด หลังจากความพยายามอย่างหนักมาหลายปี ทฤษฎีและวิธีการออกแบบก็มีความสมบูรณ์มากขึ้นเรื่อยๆ

 

แบริ่งแม่เหล็กแบบพาสซีฟ

 

ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟมีข้อดีเฉพาะตัว คือ ขนาดเล็ก ไม่ใช้พลังงาน และมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟและตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟคือ แบบพาสซีฟไม่มีระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ แต่ใช้คุณสมบัติของสนามแม่เหล็กเองในการยกเพลาหมุน ปัจจุบัน ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ ตลับลูกปืนแม่เหล็กถาวร ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ แบบผลักและแบบดูด

 

แบริ่งแม่เหล็กถาวรแบบพาสซีฟสามารถใช้ได้ทั้งเป็นแบริ่งรัศมีและแบริ่งแรงผลัก (แบริ่งแกน) ซึ่งทั้งสองแบบสามารถเป็นแบบดูดหรือแบบผลักได้ ขึ้นอยู่กับทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและตำแหน่งสัมพัทธ์ของวงแหวนแม่เหล็ก แบริ่งแม่เหล็กถาวรจะมีโครงสร้างวงจรแม่เหล็กที่หลากหลาย แต่มีโครงสร้างพื้นฐานอยู่สองแบบ

 

แบริ่งแม่เหล็กแบบพาสซีฟอีกประเภทหนึ่งนั้นใช้หลักแรงดูด ซึ่งกระทำระหว่างส่วนประกอบแม่เหล็กอ่อนที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก เมื่อส่วนประกอบโรเตอร์เคลื่อนที่ในแนวรัศมี แรงดูดจะเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานแม่เหล็ก ดังนั้นจึงเรียกว่า "แบริ่งต้านทานแม่เหล็ก" แบริ่งชนิดนี้สามารถออกแบบได้โดยที่ส่วนที่เป็นแม่เหล็กถาวรไม่หมุน และมีเพียงส่วนที่เป็นเหล็กอ่อนเท่านั้นที่หมุน ทำให้ระบบมีความเสถียรมากขึ้น

 

การผสมผสานระหว่างคุณสมบัติการรักษาเสถียรภาพของแบริ่งแบบรีลักแทนซ์และโซลินอยด์แบบแอคทีฟ ส่งผลให้เกิดระบบแบริ่งแม่เหล็กที่มีการใช้พลังงานน้อยที่สุด

 

ตลับลูกปืนแม่เหล็กไฮบริด

 

ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบไฮบริดนั้นเกิดขึ้นจากการผสมผสานระหว่างตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟ ตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบพาสซีฟ และโครงสร้างเสริมอื่นๆ ที่ช่วยรองรับและรักษาเสถียรภาพ ซึ่งเป็นระบบตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบผสมผสานที่คำนึงถึงคุณลักษณะโดยรวมของทั้งตลับลูกปืนแม่เหล็กแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ

 

แบริ่งแม่เหล็กแบบไฮบริดใช้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กถาวรมาแทนที่สนามแม่เหล็กไบแอสคงที่ของแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยลดการใช้พลังงานของเครื่องขยายเสียงได้อย่างมาก แต่ยังช่วยลดจำนวนแอมแปร์เทิร์นของแม่เหล็กไฟฟ้าลงครึ่งหนึ่ง ลดขนาดของแบริ่งแม่เหล็ก และเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้อีกด้วย

 

เนื่องจากสนามแม่เหล็กไบแอสถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวร และสนามแม่เหล็กควบคุมถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กไฟฟ้า ตลับลูกปืนแม่เหล็กไฮบริดแบบเยื้องศูนย์ด้วยแม่เหล็กถาวรจึงมีข้อดีดังต่อไปนี้:

 

1) แม่เหล็กถาวรใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กคงที่แบบไบแอส ในขณะที่แม่เหล็กไฟฟ้าทำหน้าที่เพียงสร้างสนามแม่เหล็กควบคุมเพื่อปรับสมดุลโหลดหรือการรบกวนจากภายนอก ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากกระแสไบแอสของระบบและลดความร้อนของขดลวดได้

 

2) จำนวนรอบที่จำเป็นสำหรับแม่เหล็กไฟฟ้าของแบริ่งแม่เหล็กแบบไฮบริดนั้นน้อยกว่าแบริ่งแม่เหล็กแบบแอคทีฟมาก ซึ่งเอื้อต่อการลดปริมาตรของแบริ่งแม่เหล็กและประหยัดวัสดุ แบริ่งชนิดนี้มีข้อดีคือขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และประสิทธิภาพสูง เหมาะสำหรับงานที่ต้องการขนาดเล็กและงานที่ต้องการความกะทัดรัด