BR102013030591A2 - sistema de mancal magnético - Google Patents

Abstract

sistema de mancal magnético. trata-se de um sistema de mancal magnético (100) que inclui um primeiro eletroímã (104), um segundo eletroimã (106) oposto ao primeiro eletroimã e um rotor (102) posicionado entre o primeiro e o segundo eletroimãs. os primeiro e segundo eletroimãs são configurados para aplicar uma força magnética. o sistema também inclui um controlador (110) configurado para determinar uma ação de controle necessária para mover o rotor para um ponto de ajuste de rotor predeterminado. o sistema inclui, adicionalmente, um dispositivo de compensação não linear (112) configurado para calcular um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o primeiro eletroimã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o segundo eletroimã para manter uma rigidez predeterminada durante pelo menos uma dentre inicialização, operação e desativação do sistema de mancal magnético. os primeiro e segundo pontos de ajuste de corrente elétrica são calculados com base na ação de controle determinada pelo controlador.

Description

“SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO” Antecedentes As realizações descritas no presente documento referem-se geralmente aos sistemas de mancai magnético e, mais especificamente, à compensação não linear de sistemas de mancai magnético.

Os sistemas de mancai magnético ativo são usados em sistemas mecânicos giratórios para fornecer suporte de operação sem contato de uma peça giratória dentro de um sistema mecânico. O recurso sem contato de mancais magnéticos ativos fornece resistência giratória diminuída no rotor e desgaste reduzido no sistema giratório, levando à eficácia e vida útil do componente de sistema giratório aumentada.

Pelo menos alguns sistemas de mancai magnético ativo conhecidos incluem pelo menos um par de ativadores ou eletroímãs, sensores de posição e um controlador. Os sensores de posição detectam uma posição do rotor ou a distância de entreferro atual, em relação aos ativadores. A distância de entreferro é comunicada como um sinal ao controlador, que compara a distância de entreferro real a uma distância de entreferro preferencial (“ponto de ajuste operacional preferencial”) para a operação do rotor. O controlador, então, emite uma corrente de excitação em relação a uma mudança na corrente de mancai necessária para retornar o rotor ao ponto de ajuste operacional preferencial.

Tais sistemas de mancai magnético ativo conhecidos utilizam tipicamente um par de ativadores que operam relativos um ao outro. Mais especificamente, à medida que a corrente e a força em um primeiro ativador são aumentadas, a corrente e a força em um segundo ativador é diminuída através de uma quantidade substancialmente semelhante. Uma relação não linear é criada entre a força magnética exercida no rotor e na corrente de excitação dos ativadores. Tal relação não linear faz com que esses sistemas conhecidos se comportem de forma diferente durante a inicialização e/ou desativação, conforme comparados à operação contínua no ponto de ajuste operacional preferencial da distância de entreferro. Ademais, a rotina de inicialização regular pode incluir a elevação lenta da distância de levitação até o entreferro máximo disponível a fim de calibrar o sistema e estima a vida útil remanescente dos mancais de assentamento. Tal procedimento atravessa uma faixa significante de pontos de operação que têm comportamentos muito distintos.

Para neutralizar os comportamentos não lineares dos pontos de operação diferentes, pelo menos alguns sistemas conhecidos usam estratégia de corrente de orientação para parcialmente reduzir o comportamento não linear dos mancais magnéticos ativos em um ponto de operação estável. Tais estratégias de corrente de orientação normalmente falham em reduzir a não linearidade durante a inicialização e os procedimentos de desativação. Adicionalmente, tais estratégias carecem de eficácia em que os dois ativadores opostos exigem constantemente que a corrente crie a força oposta necessária para mover o rotor ao ponto de ajuste, resultando em energia desperdiçada.

Breve Descrição Em um aspecto, um sistema de mancai magnético é fornecido. O sistema de mancai magnético includes um primeiro eletroímã, um segundo eletroímã oposto ao primeiro eletroímã e um rotor posicionado entre o primeiro e o segundo eletroímãs. O primeiro e o segundo eletroímãs são configurados para aplicar uma força magnética. O sistema também inclui um controlador configurado para determinar uma ação de controle necessária para mover o rotor a um ponto de ajuste de rotor predeterminado. O sistema inclui, adicionalmente, um dispositivo de compensação não linear configurado para calcular um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o primeiro eletroímã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o segundo eletroímã manter uma rigidez predeterminada durante pelo menos uma dentre a inicialização, a operação e a desativação do sistema de mancai magnético. O primeiro e o segundo pontos de ajuste de corrente elétrica são calculados com base na ação de controle determinada através do controlador.

