Inventos patentados en España.

Inventos patentados en España.

Inventos patentados en España en los últimos 80 años. Clasificación Internacional de Patentes CIP 2013.

COJINETE MAGNETICO DE REPULSION.

Patente de Invención. Resumen:

Cojinete magnético de repulsión.

El objeto de la invención consiste en implementar un soporte radial y axial de ejes de máquinas rotativas por medio de cojinetes de suspensión por levitación magnética sustituyendo totalmente a los cojinetes de bolas, rodillos y cojinetes de fricción hidrodinámicos convencionales. La innovación consiste en ejercer fuerzas magnéticas de repulsión entre las partes fijas

(estator o carcasa) y móviles (rotor o eje) de las máquinas rotativas por medio de electroimanes convenientemente alimentados con corriente continua para lograr la repulsión entre las partes fijas y móviles (carcasa o estator y rotor o eje) y evitar así el contacto físico entre rotor y estator y consecuentemente la fricción mecánica entre el eje y el soporte del mismo.

Solicitante: UNIVERSIDADE DA CORUA.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: A CORUÑA.

Inventor/es: FERREIRO GARCIA,RAMON.

Fecha de Solicitud: 5 de Septiembre de 2007.

Fecha de Publicación de la Concesión: 21 de Septiembre de 2010.

Fecha de Concesión: 7 de Septiembre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes: H02K7/09 (..con cojinetes magnéticos [3]), F16C32/04 (.usando medios de soporte magnéticos eléctricos [2]).

Clasificación PCT: H02K7/09 (..con cojinetes magnéticos [3]), F16C32/04 (.usando medios de soporte magnéticos eléctricos [2]).

Volver al resumen de la patente.

COJINETE MAGNETICO DE REPULSION.
Descripción:

Cojinete magnético de repulsión.

Objeto de la invención

El objeto de la invención consiste en implementar un cojinete de soporte radial y axial para ejes de máquinas rotativas que opera bajo el principio de levitación magnética, sustituyendo totalmente a los cojinetes de bolas, rodillos y cojinetes de fricción hidrodinámicos convencionales. La innovación consiste en lograr una fuerza de repulsión entre las partes fijas (estator o carcasa) y móviles (rotor o eje) de las máquinas rotativas por medio de electroimanes convenientemente alimentados con corriente continua para lograr la repulsión entre las partes fijas y móviles del cojinete (estator y rotor) evitando así el contacto físico entre rotor y estator y consecuentemente la fricción mecánica entre el rotor y el estator.

Antecedentes de la invención

Como resultado de un minucioso rastreo sobre el estado de la tecnología relacionada con los diferentes tipos de cojinetes magnéticos utilizados actualmente en las máquinas rotativas, se conocen esencialmente dos tipos de cojinetes de levitación magnética:

(a) ; Cojinetes magnéticos pasivos de repulsión magnética constituidos por dos modelos

    • imanes permanentes.
    • electroimanes ubicados en el soporte o estator e imanes permanentes en el eje. Ambos modelos se caracterizan por su estabilidad inherente sin necesidad por tanto de un sistema de control de posición del eje.

(b) ; Cojinetes magnéticos activos de atracción ferromagnética constituidos por

    • electroimanes ubicados en el soporte o estator y un medio de atracción ferromagnético constituido por el rotor o eje. Se caracteriza por su inestabilidad inherente. Por tanto, este sistema de cojinete necesita un sistema de control eficiente para mantener el eje de rotación del rotor en torno al centro geométrico axial. Por sus características eléctricas pueden ejercer fuerzas de atracción sobre el eje, superiores a las que se obtienen con los cojinetes magnéticos de imanes permanentes. Esta es la razón por la que, pese a su inestabilidad inherente, es el más utilizado en la industria.

Entre los fabricantes de ambos tipos de cojinetes magnéticos destacan SKF y Foster-Miller.

Con objeto lograr un modelo de cojinete inherentemente estable, es decir que opere por repulsión entre las partes fijas y móviles, y además reducir el tamaño de los cojinetes magnéticos y el peso del eje, así como incrementar la capacidad para rechazar perturbaciones ejercidas por fuerzas externas tales como vibraciones provocadas por desequilibrio dinámico o el peso del rotor con los elementos asociados, se propone una innovación basada en la utilización de electroimanes ubicados en el rotor o parte móvil de la máquina rotativa.

