תיכנון מיסוב מגנטי חדשני מאפשר סיבוב מנועים במהירות של 500,000 סל"ד.

מוני ברק, מדיטל קומוטק

יישומים עם מהירויות סיבוב גבוהות מצריכים פתרונות מיסוב מתקדמים ביותר. מיסוב אויר ומיסוב מגנטי נמצאים יותר ויותר בשימוש, במקום מיסוב כדורי מסורתי. כאשר מתופעל בסביבת ואקום, המיסוב המגנטי מציע את מיטב יתרונותיו. תכנון חדשני עבור מהירויות סיבוב גבוהות מ 500,000 סל"ד יספק בסיס יציב עבור מערכות אופטיות ומערכות ייצוב ללווינים.

איזה סוג מיסוב יתאים לאפליקציה? זאת שאלה העולה תמיד בהקשר של מערכות בהם נדרשות מהירויות סיבוב גבוהות מאוד. מצד אחד דרישות כגון, מהירות, אורך חיים, תאוצה, טמפרטורה וגודל המכונה, מציבים בפני המהנדסים אתגרים קשים, מצד שני, הדרישות הן שונות ומגוונות: התחלת/עצירת תנועה או פעילות רציפה; עבודה בתנאי ואקום, גז או נוזלים; יישומים קריוגנים (בטפרטורות נמוכות מ- 150 מעלות צלסיוס) או בטמפרטורות סביבה קיצוניות; השפעת ויברציות חזקה על המיסוב לעומת ויברציות מינימאליות מותרות מהמיסוב, כמו לדוגמא בלווינים.

עבור מהירויות מעל 100,000 סל"ד, יש צורך במיסבים מותאמים במיוחד

כמויות ייצור שנתית ועלויות הייצור הינן מרכיב חשוב בעת בחירה של סוג מיסוב. יישומים בהם נדרשת מהירות סיבוב העולה על 100,000 סל"ד דורשים גם כן מיסוב מיוחד ייעודי. להלן יתרונות וחסרונות של פתרונות מיסוב אפשריים עבור מהירויות סיבוב גבוהות.

• במיסוב כדורי היתרונות הם: קשיחות, זמינות, קומפקטיות, בתפעול התחל/הפסק, מחיר. לעומת החסרונות: מגבלות אורך חיים (במיוחד ביששומים הדורשים מהירות גבוהה), שילוב באפלקציות ואקום לא אפשרי (במהירויות סיבוב גבוהות).
• במיסוב אוויר היתרונות הם: אורך חיים (בעיקר בהפעלה רציפה), קשיחות, קומפקטיות. לעומת החסרונות: שילוב באפלקציות ואקום לא אפשרי, מספר מוגבל בתפעול התחל/הפסק, מגבלות של מהירות הסיבוב עקב מגבלות בייצור כגון טולרנסים, חוסר יצבות והפסדים.
• במיסוב מגנטי היתרונות הם: אורך חיים, התאמה לאפליקציות בסביבת ואקום, שליטה בבקרה ורעידות. לעומת החסרונות: מורכבות וגודל, מגבלת מהירות הסיבוב והפסדים.

חברת Celeroton מביאה לשוק מנועים המבוססים על מיסוב מגנטי. מנועי אלו נועדו למהירויות סיבוב גבוהות עם מיסוב מגנטי פעיל ביישומים עם הנעה ישירה. דגם  CM-AMB-400 הינו בעל הספק של 250W, מהירות של 400,000 rpm, מומנט של 6mNm וכל זאת במשקל של 600 גרם.

בנוסף חברת Celeroton מביאה לשוק מדחסים קטנים וקלים משמעותית לעומת הפתרונות המוצעים כיום בשוק. זה מתבטא במיוחד בדגם ה- CT-15-150 שיכולותיו ניתנות להשגה רק באמצעות מכונות טורבו גדולות מימדים. המדחס CT-15-150 הינו בעל הספק של 150W, מהירות של 400,000 rpm, יחס לחץ מקסימאלי של 1.5 bar, ספיקה של 5 g/s וכל זאת במשקל של 110 גרם.

