Radiálne magnetické ložisko

Číslo patentu: U 7078

Dátum: 01.04.2015

Autori: Masaryk Michal, Magdolen Luboš

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka radiálneho magnetického ložiska, najmä riadeného, aktívneho alebo kombinovaného magnetického ložiska na uloženie dvoch rotujúcich strojných častí. Ložisko môže byť použité predovšetkým pri uložení súosovo rotujúcich rotorov zotrvačníkového akumulátora elektrickej energie.Doteraj ší stav technikyMagnetické ložiská nemajú mechanický kontakt, nepotrebujú mazací systém, môžu pracovať pri vysokých otáčkach a v širokom teplotnom pásme, majú malú energetickú spotrebu, resp. energetickú stratu a V prípade aktívne riadených ložísk môžu odstraňovať aj kmitanie uložených častí a priebežne vyhodnocovať stav rotujúcej sústavy. Sú známe základné homopoláme alebo heteropoláme usporiadania aktívnych magnetických ložísk. Riadené magnetické ložiská V strojárenských aplikáciách sa používajú najmä v takých situáciách, kedy je potrebné zabezpečiť bezkontaktné levitovanie hriadeľa vnútri ložiska, čo sa zabezpečuje elektronicky riadeným magnetickým poľom. Súčasné usporiadania sú teda také, že hriadeľ je obopínaný ložiskom, ktoré generuje potrebné magnetické pole. I napriek vývoju v posledných rokoch ostávajú magnetické ložiská pomerne drahým zariadením s relatívne limitovanou aplikovateľnosťou. Nevýhodou známych riešení,napr. podľa WO 201400785 l, PL 2 l 3768, CNl 0 l 9225 l 0, CNl 02 l 55492,je práve vysoká konštrukčná zložitosť, a teda aj cena.Nutnosť veľkého počtu súčastí uloženia čiastočne rieši patent CN 201121656, ktorý v jednom konštrukčnom celku obsahuje radiálne aj axiálne magnetické ložisko. Takéto riešenie však nevyhovuje pri uložení viacerých súosovo uložených strojných súčastí. Znižovanie výrobných nákladov je možné dosiahnuť aj presunutím riadiacej elektroniky do telesa ložiska alebo do jeho krytu ako podľa zverejnenia MX 20100 l 1348. Tento prístup si však vyžaduje viaceré technické kompromisy a zároveň obmedzuje možnosti spolupráce riadiacej elektroniky magnetického ložiska s ostatnými subsystémami strojného zariadenia.Je žiadané a nie je známe jednoduché riešenie, ktoré zníži technickú náročnosť a počet súčastí aktívneho alebo kombinovaného magnetického ložiska pri uložení viacerých rotuj úcich strojných častí.Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje radiálne magnetické ložisko so statorom, ktorý má dovnútra statora orientované výčnelky magnetických pólov, kde magnetické póly pôsobia na hriadeľ uložený vnútri statora s vôľou oproti výčnelkom, podľa tohto technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že stator má výčnelky magnetických pólov aj na svojom vonkajšom obvode. Magnetické póly sú tvorené permanentnýmí magnetmi a/alebo elektromagnetmi s vinutím a príslušným ovládaním, môže teda ísť o aktívne riadené alebo o kombinované (riadené permanentne magnety) magnetické ložisko. Magnetické póly na vonkajšom obvode statora pôsobia na vonkaj ší prstenec, ktorý s vôľou obopína stator, pričom ovládanie elektromagnetov na vnútornej strane statora je samostatné, oddelené a v podstate nezávislé od ovládania elektromagnetov na vonkajšom obvode statora. Bude výhodné, aby ložisko malo jednu riadiacu jednotku na ovládanie oboch strán ložiska, pričom samostatné riadenie elektromagnetov vonkajšej a vnútomej strany statora môže