Descripción de las figuras

Para iniciar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integral de la misma, un juego de figuras en el que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

Figura 1. Cojinete electrodinámico de repulsión radial. (a) eje de material no magnético. (b) eje ferromagnético.

        1.        Núcleo del electroimán estator.

        2.        Bobina del electroimán estator.

        3.        Núcleo del electroimán rotor.

        4.        Bobina del electroimán rotor.

        20.        Eje rotor.

Figura 2 (a). Cojinete electrodinámico de repulsión axial.

        5.        Núcleo del electroimán ubicado en el eje del cojinete de empuje o axial.

        6.        Bobina del electroimán ubicada en el eje del cojinete de empuje o axial.

        7.        Núcleo del electroimán ubicado en el extremo axial de la carcasa.

        8.        Bobina del electroimán ubicado en el extremo axial de la carcasa.

        20.        Eje rotor en orientación vertical.

Figura 2(b). Cojinete electrodinámico de repulsión radial axial.

        1.        Núcleo del electroimán estator responsable de la repulsión radial y axial debido a su forma tronco-cónica.

        2.        Bobina del electroimán estator.

        4.        Bobina del electroimán rotor.

        20.        Eje rotor.

Figura 2(c). Cojinete electrodinámico de repulsión radial axial.

        1.        Núcleo del electroimán estator responsable de la repulsión radial y axial debido a su forma recta.

        2.        Bobina del electroimán estator.

        4.        Bobina del electroimán rotor.

        20.        Eje rotor.

Figura 3. Esquema de la fuente de alimentación de continua para alimentación de los electroimanes del rotor mostrando transformador rectificador y filtro.

Figura. 4. Transformador para alimentación de los electroimanes ubicados en el rotor. (a) Eje de material ferromagnético. (b). Eje de material no magnético.

        9.        Núcleo del electroimán ubicado en el estator. Inductor.

        10.        Bobina inductora del electroimán ubicado en el estator.

        11.        Núcleo del electroimán ubicado en el rotor. Inducido.

        12.        Bobina inducida del electroimán ubicado en el rotor.

        20.        Eje rotor.

Figura 5. Transformador para alimentación de los electroimanes ubicados en el rotor basada en un acoplamiento magnético axial mostrando el rectificador y filtro.

        13.        Núcleo del secundario del transformador ubicado en el rotor.

        14.        Bobina del Secundario del transformador ubicado en el rotor.

        15.        Núcleo del Primario del transformador ubicado en el estator.

        16.        Bobina del primario del transformador ubicado en el estator.

Figura. 6. Disposición de los dos cojinetes electrodinámicos radiales de repulsión y el sistema de generación para alimentación de los electroimanes ubicados en el rotor.

        1.        Núcleo del electroimán ubicado en el estator.

        2.        Bobina del electroimán del estator.

        3.        Núcleo del electroimán ubicado en el rotor.

        4.        Bobina del electroimán del rotor.

        9.        Núcleo del electroimán ubicado en el estator. Inductor.

        10.        Bobina inductora del electroimán ubicado en el estator.

        11.        Núcleo del electroimán ubicado en el rotor. Inducido.

        12.        Bobina inducida del electroimán ubicado en el rotor.

        13.        Rectificador y filtro.

        20.        Eje rotor.

Figura 7. Diagrama esquemático del sistema de control de posición radial del rotor.

        21.        Sensores de posición decalados 90 grados de arco.

        22.        Selector de señal (mayor).

        23.        Regulador de posición radial del eje.

        24.        Amplificador de corriente.

        25.        Electroimanes del estator.

        26.        Modulador de tensión alterna de alimentación al primario del transformador.

        27.        Electroimanes del rotor.

        28.        Proceso electromecánico de repulsión entre estator y rotor.

Figura 8. Cojinete electromagnético de múltiples bobinas ubicadas en la carcasa o estator independientes y una bobina rotórica tubular.

