Większe możliwości poprawy warunków produkcji płytek półprzewodnikowych
Inżynierowie spędzają prawdopodobniewięcej czasu na analizowaniu problemów związanych z łożyskami magnetycznymi niż wynosi ich faktyczny okres eksploatacji. Ich zdolność do pracy bez smarowania i bez śladów zużycia stała w sprzeczności z wysokim kosztem. Jednak ograniczone pole zastosowań takich łożysk uniemożliwia obniżenie ich kosztów poprzez masową produkcję.
– Taki niszowy produkt może w końcu wyjść na swoje – mówi Todd Reitsma, dyrektor do spraw rozwoju łożysk magnetycznych w firmie SKF. – Tysiące pomp turbomolekularnych w przemyśle półprzewodników wciąż jeszcze stosuje rozwiązania z łożyskami mechanicznymi – mówi Reitsma – ale łożyska magnetyczne przejmują coraz większy udział w rynku. Ten udział wzrósł w ostatnim czasie do około dwudziestu procent – dodaje. – To, co czyni je coraz atrakcyjniejszymi dla użytkowników pomp turbomolekularnych, oprócz czystości i długich okresów między wymianami, to ich zdolność do kontrolowania energii drgań. Likwidacja drgań pomp próżniowych w przemyśle produkcji płytek krzemowych prowadzi do lepszych wyników produkcji – wyjaśnia Reitsma.
Łożyska magnetyczne SKF wykorzystują indukcyjne wykrywanie do bezpośredniego monitorowania przemieszczeń wału. Cewki przypominające uzwojenie statora silnika elektrycznego generują siły magnetyczne utrzymujące wirnik w pozycji centrycznej lub odpychają go na swoje miejsce w razie przemieszczenia. Każda ćwiartka stanowi pojedynczą cewkę i są one włączane parami, aby przeciwdziałać efektowi żyroskopowemu, wynikającemu z odpychania wirującej masy i dążącemu do przesunięcia jej o 90 stopni w stosunku do przyłożonej siły. Pętla sterująca łożyskiem aktualizuje się z częstotliwością 10 kHz.
Wałki łożysk pokryte są warstwą stali żelazowo-krzemowej, która jest niewrażliwa na ciepło wytwarzane przez zmienny strumień magnetyczny. Wytrzymałość cieplna takiego pokrycia jest znacznie wyższa niż wałka bez warstwy ochronnej. Granica prędkości obrotowej wirującego wałka podpartego na łoży skach magnetycznych jest określona przez wytrzymałość mechaniczną tej powłoki.
Wyjątkową cechą łożysk magnetycznych jest sposób, w jaki zmienia się sztywność i tłumienie, dostosowując się do przemieszczeń wałka w zakresie jego krytycznych prędkości obrotowych. Na przykład sprężarka o prędkości obrotowej 10000 obr/min, dla której prędkość obrotowa pierwszego rezonansu jest równa 7000 obr/min może pracować dzięki cyfrowemu sterowaniu na łożyskach bardziej podatnych w zakresie prędkości krytycznych i na łożyskach sztywniejszych w zakresach prędkości nominalnych. – Sztywniejsze ułożyskowanie poza granicami częstotliwości rezonansowej jest odporniejsze na zmiany przy pracy z gazem – wyjaśnia Reitsma.
– Oczywiście, łożyska gazowe konkurują z magnetycznymi, szczególnie w przypadkach, kiedy wymagane jest podparcie lekkich wałków wirujących ze znaczną prędkością – przyznaje Reitsma, dodając jednocześnie, że łożyska gazowe nie mogą pracować w środowisku próżni.
Obiecującym, przyszłościowym zastosowaniem łożysk magnetycznych będzie opracowanie szybkich silników napędu bezpośredniego dla sprężarek w rurociągach. Eliminacja przekładni pociągnie za sobą eliminację układu olejowego, co da łożyskom magnetycznym znaczną przewagę nad łożyskami hydrodynamicznymi.
Paul Sharke