Em outro aspecto, um método é fornecido para controlar um sistema de mancai magnético, em que o sistema de mancai magnético includes inclui um rotor posicionado entre o primeiro e o segundo eletroímãs opostos, um controlador e um dispositivo de compensação não linear. O método inclui medir uma distância de entreferro entre o primeiro e o segundo eletroímãs e o rotor. O método também inclui calcular, através do uso do dispositivo de compensação não linear, um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o primeiro eletroímã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o segundo eletroímã para manter uma rigidez predeterminada durante pelo menos uma dentre a inicialização, a operação e a desativação do sistema de mancai magnético. O método inclui, adicionalmente, aplicar o primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica no primeiro eletroímã e o segundo ponto de ajuste de corrente elétrica no segundo eletroímã.

Em ainda outro aspecto, um dispositivo de compensação não linear é fornecido para uso em um sistema de mancai magnético. O dispositivo de compensação não linear é configurado para calcular um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para um primeiro eletroímã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para um segundo eletroímã para manter uma rigidez predeterminada durante pelo menos uma dentre a inicialização, a operação e a desativação do sistema de mancai magnético. O primeiro e o segundo pontos de ajuste de corrente elétrica são calculados com base em uma ação de controle necessária para mover um rotor a um ponto de ajuste de rotor predeterminado determinado através de um controlador.

Desenhos Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção irão se tornar mais bem entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida em referência aos desenhos anexos nos quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes por todos os desenhos, em que: A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos simplificado de um sistema de mancai magnético exemplificativo. A Figura 2 é um fluxograma de um método exemplificativo para controlar um sistema de mancai magnético A menos que seja indicado de outro modo, os desenhos fornecidos no presente documento se destinam a ilustrar recursos inventivos centrais da invenção. Acredita-se que esses recursos inventivos centrais sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas que compreendem uma ou mais realizações da invenção. Como tal, os desenhos não têm o propósito de incluir todos os recursos convencionais, conhecidos por aqueles de habilidade comum na técnica, como sendo exigidos para a prática da invenção.

Descrição Detalhada No seguinte relatório descritivo e nas reivindicações, será feita referência a vários termos que devem ser definidos de modo a ter os seguintes significados.

As formas singulares “um”, “uma” e “o(a)” incluem referências plurais a menos que o contexto dite o contrário. “Opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou a circunstância descrita subsequentemente pode ou não ocorrer e que a descrição inclui casos em que o evento ocorre e casos em que não ocorre. A linguagem aproximativa, conforme usada no presente documento por todo o relatório descritivo e nas reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que poderia variar, de forma permissível, sem resultar em uma mudança na função básica à qual é relacionada. Em conformidade, um valor modificado através de um termo ou termos, tal como “cerca de” e “substancialmente”, não devem ser limitados ao valor preciso especificado. Em pelo menos alguns exemplos, a linguagem aproximativa pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. No presente contexto e por todo relatório descritivo e nas reivindicações, limitações de faixa podem ser combinadas e/ou intercambiadas, tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mais a menos que o contexto ou a linguagem indique de outro modo. A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos simplificado de um sistema de mancai magnético ativo exemplificativo 100. O sistema de mancai magnético 100 pode ser implantado em uma máquina giratória (não mostrada) que tem um elemento giratório, tal como um rotor 102. Os exemplos de tais máquinas giratórias incluem, mas sem limitação, compressores, sopradores, bombas, turbinas, motores e geradores. Na realização exemplificativa, o sistema de mancai magnético 100 inclui um primeiro eletroímã 104 e um segundo eletroímã 106 posicionados em lados opostos do rotor 102 para suportar o rotor 102 em um estado de levitação sem contato. O sistema 100 também inclui pelo menos um sensor de posição 108 acoplado a um dentre os eletroímãs 104 e 106 para determinar a distância de entreferro entre o rotor 102 e o eletroímã 104 ou 106. Uma distância de entreferro total é conhecida, possibilitando que a distância de entreferro do eletroímã 104 ou 106 sem o sensor de posição 108 seja calculada através da subtração da distância de entreferro medida a partir da distância de entreferro total. O sistema 100 inclui, adicionalmente, um controlador 110 acoplado, de forma comunicável, para receber um sinal que representa uma distância de entreferro que é transmitida através de um sensor de posição 108 de um dispositivo de compensação não linear 112 acoplado, de forma comunicável, ao o controlador 110 e aos eletroímãs 104 e 106 para calcular os níveis de corrente para possibilitar que os eletroímãs 104 e 106 mantenham uma rigidez negativa predeterminada. Em uma modalidade alternativa, o dispositivo de compensação não linear 112 pode ser embutido no controlador 110. A rigidez negativa predeterminada é mantida durante pelo menos uma dentre a inicialização, a operação e a desativação do sistema 100. Os sinais de corrente determinados através do dispositivo de compensação não linear 112 são gerados através de amplificadores de potência 114 e são aplicados nos eletroímãs 104 e 106. Em uma realização alternativa, cada um dos eletroímãs 104 e 106 pode ser uma configuração híbrida que inclui um ímã permanente e uma combinação de eletroímãs.