        31.        Pares de bobinas diametralmente opuestas ubicadas en el estator.

Figura 9. Diagrama esquemático del sistema activo de control por realimentación de posición radial del rotor actuando mediante electroimanes independientes del estator.

        21.        Sensores independientes de posición desfasados 360/número de sensores.

        28.        Proceso electromecánico de repulsión entre estator y rotor.

        29.        Reguladores de posición (uno por cada par de electroimanes diametralmente opuestos).

        30.        Amplificadores de corriente para los actuadores (uno por cada par de electroimanes diametralmente opuestos).

        31.        Par de electroimanes diametralmente opuestos.

Descripción de la invención

El cojinete magnético que se propone tiene que ser implementado en dos lugares axialmente separados para soportar las cargas mecánicas sobre el rotor de manera similar a como lo hacen los cojinetes mecánicos convencionales. La fuerza de repulsión magnética generada por los electroimanes del estator y rotos está aproximada por la siguiente expresión


siendo

        X0        distancia al centro del entrehierro en el punto de equilibrio

        x        desplazamiento de la posición central de equilibrio y entrehierro(m)

        µ0        permeabilidad en el aire H/m;

        A        superficie de repulsión de cada electroimán (m2);

        N        número de vueltas o espiras de las bobinas;

        I1, I2        corrientes de alimentación de electroimanes enfrentados del estator y rotor (A);

        F        fuerza repulsiva entre electroimanes enfrentados (N).

Debido a que las fuerzas que tratan de desviar al rotor respecto al estator operan en todas las direcciones radiales y la dirección axial en dos sentidos, para sujetar al eje en una posición fija respecto al estator se proponen dos tipos de soporte: radial y axial.

Cojinetes magnéticos de repulsión radial

Los cojinetes de repulsión radial sujetan al eje o rotor en una ubicación axialmente próxima el centro geométrico del estator o carcasa, mientras que los cojinetes de repulsión axial sujetan al eje en una posición axial fija evitando el desplazamiento axial del rotor respecto al estator.

Cada unidad de cojinete magnético de repulsión radial está constituido por un electroimán (1), (2) de la figura 1(a), ubicado en el estator y un electroimán (3), (4) de la figura 1(a) ubicado en el rotor. El electroimán ubicado en el estator (1), (2) de la figura 1(a), contiene de forma concéntrica en su interior al electroimán sujeto al rotor (3), (4) de la figura 1(a). Los núcleos de ambos electroimanes están concéntricamente separados en las zonas polares por un huelgo o entrehierro, el cual corresponde a la holgura del cojinete.

En el caso de utilizar un rotor de material ferromagnético, el núcleo del electroimán del rotor está constituido por el propio material del eje tal como se muestra en la figura 1(b) por medio de los elementos (3), (20).

Debido a estas dos variantes constructivas, exige diseños estructurales diferentes.

La figura 1(a) y 1(b) muestra las diferencias entre ambas versiones de cojinete magnético radial de repulsión.

Esencialmente consiste en dos electroimanes concéntricos en forma tubular, uno de los cuales, el interior está sujeto al eje o rotor y gira con él, mientras que el electroimán exterior está sujeto a la carcasa o estator. Al circular por ambos electroimanes sendas corrientes en sentido coincidente, se hace coincidir la igualdad de ambos electroimanes con lo que se produce una repulsión entre el estator y rotor, la cual es responsable de que el rotor permanezca en equilibrio por levitación magnética ubicado en el centro geométrico, en ausencia de fuerzas perturbadoras externas diferentes de la fuerza generada por los campos magnéticos de ambos electroimanes.

Cojinetes magnéticos de repulsión axial

Los cojinetes de repulsión axial sustentan el eje o rotor en una ubicación axial de equilibrio de fuerzas generadas por los electroimanes del estator y rotor, los cuales ejercen fuerzas enfrentadas en sentido axial, evitando el desplazamiento axial del rotor respecto al estator.

La figura 2(a) muestra un cojinete de repulsión axial. Esencialmente consiste en dos electroimanes en oposición magnética para generar la repulsión. El electroimán ubicado en el estator o carcasa (7), (8) de la figura 2(a) está alimentado con una corriente continua en sentido tal que ejerza una fuerza opuesta al electroimán ubicado en el extremo del eje o rotor (5), (6) de la figura 2(a). Entre ambos electroimanes se genera una fuerza repulsiva al enfrentar polos iguales. La separación entre ambos electroimanes es el entrehierro necesario para evitar el contacto axial entre el estator y el eje o rotor.