סוגי מיסוב הקיימים היום בשוק

מיסוב כדורי

מיסוב כדורי מציע יתרונות בדמות קשיחות ותגובתיות. בנוסף לכך, הם זולים וקומפקטיים. לעומת זאת אורך החיים ומהירות הסיבוב הינם מוגבלים בשל שחיקה מכנית והפסדים. בנוסף, מיסוב כדורי לא מתאים ליישומים בסביבת ואקום משום שחומר הסיכה יכול להתאדות.

מיסוב גז

יש מספר תכנונים של מיסוב גז, הנחלקים למיסוב גז סטאטי ומיסוב גז דינאמי. מיסוב גז סטאטי דורש אספקת גז דחוס ממקור חיצוני בזמן שבמיסוב גז דינאמי, שיכוך הגז נוצר באמצעות הסיבוב שלו עצמו. הכתבה הזו עוסקת במיסוב הדינאמי היות ומיסוב גז סטאטי נמצא בשימוש רק ביישומים נייחים. ניתן למצוא מכנה משותף בין מיסוב גז דינאמי למיסוב כדורי- הקשיחות הגבוהה והתגובתיות, כמו גם הגודל הקומפקטי. חסרון קריטי של שניהם הוא שלא ניתן להשתמש בהם באפליקציות ואקום. בהשוואה למיסוב כדורי, אורך החיים של מיסוב גז בפעולה רצופה הוא למעשה בלתי מוגבל אבל עם מגבלות באפליקציות הדורשות מספר רב של התחלות והפסקות. במיסוב הגז בכל התחלה נוצר/נבנה מצע גז חדש. לכן, מתחת למהירות סיבוב מינימאלית נוצרים חיכוכים מכאניים. יתר על כן, ישנם אתגרים רבים בכל הקשור לטולרנסי ייצור והתכנון עבור יציבות מספקת והפסדים נמוכים.

מיסוב מגנטי

בדומה למיסוב גז, המיסוב המגנטי מעלה את אורך החיים של מערכת ההנעה, לתקופה ללא הגבלה תיאורטית. זה סוג המיסוב היחידי המתאים לעבודה בסביבת ואקום, מכיוון שכוחות המיסוב נוצרים באופן בלתי תלוי באטמוספירה המקיפה אותה, והוא לחלוטין אלקטרומגנטי ללא כל חומר סיכה כלשהוא. החסרונות הם מורכבות, גודל ומחיר. בנוסף, התכנונים הקיימים היום נותנים מענה רק למהירויות סיבוב של עד 120,000 סל"ד. עקרון הפעולה של המיסוב המגנטי מתואר באיור 1.

איור 1. עקרון פונקציונלי של מיסב מגנטי פעיל

דוגמאות ליישומים עם מיסוב מגנטי

• מערכות אופטיות הדורשות מהירות סיבוב גבוהה כגון beam chopper: יישומים אלו מתופעלים בסביבת ואקום או הליום וזאת על מנת להקטין ככל שניתן הפסדי חיכוך אויר, וכדי להגן על האופטיקה מפני מזהמים. החסרונות של המיסוב המגנטי בהקשר של דרישות חלל ומורכבות אינן משמעותיות, משום שהמערכת האופטית בכללותה היא הרבה יותר גדולה ומורכבת מהמיסוב עצמו.
• גלגלי ייצוב עבור לווינים: גלגלי ייצוב הינם סוג של גלגלי תנופה והם משמשים בעיקר במעבורות חלל ובלווינים וזאת כדי לייצב את מיקומם בחלל מבלי להשתמש בכוח רקטי. הם נעים למיקום הרצוי על ידי ויסות מהירות הסיבוב. היות ועל הלווינים להיות קלים ככל האפשר גם על החלקים המרכיבים אותם להיות קלים ככל שניתן, ולכן כאשר מתכננים את גלגלי הייצוב מכוונים לכך שמשקלם יוקטן על ידי העלאת מהירות הסיבוב. יתר על כן, עליהם לייצר ויברציות נמוכות ככל שניתן המתאימות לעבודה בתנאי ואקום חלקיים או מלאים. תנאים אלו מובילים לכך שהמיסבים המגנטים הינם למעשה הפתרון האופטימלי ליישום זה.
• צנטריפוגות מיוחדות ועוד סביבות מחקר כגון האצה מכנית של חלקיקים.

