Rodamiento magnético: tipos, cómo funciona y aplicaciones clave

Cuando se pierde energía en un cojinete magnético activo, el rotor cae sobre los cojinetes auxiliares (de contacto). Se trata de rodamientos con un juego reducido respecto a la holgura del rodamiento magnético. Están diseñados para soportar de forma segura el rotor a máxima velocidad y permitirle girar sin contacto con los polos del electroimán. Se controla el evento de caída y la máquina se detiene sobre los cojinetes de contacto. Se requiere que cada sistema AMB incluya cojinetes de contacto, y cada instalación debe incluir una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) para proporcionar energía para una secuencia de parada ordenada y controlada en lugar de una caída inmediata, lo que minimiza el desgaste de los cojinetes de contacto.

En general, no. Los rodamientos magnéticos tienen una capacidad de carga menor por unidad de diámetro del rodamiento que los rodamientos o los rodamientos de película fluida. Un rodamiento con un diámetro interior de 100 mm podría soportar una carga estática de varios cientos de kN; un cojinete magnético de diámetro exterior similar soporta quizás entre 10 y 30 kN, según el diseño del electroimán y la disipación de potencia permitida. Esta es la razón por la que los rodamientos magnéticos rara vez se utilizan en aplicaciones que requieren altas cargas radiales a velocidades moderadas; su ventaja es la alta velocidad, la precisión, la sensibilidad a la contaminación o el funcionamiento sin mantenimiento, no la capacidad de carga bruta. Los rotores para sistemas de cojinetes magnéticos deben diseñarse teniendo en cuenta esta limitación de carga desde el principio.

Los componentes del estator y del rotor del cojinete magnético (las laminaciones, las bobinas y las carcasas) no son piezas de desgaste y no tienen una vida de fatiga definida en funcionamiento normal, porque no hay contacto entre ellos. Los componentes que limitan el desgaste son los cojinetes de contacto, que se reemplazan según un cronograma preventivo, generalmente cada 3 a 5 años o después de un número específico de caídas del rotor. Los componentes electrónicos (amplificadores de potencia, placas controladoras) tienen una vida útil prevista de 10 a 15 años, con reparación a nivel de componentes o reemplazo de placas según sea necesario. Los informes de campo de instalaciones de compresores de procesos y tuberías indican que la maquinaria con cojinetes magnéticos ha funcionado durante más de 20 años con el hardware de cojinetes original en servicio, con solo mantenimiento electrónico y de cojinetes de contacto.

Sí, los sistemas de cojinetes magnéticos pueden usarse y se usan en áreas peligrosas clasificadas como ATEX/IECEx. Los electroimanes y sensores dentro de la carcasa del cojinete están en contacto con el gas de proceso y estos componentes pueden diseñarse y evaluarse para su uso en entornos de gases inflamables. El gabinete de control y los amplificadores de potencia generalmente se ubican fuera del área peligrosa en una habitación segura, conectados al rodamiento mediante cables apantallados. Esta separación de la electrónica activa de la zona peligrosa es una práctica estándar en las instalaciones de compresión de gas natural. Los usuarios deben verificar que la configuración específica del producto tenga la evaluación de área peligrosa adecuada para su zona y grupo de gas.

Ambos utilizan fuerzas magnéticas controladas para hacer levitar un objeto sin contacto, pero las aplicaciones y escalas son diferentes. Los sistemas de transporte Maglev levitan e impulsan un vehículo ferroviario completo a lo largo de una vía, lo que requiere una infraestructura electromagnética lineal a gran escala. Los cojinetes magnéticos sostienen los ejes giratorios de las máquinas (compresores, turbinas, husillos, volantes) y son un componente dentro de una máquina más grande en lugar de un sistema de transporte en sí mismos. La física subyacente y los principios de control están estrechamente relacionados; de hecho, la investigación sobre rodamientos magnéticos activos contribuyó directamente a los métodos de control utilizados en los modernos sistemas ferroviarios comerciales de levitación magnética, como la línea Shanghai Transrapid y la línea japonesa SCMaglev. A nivel funcional, un rodamiento magnético es esencialmente un sistema Maglev aplicado a un eje giratorio dentro de la carcasa de una máquina.

La modernización es técnicamente posible pero requiere un importante trabajo de ingeniería. El rotor debe modificarse o reemplazarse para agregar muñones de apoyo con el material y la geometría adecuados, y la carcasa del cojinete debe rediseñarse para acomodar los estatores electromagnéticos, los sensores y los cojinetes auxiliares. La dinámica del rotor cambiará con las nuevas características de rigidez y amortiguación de los rodamientos, por lo que se requiere un análisis dinámico del rotor completo y una reevaluación de las velocidades críticas. En algunos casos, el diseño del rotor existente es compatible con la adaptación de cojinetes magnéticos; en otros, se necesita un rotor nuevo. Varias empresas, incluidas Waukesha Bearings y SKF Magnetic Mechatronics, han realizado proyectos de modernización de compresores centrífugos y los estudios de casos publicados están disponibles en las actas del Turbomachinery and Pump Symposia (Universidad A&M de Texas).

La temperatura afecta a varios componentes de un sistema de rodamiento magnético de diferentes maneras. La densidad de flujo remanente de los imanes permanentes disminuye al aumentar la temperatura; esta es una limitación de diseño principal para los rodamientos híbridos que utilizan imanes permanentes de tierras raras, que pueden perder una capacidad de fuerza significativa a temperaturas superiores a 150 °C. El aislamiento del devanado en las bobinas del electroimán establece un límite de temperatura superior para el estator de soporte; El aislamiento de alta temperatura clase H o clase N extiende esto a 180°C o 200°C respectivamente. El material de laminación ferromagnética pierde permeabilidad a medida que se acerca a su temperatura de Curie (alrededor de 770 °C para el hierro), lo que reduce la fuerza de soporte a temperaturas muy altas. En el extremo inferior, la operación criogénica a temperaturas de nitrógeno líquido o helio líquido es factible: los turboexpansores en plantas de separación de aire e instalaciones de GNL operan con cojinetes magnéticos a temperaturas de gas de proceso criogénico.

Por volumen base instalado, el sector de compresión de petróleo y gas/gas natural es el mayor usuario industrial de rodamientos magnéticos activos en grandes turbomáquinas. Los equipos de vacío para la fabricación de semiconductores son el mayor usuario por número de unidades. La climatización de edificios es un segmento en crecimiento impulsado por la adopción de enfriadores con cojinetes magnéticos por parte de las principales marcas. Los dispositivos médicos, específicamente los dispositivos de asistencia cardíaca implantables, son un mercado pequeño pero de alto valor donde la tecnología se ha convertido en el estándar clínico de atención para el soporte avanzado de la insuficiencia cardíaca. El almacenamiento de energía mediante volantes de inercia es un segmento emergente con crecientes instalaciones en la regulación de la frecuencia de la red.