Cojinetes magnéticos de repulsión radial y axial

Las figuras 2(b) y 2(c) muestran dos modelos del cojinete de repulsión magnética axial y radial simultánea. Tal combinación de repulsiones radial y axial se debe a la constitución del núcleo del electroimán del estator, el cual al estar modelado de manera que favorezca el cierre de las líneas de flujo del campo en el polo del extremo del eje en dirección radial y axial, lo que provoca la actuación repulsiva de las fuerzas magnéticas en sentido oblicuo, es decir axial y radial simultáneamente. La figura 2(c) ilustra el mismo concepto que la figura 2(b) con la diferencia de que los electroimanes están modelados en ángulo recto en los extremos del rotor.

Alimentación de los electroimanes ubicados en el rotor

Para alimentar con corriente continua las electroimanes ubicados en el rotor, se propone una fuente de alimentación de continua constituida por un transformador un rectificador y un filtro, adoptando la configuración esquemática de la figura 3.

Transformador de acoplamiento magnético Radial.

El transformador de acoplamiento magnético radial está formado por dos arrollamientos: el primario (10) de la figura 4 y el secundario (11) de la figura 4. El arrollamiento primario o inductor está ubicado en el estator o carcasa y va alimentado con tensión alterna, mientras que el arrollamiento secundario o inducido está ubicado en el rotor, aportando una tensión alterna inducida de valor asociado con la relación de transformación. La figura 4 (a) y 4(b) muestra las diferencias esenciales entre utilizar un rotor de material ferromagnético y la utilización de un rotor de material no magnético.

Transformador de acoplamiento magnético axial

En la figura 5 se muestra un transformador de acoplamiento magnético axial con rectificador y filtro en donde el transformador está ubicado en un extremo del rotor. El arrollamiento primario está constituido por los elementos (15), (16) de la figura 5 y el arrollamiento del secundario está constituido por los elementos sujetos el rotor (20), (14) de la figura 5. El rectificador y el filtro están alojados en el hueco central del rotor. En el caso de un rotor ferromagnético el núcleo del secundario del transformador coincide con el rotor (20). Es evidente que la corriente continua producida para una determinada relación de transformación solo depende de la tensión alterna de alimentación para una distancia entre los núcleos del primario y secundario fija. En caso de variación del entrehierro o distancia entre los núcleos del primario y secundario se hace necesario un regulador de tensión.

La figura 6 muestra los detalles constructivos de un rotor y la disposición los elementos de sustentación y alimentación. Se observa que el rotor está sustentado por dos cojinetes magnéticos de repulsión radial cuyos electroimanes (1) (2) (3) y (4) conforman los elementos repulsivos entre el estator y rotor. Asimismo se muestra el transformador de acoplamiento magnético axial (9) (10) (11) y (12) para alimentación de los electroimanes o actuadores ubicados en el rotor después de rectificar y filtrar por medio de (13).

Sistema de control de los cojinetes magnéticos de repulsión radial y axial

A pesar de que los cojinetes magnéticos de repulsión axial y radial que se proponen son inherentemente estables, es decir el rotor tiende a mantenerse lo mas alejado posible del estator, con lo cual tiende a ubicarse en el centro geométrico ante cargas uniformemente distribuidas, si tal sistema de suspensión está sujeto a variaciones de carga no distribuidas uniformemente, se desviaría del eje central incluso hasta hacer contacto físico con el estator. Para evitar este contacto físico se hace necesario compensar las fuerzas perturbadoras mediante fuerza magnética. Para realizar tal compensación es suficiente incrementar la intensidad de alimentación de los electroimanes actuadores lo suficiente, lo cual lleva consigo un consumo excesivo de corriente con el consiguiente calentamiento de los arrollamientos magnéticos. Para evitar tales inconvenientes (excesivo consumo de corriente con el consiguiente calentamiento de las bobinas) se propone la modulación de la corriente de alimentación de los electroimanes de manera que la intensidad de alimentación de los mismos varíe en función del máximo desvío del rotor de su posición central con respecto al estator en el caso de cojinetes de repulsión radial. Esto significa un sistema de control por realimentación selector de la posición del rotor respecto al estator.