פיתוח חדשני עבור מהירויות סיבוב גבוהות

רוב המיסבים המגנטים מבוססים על כוחות reluctance. שטף מגנטי במרווח האויר בין הסטאטור והרוטור מייצר את הכוחות הללו, ואילו השטף מבוקר באמצעות שליטה על הזרמים בסטאטור. בסוג זה של מיסוב מגנטי, מהירות הסיבוב מוגבלת בשל התגברות הפסדי eddy current ברוטור ובברזל הסטאטור, רוחב פס מוגבל ודרישה גבוהה להספק ריאקטיבי. לכן, עד כה בתכנון המוכר, מיסוב מגנטי היה טוב לשימוש במהירויות סיבוב שלא עלו על 120,000 סיבובים לדקה.

על מנת להתגבר על מגבלות מהירות הסיבוב הללו, נוצר שיתוף פעולה בין מעבדת PES באוניברסיטת ציריך (ETH) וחברת סלרוטון, שחקרו ותכננו רעיון חדשני למיסוב מגנטי. המיסוב החדש מאפשר מהירויות סיבוב של 500,000 סיבובים לדקה ואף מעבר לכך, שלעניות דעתו של כותב הכתבה, הינו שיא עולמי במהירות המושגת למערכת הנעה בציפה מגנטית.

המיסוב מבוסס על כוחות Lorentz במקום על כוחות reluctance. ליפוף, שנמצא במרווח האויר בין המגנטים של הרוטור והברזל של הסטאטור, מייצר את הכוחות הללו והזרם חשמלי בליפוף, מווסת אותם. השדה המגנטי של המגנט הקבוע גם יכול לשמש בשביל ייצור המומנט, מה שמאפשר תכנון מנוע קצר ללא מייסבים. עקרון הפעולה של מנוע מהסוג הזה מתואר באיור 2.

איור 2. עקרון פעולה של ייצור כוחות (Fx, Fy) ומומנט (Ftz) של מנוע ללא מייסבים עם ליפוף מרווח אויר.

דוגמא לאפליקציה: גלגלי ייצוב עבור לווינים

גלגלי הייצוב עבור לווינים המוזכרים בתחילת הכתבה מופעלים בדר"כ עם מיסוב כדורי. עם זאת, יש גם כמה דגמים עם ציפה מגנטית. אלו עם הציפה המגנטית נמצאים בשימוש בעיקר בלווינים גדולים עקב מגבלת קצב הסיבוב המירבי שהוא נמוך יחסית. עבור לווינים קומפקטים צריך להשתמש בגלגלי ייצוב בעלי מהירות סיבוב הרבה יותר גדולה על מנת להגדיל את הפרמטר של גלגלי הייצוב שנקרא תנע זוויתי והינו פרופורציונלי למשקל.

גלגלי הייצוב בדרך כלל מופעלים במהירות סיבוב שנעה בין 5,000 סל"ד ל- 10,000 סל"ד, גם בשל אורך החיים הנדרש ובשל מגבלת מהירות הסיבוב המירבית. בעזרת התכנון החדשני של המיסוב המגנטי, ניתן באופן תיאורטי להגיע למהירות סיבוב של מעל ל- 200,000 סל"ד, ובכך ניתן למזער את המשקל הכולל באופן דרסטי. עם הטכנולוגיה החדשה הזו, ניתן להגדיל משמעותית את מהירות הסיבוב בתנאי ואקום מלאים או חלקיים.

איור 3. תצוגת חתך של מדגים גלגל ייצוב עם ציפה מגנטית

איור 4. גלגל ייצוב בציפה מגנטית עם מהירות סיבוב גבוהה מ- 200,000 סל"ד.

ידיעה זו פורסמה ע"י חברת  Celeroton ותורגמה לגליון זה ע"י מוני ברק, מנהל טכנולוגיות ויישומים בחברת מדיטל קומוטק, המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי-טק בישראל, והינה נציגה בלעדית של חברת Celeroton בישראל.