Магнитная подвеска: разновидности, устройство и принцип работы

В процессе постоянного усовершенствования ходовой части автомобиля ученые и инженеры разработали уникальную магнитную подвеску. Некоторые ее варианты уже устанавливаются на автомобилях премиум-класса, остальные пока нашли применение лишь на опытных образцах. Из статьи узнаем, что такое магнитная подвеска: ее виды, характеристики, преимущества и недостатки, отличия от других типов подвесок.

Все, что нужно знать о магнитной подвеске

Электромагнитная подвеска — это довольно сложное устройство в виде стойки на каждое колесо, заменяющее пружину и амортизатор. Управляется она электронным блоком и предназначена для обеспечения более высокой плавности хода автомобиля.

Отличие магнитной подвески от классических ее предшественниц заключается в возможности работы при полном отсутствии пружин, торсионов, стабилизаторов, амортизаторов и других вспомогательных элементов. Здесь функции этих компонентов выполняют электромагнитные клапаны или магнитно-реологическая жидкость. Хотя некоторые подвески оснащены пружинами и амортизаторами на случай, если выйдет из строя автоматическая система управления.

Если в гидравлических подвесках функциональным элементом служит специальная жидкость, в механических – упругие элементы (пружины), в пневматических – воздух, то в случае магнитного аналога эта роль отводится электромагнитам. Фактически это позволяет автолюбителю отслеживать все показатели положения кузова и колес в режиме реального времени.

Преимущества и недостатки магнитной подвески

Достоинства магнитной подвески исходят из самого ее предназначения. К ним относятся:

• высокая плавность хода автомобиля
• устойчивость автомобиля при движении на больших скоростях
• высокий уровень комфорта и безопасности при движении по различным поверхностям
• рациональное использование энергетических ресурсов машины

На сегодняшний день главным недостатком такого вида подвески является лишь ее высокая стоимость.

Виды магнитных подвесок

В настоящее время известны три крупных мировых бренда, выпускающие магнитные подвески:

Остановимся на каждом из них более подробно.

Магнитная подвеска SKF

Электромагнитная подвеска, созданная шведской компанией, представлена в виде капсулы. Капсула состоит из двух электромагнитов. На основе данных со всех датчиков, собранных бортовым компьютером, корректируется жесткость демпфирующего элемента. Это позволяет выбрать оптимальный режим движения автомобиля.

Магнитная стойка SKF

Ключевой задачей, которая была поставлена перед шведскими специалистами при разработке своего варианта магнитной подвески, являлось достижение простоты и надежности конструкции.

В случае неисправности системы управления подвеска продолжает функционирование за счет пружины. Возможность перехода из автоматического режима в механический является главным преимуществом подвески SKF. Кроме того, устройство подвески позволяет избежать эффекта проседания при длительной стоянке машины.

Подвеска Delphi

В варианте от Delphi подвеска представлена в виде однотрубного амортизатора, заполненного магнитно-реологической жидкостью. Размер магнитных частиц в составе не превышает десяти микрон. Особое покрытие, добавленное в раствор в пропорции «один к трем», препятствует слипанию частиц между собой.

Передний и задний магнитные амортизаторы Delphi

Поршень амортизатора, управляемый электронным блоком, содержит в себе электромагнит. При подаче управляющего сигнала образуется магнитное поле и частицы принимают упорядоченную структуру. Вязкость жидкости увеличивается. Режим работы амортизатора меняется — он становится более жестким.

Главным преимуществом подвески является скорость реакции, не превышающая 1 м/с. Помимо этого при неисправности системы управления подвеска будет функционировать за счет гидравлического амортизатора. Это обеспечивает безопасность при управлении транспортным средством.

Электромагнитная подвеска Bose

Магнитная подвеска, разработанная ученым Арамом Боузом (да-да, именно тем, кто также производит премиальное музыкальное оборудование), является одной из самых популярных и обсуждаемых. В его трактовке устройство представлено линейным электродвигателем, который, в зависимости от режима движения, работает как упругий или демпфирующий элемент.

Отличительная особенность этой подвески – быстрота действия за счет работы магнитного штока. Амортизационный шток с установленными на нем постоянными магнитами совершает возвратно-поступательные движения по длине обмотки статора, расположенного в корпусе.

Устройство сглаживает колебания при движении на неровных участках дороги. Это обеспечивает повышение эффективности управления транспортным средством.

Стойки от Bose

Подвеска Bose предусматривает большой диапазон различных настроек:

• в процессе прохождения виража водитель может подобрать схему сигналов бортового компьютера таким образом, что опорным выступит заднее внешнее колесо
• в повороте подвеска перенесет нагрузку на переднее внешнее колесо

Это обеспечивает повышенный контроль над управлением транспортным средством независимо от типа покрытия дороги.

Еще одной особенностью подвески Bose является режим «электрогенератор». При движении автомобиля по прямой колебания, вызванные неровностью дороги, превращаются в электрическую энергию. При этом электроэнергия не рассеивается в пространстве, а концентрируется в аккумуляторных батареях для дальнейшего применения.

