Cualquier máquina que no tolere la contaminación de los lubricantes o las partículas de desgaste supone un objetivo para los cojinetes magnéticos

Las “atracciones” múltiples de los cojinetes magnéticos

15/08/2006

La nueva generación de cojinetes magnéticos, una solución inteligente y limpia, que ofrece un buen rendimiento para un creciente número de aplicaciones sofisticadas y exigentes.

Cuando un rodamiento cuenta con un controlador capaz de posicionar un eje que gira a velocidades extremadamente altas (0-100,000 rpm) en micras de movimiento y compensar las vibraciones mecánicas inherentes en los equipos dinámicos - eso es una solución inteligente. Cuando un cojinete funciona sin lubricante y a pesar de esto no produce partículas de desgaste - eso es limpio. Y cuando el sistema integrado de acondicionamiento del cojinete elimina la necesidad de un mantenimiento rutinario - eso es un buen rendimiento. No es extraño entonces que la gama de cojinetes magnéticos de SKF esté atrayendo la atención de ingenieros con problemas mecánicos de una amplia variedad de industrias.

Por supuesto que la idea de levitación magnética, la idea principal en la que se basan los cojinetes magnéticos, no es algo nuevo. Desde 1800 se están realizando experimentos. Lo que paralizó cualquier tipo de desarrollo hacia un cojinete magnético que funcionase fue la necesidad de sistemas sensoriales y de control que superaban la tecnología de aquel entonces. Entonces, ¿cómo funcionan los cojinetes magnéticos de hoy en día?

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Entrega del sistema de 1,2 MW. Aaron Brassard (SKF) a la izda. y Justin Hall (Director de Operaciones de Turbo Genset), frente al sistema de control digital del cojinete magnético, con el generador detrás.
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El generador de 1,2 MW de alta velocidad para Turbo Genset
El sistema básico de los cojinetes magnéticos

En algunos aspectos, el sistema básico de un cojinete magnético radial es similar al de un motor eléctrico. Las diferencias aparecen cuando se consideran sus tres partes principales:

  • Actuadores,
  • Sensores,
  • Controlador y algoritmos de control.

En lugar de generar un par, esta disposición produce una fuerza de atracción para hacer levitar un eje. Un estator radial típico consiste en un núcleo de hierro laminado con bobinas de cobre, creando una serie de polos norte y sur alrededor del eje. Cuando se imanan (activan) las bobinas se transforman en electroimanes que producen una fuerza de atracción que actúa sobre un eje ferromagnético (laminado o macizo). El intersticio de aire radial entre el estator y el eje suele ser de 0,5 mm a 2 mm.

A diferencia de los cojinetes radiales descritos anteriormente, un cojinete axial magnético tiene un disco ferromagnético sólido fijado al eje, con un electroimán en uno o ambos lados.

Una tercera disposición es el cojinete magnético cónico. Éste combina las característica de un cojinete radial y un cojinete axial. Los cojinetes cónicos controlan satisfactoriamente tanto el movimiento radial como el axial en máquinas que cuentan sólo con una carga axial modesta. Al eliminar la necesidad de cojinetes axiales individuales, se puede reducir la longitud global de la máquina.

En todos los tipos de cojinetes, el posicionamiento del eje se consigue mediante una disposición de sensores inductores en cinco ejes (cuatro radiales y uno axial). Las señales de los sensores pasan al controlador que mide las posiciones del eje y regula la corriente enviada a los actuadores del cojinete mediante avanzados algoritmos de control.

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Principio básico de un cojinete magnético.
Una visión más detallada del controlador

Los cojinetes magnéticos SKF están desarrollados y fabricados por la unidad de negocio de la compañía en Canadá. Como especialista en cojinetes magnéticos, SKF Magnetic Bearings produce sistemas activos para cojinetes magnéticos para una amplia variedad de industrias y la compañía ha estado desarrollando una serie de aplicaciones para estos componentes. Gran parte de la reputación de la empresa viene de su experiencia única en hardware para sistemas de control y los correspondientes algoritmos de control que varían la corriente de los cojinetes y las fuerzas requeridas para controlar y hacer funcionar el eje según objetivos pre-definidos.

