Ứng dụng Maglev làm ổ trục và máy phát điện gió

Trong các động cơ để quay ít bị ma sát người ta dùng ổ bi. Trục quay tiếp xúc với ổ trục qua trung gian là các viên bi, nhờ đó đã chuyển từ ma sát trượt sang ma sát lăn, có thêm dầu mỡ hỗ trợ nên ma sát giảm đi rất đáng kể. Tuy nhiên có những trường hợp cần quay cực nhanh, thí dụ ở máy ly tâm, giảm ma sát bằng cách dùng ổ bi, dẫu cho dầu mỡ có tốt như thế nào vẫn là chưa đủ. Để đáp ứng những yêu cầu này người ta phải dùng lực từ để giữ cho ổ trục không tiếp xúc với trục quay mà cách trục bằng một đệm không khí mỏng, chuyển động quay ở đây gần như không ma sát. Loại ổ trục maglev này nếu làm việc trong chân không lại còn tốt hơn vì cả ma sát với không khí cũng không còn. Nguyên lý của một cách làm cụ thể vẽ ở hình 1.

Ta thấy các nam châm ở đây là nam châm điện từng đôi một đối diện nhau, cùng đẩy rôto. Nếu hai lực đẩy đối diện nhau không cân bằng rôto sẽ bị lậch về một bên, hai khe hở ở hai bên đối diện bị chênh lệch, cảm biến khe hở sẽ làm việc điều chỉnh dòng ở các nam châm điện sao cho chúng đẩy rôto cân bằng trở lại, tức là hai khe hở đối diện như nhau. Như vậy rôto cân bằng ổn định không va chạm với ổ trục là nhờ có hệ tự động điều chỉnh. Để tách các đồng vị đặc biệt là của uran trong kỹ thuật hạt nhân, người ta phải dùng những máy ly tâm quay cực nhanh, ổ trục và rôto ở đây đều phải bố trí theo kiểu ổ trục maglev như đã nói trên. Tuy nhiên có nhiều trường hợp rất cần có ổ và trục quay không ma sát, nói đúng hơn là ma sát rất ít nhưng không thể làm ổ trục có hệ tự động điều chỉnh như kiểu đã nói trên được. Thí dụ như ở máy phát điện chạy bằng sức gió, dùng ổ bi thông thường thì ma sát đáng kể, gió dưới 4,8 mét/ giây là cánh quạt không quay, không phát điện được.

Nếu làm các ổ trục theo kiểu maglev thì do ma sát rất ít nên chỉ cần gió nhẹ là cánh quạt quay được, phát điện được, đồng thời ma sát ít thì hiệu suất phát điện sẽ tăng. Nhưng ban đầu cánh quạt chưa quay thì lấy đâu ra điện để tự động điều chỉnh khe hở, hơn nữa hệ tự động điều chỉnh khe hở cũng rất tốn kém, cồng kềnh.

Người ta đã tìm cách dùng nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực từ ở ổ trục maglev. Cần lực từ thật mạnh thì đã có nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeb (nêođym sắt bo). Tuy nhiên về nguyên tắc thì gặp phải khó khăn do định luật Earnshaw. Từ năm 1842 Samuel Earnshaw đã chứng minh rằng dùng nam châm vĩnh cửu không bao giờ tạo ra được cấu hình cho phép có hiện tượng từ nổi (maglev – magnetic levitation) ổn định cả. Thí dụ lấy một nam châm vĩnh cửu cho từ trừơng mạnh đẩy một vật từ lên cao. Trọng lượng của vật thì không thay đổi theo vị trí nhưng lực từ do nam châm vĩnh cửu tác dụng đẩy lên cao thì thay đổi, càng lên cao xa nam châm lực càng yếu đi. Vì vậy có thể có một vị trí cân bằng, lực từ đẩy lên bằng trọng lượng của vật, ở vị trí đó vật sẽ cân bằng lơ lửng trong không gian (nổi). Nhưng vị trí cân bằng này không ổn định, khó giữ vật nổi một cách yên tĩnh trên nam châm. Người ta đã có những cách vượt qua khỏi hạn chế do định luật Earnshaw.

Trong thí nghiệm về nam châm nổi một cách ổn định (hình 2), người ta dùng một nam châm rất mạnh (11 tesla) đặt ngầm ở dưới đẩy một viên nam châm nhỏ nằm giữa hai ngón tay. Viên nam châm luôn dứng yên ở khoảng giữa hai ngón tay. Nếu không có hai ngón tay, viên nam châm không thể nào đứng yên được. Đó là vì ngón tay là vật thuận từ (cũng như nước, graphit…) khi đặt trong từ trường các nguyên tử, phân tử trong ngón tay quay dưới tác dụng của từ trường sao cho cuối cùng tạo ra từ trường nhỏ nhưng cùng chiều với từ trường ngoài. Khi viên nam châm ở vị trí gần cân bằng nếu lệch lên trên thì bị ngón tay trên (vật thuận từ) đẩy xuống, nếu lệch xuống gần ngón tay dưới (vận thuận từ) thì bị ngón tay dưới đẩy lên. Nhờ đó vị trí cân bằng được ổn định.

Như vậy thêm vào hai vật thuận từ là một cách có thể vượt qua hạn chế do định luật Earcshaw để có cấu hình cân bằng ổn định.

Hiện nay do có nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB cho lực từ đẩy cực mạnh nên đã có nhiều nghiên cứu để tạo ra được ổ trục maglev, giữa ổ trục và trục quay tròn (rôto) chỉ là một đệm không khí mỏng.

Năm 2007 trong hội nghĩ quốc tế về năng lượng tái tạo, Trung Quốc đã công bố là đã chế tạo được máy phát điện chạy bằng sức gió với ổ trục quay maglev (hình 3) dùng nam châm vĩnh cửu NdFeB. Nhờ cánh quạt gió quay không ma sát nên tốc độ gió cỡ 1,5 m/giây là máy phát điện gió đã làm việc được (nếu dùng ổ bi thường thì tốc độ gío nhỏ nhất có thể làm việc được phải vào cỡ 5 m/giây) và hiệu suất phát điện tăng lên 20% so với các máy phát điện gió dùng ổ bi. Giá thành của máy phát điện gió maglev cũng không cao lắm, một máy phát điện gío maglev 300W vừa dùng cho một hộ gia đình giá khoảng 550 đô, kể cả bộ điều khiển tự động đảm bảo điện phát ra ổn định lúc gió bão có các bộ phận hãm bớt chuyển động cho khỏi đổ gãy. Năng lượng điện sản xuất ra từ máy phát điện chạy bằng sức gió là một dạng năng lượng xanh, tái tạo. Giá một kilowat - giờ lại rẻ hơn so với nhiều dạng năng lượng truyền thống làm ô nhiễm môi trường khác.

Năm 2008 nhà máy nămg lượng ở Quảng Châu đã bán ra rộng rãi máy phát điện chạy bằng sức gió maglev với công suất từ 300W - 5000W. Những máy phát điện gió maglev lớn hơn cũng đang được thiết kế chế tạo. Tuy nhiên cấu tạo cụ thể của ổ trục maglev này như thế nào còn chưa dược công bố.