Dispositivo de cojinete magnético de un eje del rotor en contra de un estator, con elementos de disco del rotor y elementos de disco del estator que enganchan unos dentro de otros.

Dispositivo para el soporte magnético de un eje del rotor (3) contra un estator,

con las siguientes características:

a) una primera pieza de cojinete (4) se encuentra conectada con el eje del rotor (3), y es rodeada por una segunda pieza de cojinete (7) asignada al estator, con un distanciamiento recíproco,

b) la primera pieza de cojinete (4) comprende elementos de disco del rotor (4i) magnéticos suaves, orientados perpendicularmente al eje (A) del eje del rotor (3), y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A), que se encuentran distanciados respectivamente mediante la conformación de un espacio intermedio (5j),

c) la segunda pieza de cojinete (7) comprende elementos de disco del estator (7i) magnéticos suaves distanciados entre sí, orientados perpendicularmente al eje del árbol del rotor (A), y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A), que sobresalen respectivamente hacia el interior de uno de los espacios intermedios (5j) de los elementos de disco del rotor (4i) adyacentes,

d) los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i), en sus lados orientados respectivamente unos con otros, se encuentran provistos de prolongaciones (4f ó 7f) anulares en forma de dientes, que se encuentran enfrentadas respectivamente mediante una abertura de ventilación (8k),

e) los lados planos orientados unos con otros, provistos de prolongaciones (4f, 7f) en forma de dientes, de los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i), se encuentran dispuestos de manera inclinada en relación con una vertical en el eje del árbol del rotor (A),

f) a los elementos de disco del rotor (4i) o a los elementos de disco del estator (7i) se les asignan medios que generan campos magnéticos para crear un flujo magnético (Mf) entre los elementos de disco (4i, 7i), orientado esencialmente en un sentido axial común, y

g) la abertura de ventilación (8k) presenta entre las prolongaciones (4f ó 7f) enfrentadas, en forma de dientes, un ancho axial que asciende entre 0, 2 veces y 0, 6 veces del ancho axial de las prolongaciones en forma de dientes (4f ó 7f) .

Dispositivo de cojinete magnético de un eje del rotor en contra de un estator, con elementos de disco del rotor y elementos de disco del estator que enganchan unos dentro de otros La presente invención hace referencia a un dispositivo para el soporte magnético de un eje del rotor contra un estator, con las siguientes características:

a) una primera pieza de cojinete se encuentra conectada con el eje del rotor, y es rodeada por una segunda pieza de cojinete asignada al estator, con un distanciamiento recíproco, b) la primera pieza de cojinete comprende elementos de disco del rotor magnéticos suaves, orientados perpendicularmente al eje del eje del rotor, y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje, que se encuentran distanciados respectivamente mediante la conformación de un espacio intermedio, c) la segunda pieza de cojinete comprende elementos de disco del estator magnéticos suaves distanciados entre sí, orientados perpendicularmente al eje del árbol del rotor, y dispuestos en serie en el sentido del eje del árbol del rotor, que sobresalen respectivamente hacia el interior de uno de los espacios intermedios de los elementos de disco del rotor adyacentes, d) entre los elementos se conforma un flujo magnético orientado esencialmente en el sentido axial.

Un dispositivo de cojinete correspondiente se deduce, por ejemplo, de la patente DE 38 44 563.

Los dispositivos de cojinete magnéticos permiten un soporte libre de contacto y de desgaste de las piezas móviles. Dichos dispositivos no requieren de agentes lubricantes y se pueden construir de manera que presenten poco rozamiento.