El hardware del controlador

El hardware del controlador comprende tres partes principales: la electrónica del procesador de la señal digital (DSP), el suministro eléctrico y los amplificadores.

La electrónica del DSP proporciona el “cerebro” detrás del cojinete magnético. Unos algoritmos de control avanzados miden la posición del eje y regulan la corriente enviada a los actuadores 10.000 veces por segundo. Utilizando un PC y un software de SKF denominado MBScope, se pueden modificar y guardar en un archivo los parámetros de sintonización específicos de la máquina. Este software también le permite al usuario monitorizar el rendimiento del cojinete y del eje, analizando parámetros como la vibración, el equilibrado y la velocidad, etc.

El suministro eléctrico convierte la corriente CA a una corriente CC utilizada por los amplificadores del cojinete. Cuanto mayor sea el amplificador, mayor será la corriente eléctrica requerida.

Los amplificadores regulan la corriente enviada a los cojinetes según los puntos fijados por la electrónica del DSP. El tamaño de los amplificadores varía según las necesidades de la máquina. Generalmente, cuanto mayor sea la máquina, mayor serán los amplificadores.

El software del DSP

El software de SKF para el DSP ofrece unas posibilidades muy especiales:

Control de equilibrado sin igual - SKF ha desarrollado una funcionalidad denominada Adaptive Vibration Control (AVC), que controla la respuesta del cojinete a los desequilibrios del eje. Esto tiene dos aplicaciones. Una es permitir que el eje gire alrededor de su centro geométrico y controlar de cerca el eje para eliminar la variación causada por un desequilibrio. Esto se realiza en aplicaciones que requieren una alta precisión como en máquinas herramienta. La otra es girar el eje alrededor del centro de su masa para reducir la vibración transmitida al alojamiento (a menos de 0,01 µm). Esta es una característica de alto valor para las bombas turbomoleculares y otros equipos de fabricación delanteros semiconductores.

Los cojinetes magnéticos pueden utilizarse como excitadores, donde la fuerza del cojinete se modula para lograr la excitación deliberada de la vibración.

La fuerza de excitación se aplica al rotor sin contacto, y se puede medir de forma precisa. En este aspecto, los cojinetes magnéticos suponen una herramienta valiosa para el diseño, desarrollo y ensayo de equipos, así como para investigar la dinámica de los rotores. Este método fue utilizado recientemente para comprobar y verificar un nuevo diseño de obturación, y también ha sido utilizado en un concepto similar para comprobar el rendimiento de los husillos para máquina herramienta.

Estos cojinetes son capaces de mover activamente el eje en el intersticio de aire e incluso oscilarlo. Entre sus utilidades, se encuentran la compensación del desgaste de herramientas en los procesos de triturado o el ajuste del disco de trituración debido al desgaste en un refinador de pulpa.

Monitorización de estado: Los cojinetes magnéticos incorporan un sistema intrínseco de monitorización de estado, de forma que el operario tiene acceso a un diagnóstico completo de la máquina sin necesidad de hardware adicional. La electrónica del DSP junto con el programa MBScope permiten visualizar información sobre la posición y la corriente (fuerza) en distintos formatos para la sintonización de los cojinetes y el diagnóstico de la máquina. La rigidez (lo contrario a la conformidad de posicionamiento) y la amortiguación de los cojinetes magnéticos se puede ajustar in-situ, permitiendo que una máquina supere de forma segura las velocidades críticas y los modos de flexión.

Existe una gama de controladores con distintas salidas de electricidad (corriente y voltaje) para ajustarse al rendimiento requerido de cada máquina.

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Sistema básico de un cojinete magnético.
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Cojinete axial magnético.
Una aplicación potente

SKF ofrece cojinetes magnéticos como apoyo a los componentes giratorios de un nuevo aerogenerador de 1,2 MW de alta velocidad. El generador está conectado a una turbina de gas industrial y produce electricidad para la fuente de electricidad primaria, de emergencia o una combinación de calor y electricidad para un sistema de distribución de electricidad. El sistema ha sido diseñado y construido por Turbo Genset Co. Ltd, una compañía del Reino Unido especializada en máquinas de alta velocidad con sistemas de control de potencia inteligentes.