Na realização exemplificativa, o sensor de posição 108 é configurado para transmitir informações sobre a posição do rotor 102 ao o controlador 110, tipicamente, na forma de uma voltagem elétrica. Normalmente, o sensor de posição 108 é calibrado de modo que quando o rotor 102 esteja no ponto de ajuste desejado, o sensor de posição 108 produz uma voltagem nula. Quando o rotor 102 é movido ao redor desse ponto de ajuste desejado, uma voltagem positiva é produzida e quando é movida para baixo, uma voltagem negativa resulta. Em uma realização alternativa, o sistema 100 pode implantar um mancai sem sensor, em que o deslocamento do rotor 102 é detectado através da medição de uma mudança de uma indutância de um dentre os eletroímãs 104 e 106.

Na realização exemplificativa, o controlador 110 e o dispositivo de compensação não linear 112 incluem, cada um, e/ou são implantados através de pelo menos um processador. Conforme usado no presente documento, o processador inclui qualquer circuito programável tal como, sem limitação, um ou mais sistemas e microcontroladores, microprocessadores, circuitos de conjunto de instruções reduzido (RISC), circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), circuitos de lógica programável (PLC), matrizes de porta programáveis em campo (FPGA), e/ou qualquer outro circuito que tenha a capacidade de executar as funções descritas no presente documento. Os exemplos acima são apenas exemplificativos e, portanto, não se destinam a limitar de qualquer maneira a definição e/ou o significado do termo “processador”.

Na realização exemplificai iva, o controlador 110 recebe distâncias de entreferro transmitidas através do sensor de posição 108. Tal distância de entreferro refere-se à distância entre o primeiro eletroímã 104 e o rotor 102 e o segundo eletroímã 106 e o rotor 102. O controlador 110 compara as distâncias de entreferro aos pontos de ajuste predeterminados para a distância de entreferro. Na realização exemplificativa, o controlador 110, então, gera um sinal de ação de controle com base na comparação. A ação de controle representa uma força necessária para posicionar o rotor 102 de volta para o ponto de ajuste predeterminado. Mediante a determinação da ação de controle, o controlador 110 transmite o sinal de ação de controle ao dispositivo de compensação não linear 112.

Na realização exemplificativa, o dispositivo de compensação não linear 112 é configurado para fornecer compensação para a não linearidade dos eletroímãs 104 e 106. Mais especificamente, na realização exemplificativa, o dispositivo de compensação não linear 112 é configurado para manter a rigidez negativa predeterminada de eletroímãs 104 e 106 em um nível constante. Para manter uma rigidez negativa constante, o dispositivo de compensação não linear 112 equilibra a força atrativa posicionada no rotor 102 através do controle da corrente para cada um dos eletroímãs 104 e 106. Conforme discutido anteriormente, a quantidade de força necessária é transmitida ao dispositivo de compensação não linear 112 através do controlador 110. Um nível desejado de rigidez negativa também é fornecido ao dispositivo de compensação não linear 112. O nível de rigidez negativa é especificado separadamente para cada aplicação ou sistema. Sabendo-se que a força necessária e a rigidez negativa são desejadas, os níveis de corrente em eletroímãs 104 e 106 são determinados pelas equações f = k ![—1—-4le§- = fc, = 2k\ + £], tCís-£E>- íj J 3h * J’ em que fé a força calculada através do controlador 110, kx é a rigidez negativa desejada, k é uma constante que depende da área de superfície de vão e do número de voltas nas bobinas de ímãs, /1 e l2 são as correntes a serem calculadas para os eletroímãs 104 e 106, respectivamente, l2 é a distância de entreferro para um dentre os eletroímãs 104 ou 106, e /s é uma soma conhecida dos comprimentos de vão de eletroímãs 104 e 106. Λ e /2 são as duas variáveis conhecidas que precisam ser determinadas a partir das equações acima. Através do cálculo, os valores para /1 e l2 podem ser obtidos: £ _ ÍÍS = ?:[fc*0g-Zn)-2/l 2kls e 2 2 Ms Essa solução é única se f for considerada como a variável de controle.

