Principio di funzionamento e classificazione dei cuscinetti magnetici

 

Cuscinetto magneticoI sistemi possono essere suddivisi in tre categorie in base ai loro principi di funzionamento: cuscinetti magnetici attivi, cuscinetti magnetici passivi e cuscinetti magnetici ibridi.

 

Cuscinetto magnetico attivo

 

I cuscinetti magnetici attivi utilizzano una forza elettromagnetica controllabile per far levitare l'albero rotante, che è composto principalmente da rotori, solenoidi, sensori, controllori e amplificatori di potenza. I solenoidi sono montati su uno statore sospeso in un campo magnetico generato da elettromagneti disposti radialmente, ciascuno dei quali è dotato di uno o più sensori per monitorare continuamente le variazioni di posizione dell'albero. Il segnale in uscita dal sensore, con l'ausilio del sistema di controllo elettronico, corregge la corrente che attraversa l'elettromagnete, in modo da controllarne l'attrazione, garantendo così che l'albero rotante ruoti in modo stabile ed equilibrato, raggiungendo determinati requisiti di precisione.

 

I cuscinetti magnetici attivi possono essere suddivisi in cuscinetti a controllo di corrente e cuscinetti a controllo di tensione in base ai diversi metodi di controllo, e in cuscinetti magnetici radiali e cuscinetti magnetici assiali in base ai diversi metodi di supporto. Attualmente, tra i cuscinetti magnetici attivi, il più diffuso è il cuscinetto magnetico a controllo di corrente continua (CC).

 

La parte meccanica del cuscinetto magnetico attivo è generalmente composta da un cuscinetto radiale e un cuscinetto assiale, dove il cuscinetto radiale è costituito da uno statore (elettromagnete) e un rotore; i cuscinetti assiali sono costituiti da uno statore (elettromagnete) e una piastra di spinta.

 

Grazie ai vantaggi offerti dal cuscinetto magnetico attivo, che consentono di determinare la posizione del rotore, la rigidità e lo smorzamento del cuscinetto tramite un sistema di controllo, esso è diventato il più diffuso nel campo della levitazione magnetica. La ricerca sui cuscinetti magnetici attivi è da sempre al centro della ricerca tecnologica in questo settore. Dopo anni di intenso lavoro, la teoria e i metodi di progettazione ad esso correlati sono diventati sempre più maturi.

 

cuscinetto magnetico passivo

 

Come tipologia di cuscinetto magnetico, il cuscinetto magnetico passivo presenta vantaggi unici: dimensioni ridotte, assenza di consumo energetico e struttura semplice. La principale differenza tra i cuscinetti magnetici passivi e quelli attivi risiede nel fatto che i primi non dispongono di un sistema di controllo elettronico attivo, ma sfruttano le caratteristiche del campo magnetico stesso per far levitare l'albero rotante. Attualmente, i cuscinetti magnetici passivi più diffusi sono quelli a magneti permanenti, che a loro volta si dividono in due tipologie: a repulsione e ad aspirazione.

 

I cuscinetti passivi a magneti permanenti possono essere utilizzati sia come cuscinetti radiali che come cuscinetti reggispinta (cuscinetti assiali), entrambi con attrazione o repulsione. A seconda della direzione di magnetizzazione e della posizione relativa dell'anello magnetico, i cuscinetti a magneti permanenti presentano una varietà di strutture di circuito magnetico. Tuttavia, esistono due strutture di base

 

L'altro tipo di cuscinetto magnetico passivo si basa sulla forza di aspirazione che agisce tra i componenti magnetici dolci magnetizzati. Quando il componente del rotore si muove radialmente, l'effetto di aspirazione deriva dalla variazione della magnetoresistenza, quindi viene anche chiamato "cuscinetto magnetoresistivo". Questo tipo di cuscinetto può essere progettato in modo che la parte a magneti permanenti non ruoti, e ruoti solo la parte in ferro dolce, garantendo così una maggiore stabilità al sistema.

 

La combinazione degli effetti stabilizzanti dei cuscinetti a riluttanza e dei solenoidi attivi si traduce in un sistema di cuscinetti magnetici con un consumo energetico minimo.

 

Cuscinetti magnetici ibridi

 

I cuscinetti magnetici ibridi sono costituiti da cuscinetti magnetici attivi, cuscinetti magnetici passivi e altre strutture ausiliarie di supporto e stabilizzazione: un tipo di sistema di cuscinetti magnetici combinato. Esso tiene conto delle caratteristiche complessive sia dei cuscinetti magnetici attivi che di quelli passivi.

 

Il cuscinetto magnetico ibrido utilizza il campo magnetico generato dal magnete permanente per sostituire il campo magnetico di polarizzazione statica dell'elettromagnete, il che non solo riduce significativamente il consumo energetico dell'amplificatore di potenza, ma dimezza anche il numero di ampere-spire dell'elettromagnete, riduce il volume del cuscinetto magnetico e ne migliora la capacità di carico.

 

Poiché un campo magnetico di polarizzazione viene generato da un magnete permanente e un campo magnetico controllato viene generato da un elettromagnete, i cuscinetti magnetici ibridi a offset con magneti permanenti presentano i seguenti vantaggi:

 

1) Il magnete permanente viene utilizzato per fornire il campo magnetico statico di polarizzazione, mentre l'elettromagnete fornisce solo il campo magnetico di controllo per bilanciare il carico o le interferenze esterne, evitando così la perdita di potenza causata dalla corrente di polarizzazione del sistema e riducendo il riscaldamento della bobina.

 

2) Il numero di spire necessarie per l'elettromagnete del cuscinetto magnetico ibrido è molto inferiore a quello del cuscinetto magnetico attivo, il che contribuisce a ridurre il volume del cuscinetto magnetico e a risparmiare materiale. Questo tipo di cuscinetto presenta i vantaggi di dimensioni ridotte, peso contenuto ed elevata efficienza, ed è adatto per applicazioni di miniaturizzazione e di piccole dimensioni.