byť prepojené podľa požiadavky konkrétneho strojného zariadenia. Napríklad, ak sa v rámci vôle hriadeľa vzhľadom na stator nepodarí vyvážiť vnútomý rotor, môže sa zámeme meniť os otáčania prstenca tak,aby sa kmitanie elíminovalo protikmitmi prstenca.Technická myšlienka spočíva teda najmä v tom, že jedno a to isté ložisko zabezpečuje nielen levitáciu hriadeľa umiestneného vnútri ložiska, ale zároveň zabezpečuje aj Ievitáciu vonkajšieho prstenca, ktorý obopína ložisko z vonkajšej strany. Takéto ložisko zabezpečuje bezkontaktné uloženie dvoch rotujúcich časti jednak vnútorného hriadeľa, jednak vonkajšieho prstenca. Takéto usporiadanie prináša synergický efekt aj v tom, že môžeme riadiť nielen uloženie jednotlivej strojnej časti, ale môžeme zosúladiť aj vzájomný pohyb oboch strojných častí. Napríklad v prípade potreby môžeme riadiť ich vzájomné priblíženie alebo aj dotyk tým, že ich osi posunieme v rámci vôle ložiska na vnútomej a vonkajšej strane statora. Toto nám umožní napríklad kompenzovať opotrebenie alebo vyvolať rozkmitanie sústavy, ak je potrebné na striasanie, čistenie a podobne.Geometria ložiska môže byť zvolená tak, že osi strojných časti uložených v ložisku sú v pracovnom režime zhodné, teda strojné časti sú uložené súosovo. Ložisko však môže byť navrhnuté aj tak, že osi sú rovnobežné, ale nezhodné, vzdialené od seba s potrebnou excentricitou, alebo sú osi aj mimobežné podľa potreby stroja. Napríklad pri uložení turbínového kolesa a rotujúceho rozvádzacieho prstenca sa môže zvoliť vhodná rovnobežná, ale vzdialená poloha ich osi, ktorá sa dá navyše mieme meniť v rámci vôle na vnútomej a vonkajšej strane statora.Radiálne magnetické ložisko na uloženie dvoch vzájomne rotujúcich strojných častí môže byť využité pri elektrickom motorgenerátore, s dvoma súosovými protíbežnými rotorrni a jedným statorom, kde jeden rotor je vzhľadom k statom vnútomý (hriadeľ) a jeden je vonkajší (prstence). Práve na uloženie tohto druhu kombinovaného motorgenerátora sú výhodné riadené radiálne magnetické ložiská podľa tohto technického riesenia.Stator má Výčnelky, na ktorých sú navínuté elektromagnetické cievky. Tie vytvárajú riadené magnetické pole udržujúce hriadeľ aj prstenec v definovanej vzdialenosti od výčnelkov tak, aby tieto levitovali a nedochádzalo ku kontaktom s výčnelkami. Výčnelky smerujú do vnútomej aj do vonkajšej strany statora. Aktuálnu vzdialenosť hriadeľa aj prstenca od statora merajú senzory, ktoré sú napojené na riadiaci systém magnetického ložiska. Riadiaci systém magnetického ložiska priebežne vyhodnocuje údaje zo senzorov a riadi veľkosť magnetického poľa tak, aby obidve strojné časti levitovali v definovaných vzdialenostiach aj pri rôznom zaťažení. Senzory môžu byť vytvorené ako súčasť cievok elektromagnetov alebo môže ísť o samostatné prvky umiestnené na vonkajšej a vnútomej strane statora.Pre prípad výpadku elektrickej energie alebo inej podobnej poruchy môže byť magnetické ložisko vybavené dorazovým ložiskom v podobe klzného ložiska alebo valivého ložiska.Výhodou uvedeného riešenia je jednoduché dosiahnutie dvojitého uloženia v jednom konštrukčnom prvku, pričom riešenie nielen znižuje počet potrebných súčiastok, ale poskytuje aj synergický efekt, kedy môžeme vytvárať vzájomnú dynamickú väzbu medzi dvoma rotujúcimi strojnými časťami.Prehľad obrázkov na