Justin Hall, jefe de operaciones de Turbo Genset, comenta, “Sabíamos que utilizando cojinetes magnéticos superaríamos la solución convencional para los costes del ciclo de vida, reduciendo el mantenimiento y el consumo eléctrico. Los cojinetes magnéticos son un sistema inteligente. Controlados con un microprocesador, ofrecen la posibilidad de monitorizar el estado de las máquinas en funcionamiento. Los instalas y te olvidas de ellos para siempre. No requieren ningún tipo de mantenimiento.”

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El generador de 1,2 MW. El paquete compacto completo, listo para su instalación.
Por qué son tan diferentes los cojinetes magnéticos

Los cojinetes magnéticos funcionan sin lubricante. Esto los hace especialmente apropiados para máquinas que funcionan en entornos de vacío, con altas o bajas (criogénicas) temperaturas, o con agentes corrosivos. De hecho, cualquier máquina o proceso, que no tolere la contaminación de los lubricantes o las partículas de desgaste supone un objetivo para los cojinetes magnéticos. Dos ejemplos típicos son la industria de los equipos para semiconductores y las compañías de alimentación y bebidas. Una operación libre de lubricación significa que ya no se requieren los equipos relacionados con la lubricación, como las bombas y los filtros. Esto supone una reducción considerable de los costes totales de propiedad.

Otra característica de los cojinetes magnéticos es la baja pérdida de rotación del eje. Esto permite reducir la potencia del motor y lograr mayores eficiencias. Una baja pérdida, significa que las temperaturas de funcionamiento son generalmente más bajas que con otros rodamientos, como los de elementos rodantes o los cojinetes hidrodinámicos. Esto reduce la necesidad de utilizar equipos de refrigeración.

Los cojinetes magnéticos funcionan con un intersticio de aire controlado, que incluso puede ser una ventaja. En algunos procesos se requiere que un líquido o material pase por el cojinete. El intersticio de aire hace que esto sea posible. Las aplicaciones biológicas y farmacéuticas relacionadas con el procesamiento de células son sólo dos ejemplos. También es posible obturar herméticamente a los cojinetes magnéticos, lo que los hace atractivos para los procesos que manejen fluidos corrosivos que de lo contrario, atacarían al devanado o las laminaciones. Asimismo, se pueden sumergir bajo presión en los fluidos de los procesos sin la necesidad de obturaciones. Esto los hace extremadamente útiles en procesos sensibles como los de la industria alimentaria.

En comparación con los rodamientos de elementos rodantes o los cojinetes hidrodinámicos, los cojinetes magnéticos permiten velocidades periféricas mucho más altas. Se pueden lograr velocidades de hasta 250 m/s o alrededor de 4,5 millones “n x d” (velocidad de giro en min-1 y diámetro en mm). Estas altas velocidades permiten muchas aplicaciones nuevas como husillos avanzados para máquina herramienta o un distribuidor de hidrógeno desarrollado y fabricado para los laboratorios nacionales de EE.UU. (US National Laboratories).

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Cartucho del cojinete magnético para Turbo Genset.
El auténtico valor de un cojinete magnético

Una forma reveladora de aprovechar al máximo el valor de un cojinete magnético en, por ejemplo, una gran máquina turbo es considerando el coste del ciclo de vida. Los primeros ahorros se logran eliminando el sistema de lubricación con aceite, el sistema de refrigerado, la caja de engranajes (un motor de alta velocidad, variable unido directamente a, por ejemplo, un compresor), el equipo de monitorización de estado y las piezas de repuesto. Al eliminar estos 'accesorios' también se incrementa la fiabilidad de la máquina.

Se pueden lograr dos ahorros adicionales. El primero gracias a una necesidad de mantenimiento regular menor y el segundo ahorrando en energía. Un cojinete magnético consume sólo una fracción de la energía consumida por un cojinete hidrodinámico.

Con tantos beneficios, los cojinetes magnéticos ahora suponen una opción extremadamente atractiva para muchas aplicaciones que no se consideraban anteriormente.

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