Na realização exemplificativa, /1 e l2 têm limites operacionais mínimos e máximos antes de se tornarem saturados. Um limite de corrente mínimo /mín é de 0 A. Um limite de corrente máximo /máx depende da capacidade dos elementos eletrônicos de potência e do diâmetro de fio no qual a flui corrente. Caso o valor de /1 ou /2, excede o seu limite operacional e se torne saturado, então, nas equações acima, a corrente saturada é ajustada no limite da mesma, o que deixa que uma variável desconhecida resolva as duas equações. Nesse caso, a corrente não saturada é calculada para preencher a equação para a força f. Sob essa condição, a rigidez kx não pode ser aplicada a um valor constante.

Mediante o cálculo dos valores para /1 e /2, o dispositivo de compensação não linear 112 transmite os sinais de controle de corrente /-i e /2 para os eletroímãs 104 e 106, respectivamente.

Na realização exemplificativa, os sinais de controle corrente /1 e /2 passam através dos amplificadores de potência 114 para fornecer a corrente aos eletroímãs 104 e 106 e para fornecer uma força atrativa para corrigir a posição do rotor 102 ao longo de cada eletroímã 104 e 106. Em algumas realizações, os amplificadores de potência 114 são, simplesmente, comutadores de voltagem que são ligados e desligados em uma frequência alta, conforme comandado por um sinal de modulação de largura de pulso (PWM) a partir do controlador 110.

Na realização exemplificativa, o sistema de mancai magnético ativo 100 opera como um sistema de circuito fechado. Adicionalmente, na realização exemplificativa, a rigidez predeterminada é negativa e é uma característica de circuito aberto do sistema 100. O dispositivo de compensação não linear 112 altera a rigidez do sistema geral 100 para um valor positivo e estabiliza o comportamento geral dos mancais magnéticos. O sistema 100 pode ter uma taxa de amostra em qualquer lugar entre 2.000 a 100.000 vezes por segundo, o que também pode ser referido como tendo uma frequência de taxa de amostra entre 2 kHz e 100 kHz. A Figura 2 é um fluxograma de um método exemplificativo 200 para controlar um sistema de mancai magnético. Na realização exemplificativa, o sistema de mancai magnético inclui um rotor posicionado entre o primeiro e o segundo eletroímãs opostos, um controlador e um dispositivo de compensação não linear.

Na realização exemplificativa, o método inclui a medição 202 de uma distância de entreferro entre o primeiro e o segundo eletroímãs e o rotor. Com base na distância de entreferro, o controlador pode determinar uma ação de controle necessária para mover o rotor a um ponto de ajuste de rotor predeterminado. Em algumas realizações, a ação de controle pode ser uma força necessária para mover o rotor a um ponto de ajuste de rotor predeterminado.

Na realização exemplificativa, o método inclui o cálculo 204 com o uso do dispositivo de compensação não linear, um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o primeiro eletroímã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o segundo eletroímã para manter rigidez constante em todos os pontos de operação do sistema de mancai magnético. Em uma realização, o dispositivo de compensação não linear cria uma rigidez resultante substancialmente constante do primeiro e do segundo eletroímãs independentes da distância de entreferro entre o primeiro e o segundo eletroímãs e o rotor. Em outra realização, o dispositivo de compensação não linear cria uma relação linear entre a saída de ação de controle através do controlador e uma força magnética aplicada no rotor. Em ainda outra realização, o dispositivo de compensação não linear mantém um ganho de atuação constante em todos os pontos de operação do sistema de mancai magnético com o uso do dispositivo de compensação não linear. O método inclui, adicionalmente, a aplicação 206 do primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica no primeiro eletroímã e do segundo ponto de ajuste de corrente elétrica no segundo eletroímã.

As realizações descritas no presente documento possibilitam a compensação não linear de mancais magnéticos sobre uma faixa de operação completamente linear ou uma região de operação não linear significantemente reduzida, dependendo da capacidade eletromagnética. Adicionalmente, o dispositivo de compensação não linear possibilita desempenho superior em operar um rotor exigindo menos robustez para controlar os comportamentos não lineares presentes nos sistemas de mancai magnético. Adicionalmente, o comportamento linear em todas, ou quase todas, as regiões de operação possibilita o comissionamento de tempo mais rápido na movimentação segura através de inúmeros pontos de operação e estimação de propriedades físicas do sistema de mancai magnético.