Los dispositivos de cojinete magnéticos radiales o axiales convencionales utilizan fuerzas magnéticas entre los electroimanes entre los electroimanes estacionarios de un estator y los elementos ferromagnéticos de un cuerpo del rotor que rotan conjuntamente. En el caso de dicha clase de cojinete, las fuerzas magnéticas son siempre atrayentes. Como consecuencia, en principio no se puede lograr ningún soporte estable inherente en los tres sentidos espaciales. Por lo tanto, esta clase de dispositivos de cojinete magnéticos requieren de una regulación activa del cojinete que controla las corrientes de los electroimanes a través de sensores de posición y bucles de control, y contrarrestan las divergencias del cuerpo del rotor a partir de su posición teórica. La regulación que se realiza mediante una pluralidad de canales, requiere de una electrónica de potencia costosa. Los dispositivos de cojinete magnético correspondientes se emplean, por ejemplo, en el caso de las bombas turbomoleculares, las ultracentrífugas, los husillos de alta velocidad de máquinas-herramientas, y los tubos de rayos X con ánodos giratorios. También se conoce la utilización en motores, generadores, turbinas y compresores.

La conformación básica de un dispositivo de cojinete correspondiente 30 se representa en la figura 1. En la figura se indican dos cojinetes radiales activos 31 y 32 con imanes de excitación 33 y 34, y rotores del cojinete 35 y 36 en un eje del rotor 37, un cojinete axial activo 38 con discos del rotor 39 y 40 en el eje del rotor 37, y devanados concéntricos 42i en los discos del rotor, así como cinco sensores de distancia 41a a 41e, en correspondencia con ambos grados de libertad laterales respectivamente por cojinete radial, y con un grado de libertad del cojinete axial. Además, se requieren cinco bucles de control asignados r1 a r4 ó z5. Dichos dispositivos correspondientes desde un comienzo no son estacionarios, dado que en el caso de un dispositivo de cojinete de esta clase con una abertura del cojinete que se reduce, se incrementan las fuerzas de atracción. Por consiguiente, la posición del eje del rotor 37 se debe estabilizar mediante un bucle de control compuesto por una medición de distancia de los sensores 41a a 41e con un regulador dispuesto a continuación, y un amplificador que alimenta los imanes de excitación 33 y 34. En consecuencia, los dispositivos de cojinete correspondientes resultan costosos. Se debe proporcionar adicionalmente un cojinete de retención mecánico, para evitar una interrupción repentina del bucle de control.

Además, se conocen, por ejemplo, de la patente DE 44 36 831 C2, dispositivos de cojinete magnéticos con imanes permanentes y con un material superconductor de alta temperatura crítica. Esta clase de dispositivos de cojinete presentan una estabilidad propia, es decir, que no requieren de regulación alguna. Debido a la temperatura criogénica de funcionamiento necesaria del material superconductor de particularmente por debajo de 80 K, se requieren sin embargo un aislamiento térmico y un suministro de frío mediante un agente refrigerante criogénico correspondiente o mediante una máquina de enfriamiento.

También se conocen dispositivos de cojinete que presentan estabilidad propia en un sentido, con un flujo magnético, piezas magnéticas suaves, por ejemplo, compuestas de hierro, y con imanes permanentes. En las ejecuciones correspondientes de esta clase de dispositivos de cojinete, como se deducen, por ejemplo, de las patentes DE 34 08 047 A y DE 38 44 563 A, los anillos de imanes permanentes se orientan hacia un eje, axialmente en una primera línea con los polos de un yugo de hierro, y generan de esta manera un centrado radial. El flujo magnético se amplifica en este caso mediante bobinas de excitación, en donde eventualmente el grado de libertad axial inestable, se estabiliza mediante un bucle de control electrónico. Además, se pueden enfilar una pluralidad de imanes anulares dispuestos en serie de manera alternada entre estacionaria y giratoria, con la misma magnetización axial, y cumplen con una función de soporte radial. También en este caso, el grado de libertad axial se debe estabilizar de manera activa.

A partir de la patente DE 199 44 863 A, se deduce además una bomba con un soporte radial modificado. En este caso, se proporciona un rotor con cilindros magnéticos permanentes en lugar de anillos, en donde se encuentran axialmente enfrentados a dicho imán permanente estacionario o cilindro de hierro. Un estator que encierra el rotor, presenta bobinas de excitación eléctricas. Además, existen estabilizadores radiales especiales.