Estructura del sistema de control de corriente al electroimán del estator y rotor.

El sistema de control selector por realimentación consiste en medir el desvío del rotor respecto al estator mediante dos sensores de posición radial decalados 90 grados de arco con objeto de captar la posición en los dos ejes perpendiculares del mismo plano radial de simetría. Los valores de las medidas de ambos sensores de posición (21) de la figura 7 son comparados mediante el selector de señal (22). El mayor valor de entre las dos medidas disponibles es seleccionado por (22), siendo enviado al regulador de posición (23), el cual consiste en un controlador PID convencional. La señal de salida del controlador es amplificada por medio de dos amplificadores (24) y (26). El amplificador (24) es de corriente continua necesario para alimentar los dos electroimanes del estator (25) en caso un rotor sustentado por dos cojinetes, mientras que (26) es un amplificador de tensión alterna para alimentar el transformador de la fuente de alimentación necesaria para alimentar los dos electroimanes del rotor (27). Las fuerzas magnéticas variables por medio del sistema de control por realimentación selector que se propone, actúan sobre el rotor ubicándolo en su posición de referencia utilizando solamente el consumo de corriente estrictamente necesario. Este proceso electromecánico se identifica con el bloque (28).

Alternativamente se propone la compensación activa de fuerzas perturbadoras actuando solamente desde el estator, lo cual significa que la señal de salida del controlador PID (23) es amplificada mediante (24) para alimentar solamente los electroimanes del estator (25) mientras que los electroimanes del rotor actúan a corriente constante. Con esta modalidad se elimina el amplificador de tensión alterna al transformador y complejidad del sistema de control en detrimento del consumo de energía constante para los electroimanes del rotor.

Control activo de vibraciones

Cuando el rotor está dinámicamente desequilibrado a consecuencia de una distribución de masas no uniforme, o a consecuencia de fuerzas procedentes de la interacción del rotor con el fluido, o a consecuencia de la propia oscilación del estator, trae como resultado la aparición de niveles de vibración que pueden alcanzar valores del desvío del rotor respecto al estator peligrosos en términos de contacto físico entre rotor y estator. Para atenuar este efecto se propone el control activo de vibraciones actuando sobre el rotor por medio de los electroimanes del estator.

La figura 8 muestra la estructura del cojinete de repulsión radial en donde el estator está constituido por varios pares de electroimanes diametralmente opuestos (31). En cuanto al rotor y sus electroimanes, está constituido de manera similar a la descrita en la figura 1. Los electroimanes del estator (31) son alimentados con corriente continua para mantener la polaridad fija en sentido repulsivo. La razón de dotar al estator de electroimanes independientes es la de controlar las fuerzas repulsivas en las direcciones de mayor actividad vibratoria para atenuar el efecto mecánico de las vibraciones. Esta estructura demanda un sistema realimentado de control para cada par de bobinas del estator diametralmente opuestas.

Estructura del sistema de control de corriente a los electroimanes del estator.

En el sistema de control mostrado en la figura 9, por cada par de electroimanes del estator (31) existe un sensor de posición del rotor (21) para captar la posición del rotor en el sentido de las fuerzas del citado par de electroimanes. Así, la posición capturada por cada sensor de posición es realimentada hacia el correspondiente controlador (29). Un controlador convencional del tipo PID es suficiente. Las señales de salida de los controladores (29) son amplificadas y fragmentadas individualmente en dos señales (30) para alimentar dos bobinas diametralmente opuestas (31), de manera que una señal positiva del controlador significa alimentar un electroimán en sentido positivo y el electroimán opuesto en el sentido opuesto al primero. Esto significa que cualquier valor amplificado que alimenta a un electroimán en sentido positivo es aplicado en sentido negativo al electroimán diametralmente opuesto. Los campos repulsivos de los electroimanes del estator asociados al campo repulsivo generado por el electroimán del rotor dan lugar a la dinámica representada por el bloque (28). Con esta técnica se logra el control individual de fuerzas perturbadoras de direcciones y sentidos conocidos por las medidas de la posición del rotor con respecto a una posición de referencia, que suele ser la posición central.