Um efeito técnico exemplificativo dos métodos, dos sistemas e dos aparelhos descritos no presente documento inclui pelo menos um dentre: (a) alcançar desempenho superior na operação de um rotor em um sistema de mancai magnético; e (b) possibilitar um comissionamento de tempo mais rápido na movimentação segura através de inúmeros pontos de operação e estimação de propriedades físicas do sistema de mancai magnético.

As realizações exemplificativas dos sistemas de mancai magnético são descritas acima em detalhes. Os sistemas de mancai magnético e métodos para controlar os mesmos não são limitados às realizações específicas descritas no presente documento, mas ao invés disso, os componentes dos sistemas e/ou etapas dos métodos podem ser utilizados de forma independente e separada de outros componentes e/ou etapas descritas no presente documento. Por exemplo, os métodos também podem ser usados em combinação com outros sistemas de mancai magnético e métodos e não são limitados à pratica com apenas os sistemas de mancai magnético e métodos para controlar os mesmos, conforme descrito no presente documento. De preferência, as realizações exemplificativas podem ser implantadas e utilizadas em conexão a muitas aplicações de sistema de mancai magnético.

Embora recursos específicos de várias realizações da invenção possam ser mostrados em alguns desenhos e não em outros, isso é apenas para conveniência. Em conformidade com os princípios da invenção, qualquer recurso de um desenho pode ser referenciado e/ou reivindicado em combinação com qualquer recurso de qualquer outro desenho.

Essa descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também possibilita que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos e sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram para aqueles versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações, caso os mesmos tenham elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais em relação à linguagem literal das reivindicações.

Claims (10)

1. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), que compreende: um primeiro eletroímã (104) e um segundo eletroímã (106) oposto ao dito primeiro eletroímã, sendo que os primeiro e segundo eletroímãs são configurados para aplicar uma força magnética; um rotor (102) posicionado entre o dito primeiro eletroímã e o dito segundo eletroímã; um controlador (110) configurado para determinar uma ação de controle necessária para mover o dito rotor para um ponto de ajuste de rotor predeterminado; e um dispositivo de compensação não linear (112) configurado para calcular uma primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o dito primeiro eletroímã e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o dito segundo eletroímã para manter uma rigidez predeterminada durante pelo menos um dentre inicialização, operação e desativação do dito sistema de mancai magnético, em que os ditos primeiro e segundo pontos de ajuste de corrente elétrica são calculados com base na ação de controle determinada pelo dito controlador.

2. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dispositivo de compensação não linear (112) cria uma rigidez resultante substancialmente constante do dito primeiro e segundo eletroímãs independentemente de uma distância de entreferro entre os ditos primeiro e segundo eletroímãs e o dito rotor (102).

3. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dispositivo de compensação não linear (112) cria uma relação linear entre a ação de controle determinada pelo dito controlador (110) e a força magnética aplicada ao dito rotor (102).

4. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que a ação de controle compreende uma força magnética necessária para mover o dito rotor (102) a um ponto de ajuste predeterminado.

5. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que a ação de controle compreende uma corrente necessária para mover o dito rotor (102) até um ponto de ajuste predeterminado.

6. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, que compreende, adicionalmente, pelo menos um sensor de posição (108) acoplado a cada um dentre os ditos primeiro e segundo eletroímãs, sendo que pelo menos um sensor de posição é configurado para transmitir informações de posição de rotor (102) relativas a pelo menos um dentre os ditos primeiro e segundo eletroímãs ao dito controlador (110).

7. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito controlador (110) mede uma posição do dito rotor (102) ao medir (202) uma mudança de indutância de pelo menos um dentre os ditos primeiro e segundo eletroímãs.

8. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dispositivo de compensação não linear (112) é configurado para manter um ganho de atuação substancialmente constante durante pelo menos um dentre inicialização, operação e desativação do dito sistema de mancai magnético.

9. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito dispositivo de compensação não linear (112) é adicionalmente configurado para calcular um primeiro ponto de ajuste de corrente elétrica para o dito primeiro eletroímã (104) e um segundo ponto de ajuste de corrente elétrica para o dito segundo eletroímã (106) para manter a rigidez durante a operação de estado estável do dito sistema de mancai magnético.

10. SISTEMA DE MANCAL MAGNÉTICO (100), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito rotor (102) é instalado em um dentre um compressor, um soprador, uma bomba, uma turbina, um motor e um gerador.