výkresochTechnické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázkov l a 2. Zvolená mierka vyobrazenia jednotlivých prvkov, ako aj rozmerové pomery statora k prstencu a hriadeľu, veľkosti výčnelkov a zapojenia cievok elektromagnetov sú len ilustračné a nie je ich možné vysvetľovať ako zužujúce rozsah požadovanej ochrany. Umiestenie senzorov a riadiacej jednotky nie je pre prehľadnosť na obrázkoch znázomené.Na obrázku 1 je zjednodušený priečny prierez radiálnym magnetickým ložiskom pri súosovo uložených rotoroch zotrvačníkového akumulátora elektrickej energie.Na obrázku 2 je zobrazený pohľad na radiálne magnetické ložisko pre vyosené uloženie súčastí harmonickej prevodovky.V tomto príklade podľa obrázka 1 je radiálne magnetické ložisko využité v konštrukcii zotrvačníka, ktorý slúži ako motorgenerátor na akumuláciu elektrickej energie. Zotrvačník má dva rotory, vnútomý klasickej konštrukcie a vonkajší v podobe prstenca, ktorý s malou vôľou obklopuje vnútomý rotor.Radiálne magnetické ložisko má stator l primontovaný k telesu zotrvačníka. Stator 1 má dovnútra orientované výčnelky g magnetických pólov, ktoré sú tvorené elektromagnetmí s vinutím ą. Tieto magnetické póly pôsobia na hriadeľ i rotora zotrvačníka, Hriadeľ 5 je uložený vnútri statora l s vôľou oproti výčnelkom g. Stator 1 má Výčnelky 5 magnetických pólov aj na svojom vonkajšom obvode, pričom magnetické póly sú opäť vytvorené elektromagnetmi s vinutím Q. Tieto magnetické póly pôsobia na vonkajší prstenec 1, ktorý s vôľou obopína stator l. Vonkajší prstenec Z je prepoj ený s prstencovým rotorom zotrvačníka, ktorý sa otáča protibežne oproti vnútomému rotoru. Tým sa dosiahne väčšia vzájomná relatívna rýchlosť.Obe vinutia 3, Q sú prepojené so svojím ovládaním, vstupy napájania elektromagnetov na vnútornej strane statora l sú samostatné, oddelené od vstupov napájania elektromagnetov na vonkajšom obvode statora l. Výkonová časť riadenia elektromagnetov je riadená spoločnou riadiacou jednotkou, ktorá je schopná riadiť nielen vzťah hriadeľa i vzhľadom na stator l a prstenca 1 vzhľadom na stator l, ale je schopná vytvoriť väzbu medzi hriadeľom i a prstencom Z. V tomto príklade je riadiaca jednotka magnetického ložiska prepojená tiež s riadením režimov zotrvačníka, V prípade malého energetického zaťaženiaje vonkajší prstenec zotrvačníka bez pohybu a na zníženie strát sa vonkajšia časť magnetického ložiska po dobehu prstenca Z vypne. Príprava na rozbeh prstenca 1 je naštaitovaná príkazom z riadiacej jednotky zotrvačníka, ktorý vopred aktivuje riadiacu jednotku magnetického ložiska.V tomto príklade sú osi hriadeľa 3 aj prstenca 1 zhodné, resp. v podstate zhodné pri pracovnom režime. Vôľa hriadeľa A aj prstenca Z vzhľadom na Výčnelky z, 5 statora l umožňuje vyváženie rotorov zotrvačníka,kedy sa tieto neotáčajú okolo geometrickej osi, ale okolo svojej ťažiskovej osi. Sígnály pre dynamické vyvažovanie sú získavané zo senzorov na vnútomej a vonkajšej strane statora l.Pre dojazd rotorov v prípade zlyhania napájania sú magnetické ložiská doplnené klasickými valivými ložiskami, ktoré sa dostanú do záberu až v prípade dorazu hriadeľa i a prstenca Z k výčnelkom g, 5. Tieto klasické ložiská nie sú na obrázku 1 znázomené.V tomto príklade podľa obrázku 2 je radiálne magnetické ložisko použité na uloženie súčasti hannonickej prevodovky. Os hriadeľa i a prstenca 1 je odlišná, ale