Тишина как сильная сторона: магнитные подшипники для компьютерной томографии

Компьютерная томография производит фоновый шум, который множество пациентов считает неприятным. Новые магнитные подшипники позволят рентген-камере перемещаться почти бесшумно.

Обследование начинается. «Пожалуйста, лежите неподвижно как можно дольше», – оператор МРТ закрывает дверцу и пациент остается один. Под аккомпанементы жужжания и гудения выдвижной стол двигается миллиметр за миллиметром в туннельную трубу, вокруг которой вращается рентген-камера. И хотя она никак не контактирует с пациентом, для многих МРТ обследование является стрессовым. Пока пациент остается один на один с высокими технологиями, секунды кажутся вечностью. Трудно оставаться неподвижным во время такого шума, действующего на нервы, которые и так на пределе от ожидания диагноза.

Тишина как конкурентное преимущество

Производители аппаратов МРТ очень заинтересованы в том, чтобы вывести на рынок как можно более тихие сканеры. То же самое применимо и к скорости: Чем быстрее рентген-камера вращается, тем быстрее проходит процесс обследования. Кроме того, скорость снижает количество воздействия радиации на пациента.

Технология магнитных подшипников открывает новые возможности. Благодаря управляемой нагрузке на подшипник камера может быть расположена более точно. Дополнительные преимущества заключаются в возможной интеграции приводного устройства и использовании сенсорной информации для обслуживания систем.

Вот почему команда немецких инженеров разработала подшипниковое решение для аппаратов МРТ будущего. Прототип расположен в тестовой лаборатории города Липпштадт. Работает без жужжания и гудения. Ротор весит почти 300 килограмм. Он бесшумно движется по внутреннему кольцу, размером с туннельную трубу МРТ. «Тихий подшипник» стабилизируется невидимыми силами десятков электромагнитов.

Компьютерная томография: магнитные подшипники побеждают роликовые

Магнитный подшипник в Липпштадте является одним из самых больших и мощных в мире. Он призван открыть новые возможности для производителей оборудования для компьютерной томографии. До сих пор производители оборудования зависели от подшипников качения большого диаметра. В этих огромных подшипниках шарики или ролики уменьшают трение, когда неподвижные и вращающиеся кольца движутся относительно друг друга. В сканерах МРТ, к примеру, подшипники обеспечивают вращение тяжелой рентгеновской камеры, прикрепленной к вращающемуся кольцу, вокруг пациента. На противоположной стороне кольца датчики фиксируют рентгеновские лучи, непоглощенные тканями или костями пациента. На основании этих сигналов компьютер генерирует трехмерные изображения поперечного сечения, с помощью которых рентгенолог может диагностировать переломы костей, заболевания суставов или опухоли.

Движение камеры доходит до 300 оборотов в минуту, неизбежно порождая шум. Она жужжит и гудит при движении тел качения в подшипнике. В зависимости от скорости, шум, которому подвергается пациент при сканировании, может быть таким же интенсивным и раздражающим, как шум громкой газонокосилки.

Проект «Тихий подшипник»

Для борьбы с шумом компания ThyssenKrupp запустила проект «Тихий подшипник» несколько лет назад. Идея заключалась в том, что в этом инновационном подшипнике неподвижное кольцо статора и вращающееся кольцо ротора будут разделены не телами качения, а магнитными силами. В целом, данная идея не нова. В центрифугах, станках, насосах и компрессорах электромагнитные подшипники уже давно обеспечивают работу вращающихся компонентов, движущихся с высокой скоростью, без износа. Однако для крупномасштабных применений, в которых до сих пор использовались подшипники большого диаметра, сложная технология управления и высокие стандарты, необходимые для производства, означали, что эти подшипники были пригодны только в очень ограниченном масштабе.

Технология будущего для компьютерной томографии

Вдохновением для разработчиков стал Transrapid. Этот скоростной поезд парит на магнитном поле, которое противодействует силе земного притяжения. Поле создается электромагнитами. Это гарантирует, что ходовая часть не касается рельс, а плавно скользит над ними.

Данный принцип лег в основу новой разработки. Десятки электромагнитов, встроенных в статор, создают поле, притягивающее ротор, который сделан из намагничиваемой стали. Благодаря интеллектуальному управлению между статором и ротором создается тонкий воздушный зазор шириной приблизительно 1,5 мм. Всего в статор должны были быть встроены 48 электромагнитов – осевых и радиальных, то есть вдоль направления вращения и под прямым углом к нему. Стоит добавить, что здесь также есть сенсоры, которые постоянно измеряют величину воздушного зазора в течение операции.

Подключенный компьютер обрабатывает данные и передает команды отдельным электромагнитам. Они должны выравнивать ротор с высочайшей точностью – вращается ли он, или был остановлен, или несет ли он нагрузку. Для этого были разработаны специальные системы контроля для тихих подшипников.

Предохранительный подшипник для аварийных ситуаций

Тот факт, что магнитные подшипники действительно работают, демонстрируется испытанием на прототипе, который бесшумно вращается на испытательном стенде. Он может выдерживать нагрузку до 750 килограммов – электромагниты постоянно удерживают его в правильном положении. Но что будет, если прекратится подача питания? Ротор, который удерживался в равновесии только электромагнитными силами, внезапно падал на статор и вызывал значительные повреждения. Чтобы справиться с аварийными ситуациями, инженеры внедрили в статор предохранительный подшипник – бронзовое кольцо, которое замедляет движение при случайном выключении электромагнитов.

Запатентованная технология

Новая технология уже запатентована и в ближайшем времени ее ждет тестирование в различных областях и условиях.

Инженеры также нацелены на увеличение скорости тихих подшипников в будущем. Сейчас прототип достигает 150 оборотов в минуту, а цель – достигнуть 300 и более, путем усовершенствования систем контроля. Увеличение скорости вращения дало бы много преимуществ. Обследование путем компьютерной томографии могло бы происходить быстрее, пациент смог бы получать меньше радиационного воздействия, а рентгенолог отслеживать динамические процессы, такие как открытие и закрытие клапанов сердца, в режиме реального времени.

И самое важное: не только медицина может извлечь выгоду из новой технологии. Везде, где необходимо избегать шума и смазочных материалов при сохранении максимальной точности, бесконтактные магнитные подшипники являются перспективной альтернативой традиционным подшипникам. Хорошими примерами являются управляемые телескопы в обсерваториях, радиолокационные антенны на кораблях.