Descripción de una realización preferente

En la figura y 6 se muestran la configuración preferida de dos cojinetes magnéticos de repulsión combinada (axial y radial). La figura 6 muestra el cojinete de repulsión radial y axial, el cual suspende al rotor por levitación magnética repulsiva, evitando el desplazamiento radial y axial del rotor, el cual resulta útil para máquinas rotativas que operan preferentemente en sentido horizontal. Tanto las máquinas que operan en sentido horizontal como las que operan en sentido vertical necesitan ser sustentadas por ambos modelos de cojinetes, esto es, cojinetes de suspensión radial y cojinetes de suspensión axial, con objeto de mantener el rotor en una posición fija respecto al estator en los seis grados de libertad.




Reivindicaciones:

1. Cojinete magnético de repulsión, caracterizado por ser de repulsión radial y estar constituido por dos electroimanes de forma tubular y concéntrica uno respecto al otro. Uno va fijado y ubicado en el estator, y el complementario va concéntrico a éste y adosado al rotor. El rotor a su vez va concéntrico a este electroimán. Ambos son alimentados con corrientes continuas de sentidos coincidentes para generar repulsión entre el estator y rotor.

2. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª, caracterizado por ser de repulsión axial y estar constituido por dos electroimanes de forma tubular alineados axialmente. Uno va fijado y ubicado en el estator frente a un extremo del rotor, y el otro electroimán de forma tubular va adosado al extremo del rotor frente al electroimán del estator, ambos alimentados con corrientes continuas de sentidos contrarios para generar repulsión axial entre el estator y rotor.

3. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª y 2ª caracterizado por ser de repulsión radial y axial y estar constituido por dos electroimanes de forma tubular alineados axialmente, en donde las formas de los extremos de los electroimanes de la carcasa están modelados para ejercer fuerzas radiales y axiales simultáneamente.

4. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª y 2ª y 3ª, caracterizado por el sistema de alimentación de los electroimanes del rotor, el cual está constituido por un transformador cuyo primario o bobinado inductor está alojado en el estator y el secundario o bobinado inducido está alojado en el rotor. La corriente alterna obtenida por inducción electromagnética es rectificada y filtrada con dispositivos convencionales ubicados en el hueco concéntrico del rotor. Los electroimanes del estator son alimentados con corriente continua desde otra fuente externa.

5. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª y 2ª, caracterizado por dos sistemas de control de corriente a los electroimanes del estator y del rotor:

(1) sistema constituido por dos sensores decalados 90 grados de arco, un selector de la señal del mayor valor, un controlador y un amplificador de señal para alimentar la bobina del estator con una corriente variable, en donde la bobina del electroimán del rotor permanece con alimentación constante.

(2) sistema constituido por dos sensores decalados 90 grados de arco, un selector de la señal del mayor valor, un controlador y un amplificador de señal para alimentar con corriente continua la bobina del estator y un amplificador de alterna para alimentar el primario del transformador de la fuente de alimentación del electroimán del rotor, de tal manera que los electroimanes del estator y del rotor son alimentados con corriente variable en función de la posición radial del rotor respecto del estator.

6. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª, caracterizado por utilizar en el estator un juego de pares de electroimanes, alimentados mediante corriente continua de modo independiente entre si y de sentidos coincidentes con el sentido del electroimán del rotor para favorecer la coincidencia de igualdad polar y conseguir la repulsión magnética.

7. Cojinete magnético de repulsión, según reivindicación 1ª, caracterizado por el sistema de control individual de los electroimanes del estator, en donde, en función de la posición radial del rotor, se actúa de modo independiente sobre cada par de electroimanes del estator por medio de un controlador de realimentación, por cada par de bobinas diametralmente opuestas, tratando de llevar el rotor a su posición de referencia anulando el efecto de fuerzas externas y vibraciones del rotor.






Acerca de · Contacto · Patentados.com desde 2007 hasta 2014 // Última actualización: 28/11/2014.