rovnobežzná, excentricita zodpovedá geometrii prevodovky.Riadiaca jednotka je prispôsobená na to, aby podľa opotrebenia súčasti prevodovky menila vzdialenosť osi, a tým vymedzovala vôľu, ktorá spôsobuje mŕtvy chod pri zmene smeru otáčania prevodovky. Výstup z riadiacej jednotky zároveň poskytuje diagnostické údaje o stave a opotrebenl prevodovky.Priemyselná využiteľnost technického riešenia je zrejmá. Podľa tohto technického riešenia je možné priemyselne a opakovane vyrábať a používať magnetické ložisko na vzájomné uloženie rotujúceho hriadeľa a prstenca, napríklad V konštrukcii zotrvačmkového motorgenerátora na akumuláciu elektrickej energie.2 - výčnelky na vnútomej strane statora3 - vinutie magnetov na vnútornej strane statora5 - výčnelky na vonkajšom obvode statora6 - vinutie magnetov na vonkajšom obvode statora 7 - prstenec.l. Radiálne magnetické ložisko so statorom (l), ktorý má dovnútra statora (l) orientované výčnelky (2) magnetických pólov, magnetické póly sú tvorené permanentnými magnetmi a/alebo elektromagnetmi s vinutím (3) a príslušným ovládaním, kde magnetické póly pôsobia na hriadeľ (4) uložený vnútri statora (l) s vôľou oproti výčnelkom (2), v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že stator (l) má výčnelky (5) magnetických pólov aj na svojom vonkajšom obvode, magnetické póly na vonkajšom obvode statora (l) sú vytvorené permanentnými magnetmi a/ alebo elektromagnetmi s vinutím (6) a príslušným ovládaním a tieto magnetické póly pôsobia na vonkajší prstenec (7), ktorý s vôľou obopína stator (l), pričom napájanie elektromagnetov na vnútornej strane statora (1) je oddelené od napájania elektromagnetov na vonkajšom obvode statora (l).2. Radiálne magnetické ložisko podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že riadenie elektromagnetov na vnútomej strane statora (l) je prepojené s riadením elektromagnetov na vonkajšom obvode statora (l).3. Radiálne magnetické ložisko podľa nároku l alebo 2, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že os hriadeľa (4) je V pracovnom režime zhodná s osou prstenca (7).4. Radiálne magnetické ložisko podľa nároku l alebo 2, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že os hriadeľa (4) je v pracmmom režime nezhodná, ale rovnobežná s osou prstenca (7).5. Radiálne magnetické ložisko podľa ktoréhokoľvek z nárokov 2 až 4, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že riadiaca jednotka na riadenie elektromagnetov je prispôsobená na zmenu požadovanej vzájomnej polohy hriadeľa (4) vzhľadom na prstenec (7) V rámci vôle hriadeľa (4) vzhľadom na stator (1) a vôle prstenca (7) vzhľadom na stator (l).6. Radiálne magnetické ložisko podľa ktoréhokoľvek z nárokov l a 5, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že má dorazové valivé alebo klzné ložisko zaberaj úce do záberu až pred dotykom hriadeľa (4) alebo prstenca (7) o výčnelky (2, 5).7. Radiálne magnetické ložisko podľa ktoréhokoľvek z nárokov l až 3, 5, 6, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že je súčasťou zotrvačníkového akumulátora energie s protibežne sa pohybujúcimi, súosovo uloženými rotormi.

MPK / Značky

MPK: F16C 32/04

Značky: radiálně, magnetické, ložisko

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-u7078-radialne-magneticke-lozisko.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Radiálne magnetické ložisko</a>

Podobne patenty