К сожалению, не весь потенциал подвески Bose реализован до конца. Процесс тормозит разработка программного обеспечения.

Заключение

Магнитная подвеска, безусловно, позволяет добиться нового качества управления автомобилем. Она обеспечивает комфорт, хорошую управляемость и безопасность на дороге. В промышленных масштабах только очень крупные компании устанавливают на свои автомобили адаптивную электромагнитную подвеску. Например, магнитно-реологическая жидкость (как в подвеске Delphi) применяется в следующих адаптивных подвесках:

• MagneRide от General Motors (Cadillac, Chevrolet);
• Magnetic Ride от Audi.

Но прогресс движется очень стремительно. Технологии развиваются так быстро, что совсем скоро можно будет увидеть данное ноу-хау и на доступных бюджетных моделях, распространенных по всему миру.

Материалы: http://techautoport.ru/hodovaya-chast/podveska/magnitnaya-podveska.html

Пассивные магнитные подшипники (подвесы) на постоянных магнитах

В системе тел, взаимодействующих посредством полей, потенциал которых изменяется обратно пропорционально расстоянию от источника, и не способных к изотропному вытеснению полей взаимодействия из занимаемого пространства, устойчивое равновесие невозможно.

К полям, потенциал которых убывает пропорционально расстоянию от источника, относятся, в частности, гравитационное, магнитостатическое и электростатическое поле. Чтобы получить устойчивое равновесие в таких полях, необходимо сконструировать систему с минимумом потенциальной энергии в точке равновесия, т. е. создать в некоторой области пространства вокруг этой точки "потенциальную яму". Для этого можно использовать неоднородные среды, а также материалы, относительная диэлектрическая или относительная магнитная проницаемость которых меньше, чем у окружающей их среды. Если окружающей средой является воздух (вакуум), то устойчивое равновесие можно получить только в магнитостатическом поле, используя диамагнетики или сверхпроводники. Однако, поскольку относительная магнитная проницаемость известных диамагнетиков мало отличается от единицы, то и сила, возвращающая тело к положению равновесия, будет невелика. А использование сверхпроводящих материалов ограничено необходимостью их существенного охлаждения. Поэтому в практических конструкциях магнитных подшипников на постоянных магнитах имеется, как правило, хотя бы одна степень свободы, в направлении которой равновесие невозможно.

Схемы пассивных магнитных подшипников

Радиальные магнитные подшипники на постоянных магнитах

1. 2. 3.

Рис. 1. Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных аксиально.

1. 2. 3.

Рис. 2. Радиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных радиально.

Все радиальные магнитные подшипники имеют поперечную (радиальную) жесткость и неустойчивы в осевом направлении.

Аксиальные магнитные подшипники на постоянных магнитах

1. 2. 3.

Рис. 3. Аксиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных аксиально.

1. 2. 3.

Рис. 4. Аксиальные магнитные подшипники из цилиндрических и кольцевых магнитов, намагниченных радиально.

Все аксиальные магнитные подшипники имеют продольную (осевую) жесткость и неустойчивы в радиальном направлении.

На рис. 5 показан макет устройства, состоящего из вала с двумя пассивными радиальными магнитными подшипниками.

Рис. 5. Макет устройства с двумя пассивными радиальными магнитными подшипниками.

Каждый из подшипников состоит из двух постоянных магнитов - наружного кольцевого и внутреннего цилиндрического, намагниченных аксиально (схема 3 рис. 1). Для того, чтобы обеспечить устойчивость вала в осевом направлении, использована шаровая опора. С помощью регулировочного винта можно выставлять положение магнитов друг относительно друга таким образом, чтобы максимально уменьшить нагрузку на опору и снизить момент трения.

Намагничивание постоянных магнитов осуществлялось в установках намагничивания [5].

1. Eric Maslen. Magnetic Bearings. University of Virginia, Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering, Charlottesville, Virginia, 2000.
2. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.: ил.
3. Магнитные подшипники и подвесы
4. Постоянные магниты: Справочник / Альтман А. Б., Герберг А. Н., Гладышев П. А. и др.; Под ред. Ю. М. Пятина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 488 с., ил.
5. Установки импульсного намагничивания и размагничивания постоянных магнитов

• Аксиальный подшипник - осесимметричный подшипник, создающий противодействие продольным (осевым) нагрузкам.
• Ирншоу теорема (запрет) - правило невозможности устойчивого равновесия в системе тел, взаимодействующих посредством полей, потенциал которых изменяется обратно пропорционально расстоянию от источника, и не способных к изотропному вытеснению полей взаимодействия из занимаемого пространства.
• Магнитный подвес - устройство для разгрузки опоры, действующее за счет сил магнитного притяжения или отталкивания.
• Магнитный подшипник - подшипник, принцип работы которого основан на использовании сил магнитного притяжения или отталкивания.
• Подшипник - узел, соединяющий отдельные элементы конструкции, обеспечивающий им некоторое количество степеней свободы друг относительно друга.
• Радиальный подшипник - осесимметричный подшипник, создающий противодействие поперечным (радиальным) нагрузкам.