Todos los dispositivos de cojinete mencionados anteriormente con piezas magnéticas permanentes, presentan un fuerza portante relativamente reducida y una rigidez del cojinete insuficiente.

Es objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo de cojinete magnético para un soporte sin contacto de un eje, particularmente para una máquina de alta velocidad, como por ejemplo, un turbocompresor, que en comparación con el estado del arte mencionado, resulta menos costoso. En particular, considerando las fuerzas dinámicas y las tolerancias de abertura reducidas, se garantiza una fuerza portante elevada y una rigidez elevada del cojinete.

Dicho objeto se resuelve, conforme a la presente invención, mediante las medidas mencionadas en la reivindicación 1.

De acuerdo con ello, en el dispositivo para el soporte magnético de un eje del rotor contra un estator, se deben proporcionar las siguientes características:

- una primera pieza de cojinete se encuentra conectada con el eje del rotor, y es rodeada por una segunda pieza de cojinete asignada al estator, con un distanciamiento,

- la primera pieza de cojinete comprende elementos de disco del rotor magnéticos suaves, orientados perpendicularmente al eje del eje del rotor, y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje, que se encuentran distanciados respectivamente mediante la conformación de un espacio intermedio,

- la segunda pieza de cojinete comprende elementos de disco del estator magnéticos suaves distanciados entre sí, orientados perpendicularmente al eje del árbol del rotor, y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje, que sobresalen respectivamente hacia el interior de uno de los espacios intermedios de los elementos de disco del rotor,

- los elementos de disco del rotor y los elementos de disco del estator, en sus lados orientados respectivamente unos con otros, se encuentran provistos de prolongaciones anulares en forma de dientes, que se encuentran enfrentadas respectivamente mediante una abertura de ventilación, y

- a los elementos de disco del rotor o a los elementos de disco del estator se le asignan medios que generan campos magnéticos, para generar un flujo magnético entre dichos elementos, orientado esencialmente en el sentido axial.

En el caso del dispositivo de cojinete conforme a la presente invención, en comparación con el estado del arte, los medios exteriores... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para el soporte magnético de un eje del rotor (3) contra un estator, con las siguientes características:

a) una primera pieza de cojinete (4) se encuentra conectada con el eje del rotor (3) , y es rodeada por una segunda pieza de cojinete (7) asignada al estator, con un distanciamiento recíproco, b) la primera pieza de cojinete (4) comprende elementos de disco del rotor (4i) magnéticos suaves, orientados perpendicularmente al eje (A) del eje del rotor (3) , y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A) , que se encuentran distanciados respectivamente mediante la conformación de un espacio intermedio (5j) , c) la segunda pieza de cojinete (7) comprende elementos de disco del estator (7i) magnéticos suaves distanciados entre sí, orientados perpendicularmente al eje del árbol del rotor (A) , y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A) , que sobresalen respectivamente hacia el interior de uno de los espacios intermedios (5j) de los elementos de disco del rotor (4i) adyacentes, d) los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i) , en sus lados orientados respectivamente unos con otros, se encuentran provistos de prolongaciones (4f ó 7f) anulares en forma de dientes, que se encuentran enfrentadas respectivamente mediante una abertura de ventilación (8k) , e) los lados planos orientados unos con otros, provistos de prolongaciones (4f, 7f) en forma de dientes, de los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i) , se encuentran dispuestos de manera inclinada en relación con una vertical en el eje del árbol del rotor (A) , f) a los elementos de disco del rotor (4i) o a los elementos de disco del estator (7i) se les asignan medios que generan campos magnéticos para crear un flujo magnético (Mf) entre los elementos de disco (4i, 7i) , orientado esencialmente en un sentido axial común, y g) la abertura de ventilación (8k) presenta entre las prolongaciones (4f ó 7f) enfrentadas, en forma de dientes, un ancho axial que asciende entre 0, 2 veces y 0, 6 veces del ancho axial de las prolongaciones en forma de dientes (4f ó 7f) .

2. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por una inclinación de los lados planos de los elementos de disco del rotor (4i) y de los elementos de disco del estator (7i) , de un ángulo de entre 7° y 15° en relación con una vertical en el eje del árbol del rotor (A) .

3. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las prolongaciones en forma de dientes (4f, 7f) presentan una conformación trapezoidal, vistas en una sección longitudinal.

4. Dispositivo para el soporte magnético de un eje del rotor (3) contra un estator, con las siguientes características:

a) una primera pieza de cojinete (4) se encuentra conectada con el eje del rotor (3) , y es rodeada por una segunda pieza de cojinete (7) asignada al estator, con un distanciamiento recíproco, b) la primera pieza de cojinete (4) comprende elementos de disco del rotor (4i) magnéticos suaves, orientados perpendicularmente al eje (A) del eje del rotor (3) , y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A) , que se encuentran distanciados respectivamente mediante la conformación de un espacio intermedio (5j) , c) la segunda pieza de cojinete (7) comprende elementos de disco del estator (7i) magnéticos suaves distanciados entre sí, orientados perpendicularmente al eje del árbol del rotor (A) , y dispuestos en serie en el sentido de dicho eje (A) , que sobresalen respectivamente hacia el interior de uno de los espacios intermedios (5j) de los elementos de disco del rotor (4i) adyacentes, d) los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i) , en sus lados orientados respectivamente unos con otros, se encuentran provistos de prolongaciones (4f ó 7f) anulares en forma de dientes, que se encuentran enfrentadas respectivamente mediante una abertura de ventilación (8k) , e) las prolongaciones en forma de dientes (4f, 7f) presentan una conformación trapezoidal, vistas en una sección longitudinal, f) a los elementos de disco del rotor (4i) o a los elementos de disco del estator (7i) se les asignan medios que generan campos magnéticos para crear un flujo magnético (Mf) entre los elementos de disco (4i, 7i) , orientado esencialmente en un sentido axial común, y g) la abertura de ventilación (8k) presenta entre las prolongaciones (4f ó 7f) enfrentadas, en forma de dientes, un ancho axial que asciende entre 0, 2 veces y 0, 6 veces del ancho axial de las prolongaciones en forma de dientes (4f ó 7f) .

5. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para el cierre del circuito del flujo magnético se proporciona un material magnético suave que se extiende axialmente, en el exterior de los espacios intermedios (5j) entre los elementos de disco del rotor (4i) y los elementos de disco del estator (7i) , en el borde radial interior o exterior de los elementos de disco (4i, 7i) , a los cuales no se asignan los medios generadores de campos magnéticos.

6. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el material magnético suave se encuentra a disposición para el cierre del circuito del flujo magnético mediante un cuerpo de yugo (16, 20) que se extiende axialmente o mediante, al menos, partes del eje del rotor (3) .

7. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios generadores de campos magnéticos son elementos magnéticos permanentes (4m, 7m, 19m) .

8. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque los elementos (4m, 7m) magnéticos permanentes se encuentran integrados, al menos, en algunos de los elementos de disco del rotor (4i) o elementos de disco del estator (7i) .

9. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de disco (4i ó 7i) con los elementos magnéticos permanentes (4m ó 7m) se encuentran distribuidos axialmente, respectivamente en dos mitades, entre las cuales se encuentran dispuestos los elementos magnéticos permanentes (4m, 7m) .

10. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque los elementos de disco (4i ó 7i) con los elementos magnéticos permanentes (4m ó 7m) presentan radialmente una dimensión mayor que los elementos de disco sin elementos magnéticos permanentes.

11. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios generadores de campos magnéticos están conformados por, al menos, un devanado (23, 26) de un electroimán.

12. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el, al menos un, devanado magnético (23, 26) se encuentra dispuesto en el borde radial interior o exterior de los elementos de disco del rotor (4i) o de los elementos de disco del estator (7i) .

13. Dispositivo de cojinete magnético de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el, al menos un, devanado magnético (23, 26) se asigna al material magnético suave que se extiende axialmente de un cuerpo de yugo (20) , o al eje del rotor (3) .