Материалы: http://imlab.narod.ru/M_Fields/PM_Bearings/PM_Bearings.htm

Магнитный подшипник (подвес) работает, основываясь на принципе левитации. Левитация создается магнитным и электрическим полем.

Магнитные подшипники осуществляют работу вала, его вращение, без какого-либо контакта с любой поверхностью.

Это позволяет полностью исключить наличие смазочного материала и в целом всю систему смазки из работы данного механизма. Отсюда следует главное достоинство этого типа подшипников- отсутствие износа и трения.

Помимо этого качества, специалисты также оценивают и тот факт, что электромагнитные подшипники позволяют контролировать ротор. Магнитные подшипники бывают активными и пассивными.

Пассивные магнитные подшипники – это подшипники с постоянным магнитом. В силу технологического несовершенства на практике применяются редко.

Активные магнитные подшипники – это подшипники с переменным магнитным полем, то есть с полем создаваемым сердечником и обмоткой.

Общая характеристика магнитных подшипников

В активных магнитных подшипниках (АМП), ток в электромагнитах регулируется системой автоматического управления, которая получает сигналы от датчиков перемещения ротора. Обычно бесконтактный подвес ротора осуществляется с помощью либо двух конических, либо с помощью двух радиальных и одного осевого активного магнитного подшипника. Системы управления работают как на аналоговой, так и на более современной цифровой обработке сигналов.

К выделяющим их из ряда аналогов качествам, можно отнести следующие преимущества:

1. Являются механически прочными.
2. Обладают достаточно высокой грузоподъемностью.
3. В широких диапазонах можно изменить демпфирование и жесткость.
4. Конструкция подшипников позволяет использовать их в особых условиях (при низких и высоких температурах, в вакууме, при больших скоростях вращения, а также в стерильных условиях).
5. Конструкция обеспечивает устойчивую неконтактную подвеску тела.

Однако помимо достоинств, у магнитных подшипников есть и свои недостатки. Во-первых, это нуждаемость магнитных подшипников во вспомогательных подшипниках. Обычно для этой цели используют подшипники качения. Вспомогательные подшипники используют в качестве страховочных для случая, если вдруг пропадет, по техническим причинам, магнитное поле. Поскольку в таком случае, если не будет страховочных подшипников, то потеря управления над ротором может повлечь за собой очень серьезные последствия.Начиная от повреждения обмоток подшипника и заканчивая выводом из строя устройств находящихся внутри корпуса. Поэтому в магнитных подшипниках всегда предусмотрена такая система подшипников качения, которая выполняет защитную функцию и способна выдержать 1-2 отказа магнитных подшипников, после чего требуется их замена.

Во-вторых, это внутренняя неустойчивость магнитного поля. Для устранения этой неустойчивости, которая заключается в стабильном удерживании ротора магнитным полем, применяются специальные системы управления. Их устройство очень сложное и имеет в своем составе конструктивно слабые механизмы для исправления неполадок. В связи с этим, данную внутреннюю неустойчивость принято, в основном, ликвидировать вспомогательными подшипниками.

Третьим недостатком можно назвать повышенную температуру обмотки подшипника. Часто бывает так, что для лучшего контроля работы ротора необходим дополнительный ток. Тем самым повышенная сила тока, повышает температуру обмотки. А, как известно чем выше температура проводника, тем большее сопротивление он имеет.

Таким образом, температура обмотки увеличивается с каждым циклом, и избежать этого или отвести как-то тепло от отмотки, включив в конструкцию подшипника какой-либо элемент для этого, не представляется возможным. Единственное решение – это снабжение магнитного подшипника отдельной жидкостной системой охлаждения.

И последним весомым недостатком магнитного подшипника является его металлоемкость. Для того чтобы максимально преобразовать электрический ток в поддерживающую ротор магнитную силу, необходимо создание большой несущей поверхности и значительной силы тока. Это достигается путем увеличения сердечника. Помимо того что это вызывает падение резонансной частоты всей динамической системы ротора, это еще и влечет за собой увеличение массы подшипника в целом.

Кроме того, во многих магнитных подшипниках возможно явление насыщения. Это явление наблюдается, когда дополнительный ток перестает превращаться в дополнительную магнитную силу, вследствие чего подшипник уже не обладает необходимой силой для поддержания ротора. Это явление возникает вследствие появления токов Фуко в обмотке магнита. В зависимости от частоты вращения, потери на токи Фуко меняются.

Потери на токи Фуко, Нм

Частота вращения, 1/мин

Магнитные подшипники используются в таких системах как:

1. Электрогенераторы высокоскоростные.

2. Измерительные и контрольные приборы.

3. Станки (шлифовальные, фрезерные, полировальные) с частотой вращения вала до 100000 об./мин.

4. Высокотехнологичное оборудование для физических лабораторий.

5. Криогенная техника.

6. Вакуумные установки.

В настоящее время использование магнитных подшипников, наиболее перспективно в лазерных системах и оптике высокой точности. Ведущие компании по производству магнитных подшипников успешно работают над их разработкой уже с середины 50-х годов прошлого столетия.

Материалы: http://abearing.ru/article/magnit