ES2338395B1

ES2338395B1 - Acoplamiento magnetico flexible activo con amortiguador electrodinamico de vibraciones torsionales.

Info

Publication number: ES2338395B1
Application number: ES200702404A
Authority: ES
Inventors: Ramon Ferreiro Garcia
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: ES2338395A1

Abstract

Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales.

La invención consiste en un compensador activo de vibraciones torsionales implementado por medio de un acoplamiento magnético flexible basado en electroimanes de corriente variable modulada mediante un algoritmo de control por realimentación de la posición angular de un eje respecto al otro. La magnitud y frecuencia de las vibraciones torsionales son capturadas mediante la variación de impedancia del acoplamiento magnético y un acelerómetro y compensadas actuando por medio de los citados electroimanes ubicados en el acoplamiento flexible.

Description

Objeto de la invención

El objeto de la invención consiste en la implementación de un acoplamiento magnético flexible de ejes dotado de un compensador activo de vibraciones torsionales basado en electroimanes de corriente variable modulada mediante un algoritmo de control por realimentación. La magnitud y frecuencia de las vibraciones torsionales son capturadas mediante un acelerómetro y compensadas actuando por medio de los citados electroimanes que constituyen el acoplamiento magnético flexible.

Antecedentes de la invención

Como resultado de un minucioso rastreo sobre el estado de la tecnología relacionada con los diferentes tipos de acoplamientos flexibles utilizados actualmente en las máquinas rotativas de aplicación industrial, se conocen esencialmente los siguientes tipos de acoplamientos magnéticos flexibles:

(a): Acoplamiento magnético flexible pasivo de una corona de imanes. Consiste en un acoplamiento flexible basado en una corona de imanes permanentes ubicada sobre la periferia de la brida interior de acople, en donde el tramo de eje motriz arrastra mediante acoplamiento magnético pasivo al tramo de eje conducido.

(b): Acoplamiento magnético flexible pasivo de dos coronas de imanes. Consiste en un acoplamiento flexible basado en dos coronas de imanes permanentes, una de las cuales está ubicada sobre la periferia de la brida interior de acople y la otra está ubicada en la brida exterior de acople. Ambas coronas de imanes están en el mismo plano transversal de simetría. Las coronas de imanes permanentes interior y exterior operan como un acoplamiento síncrono. La figura 1 muestra este modelo de acoplamiento flexible magnético pasivo.

En el estado actual de la tecnología no se conocen acoplamientos flexibles activos ni acoplamientos magnéticos activos dotados de la capacidad de control de par para atenuar vibraciones torsionales.

Con objeto de lograr un modelo de acoplamiento magnético flexible activo capaz de compensar vibraciones torsionales, se propone una innovación basada en la inserción de electroimanes ubicados en el acoplamiento con capacidad para modular las fuerzas de acoplamiento para atenuar la transmisión de vibraciones torsionales.

Descripción de la invención

La invención consiste en la implementación de un acoplamiento magnético flexible para ejes de transmisión de par mecánico, dotado de un compensador activo de vibraciones torsionales basado en electroimanes de corriente variable modulada mediante un algoritmo de control por realimentación de la medida de la amplitud de vibración torsional. El acoplamiento magnético flexible que se propone está constituido por dos bridas o platos de acople de los tramos de eje, en donde cada brida de acople aloja electroimanes sobre núcleos de chapa magnética donde los electroimanes son responsables de evitar el contacto mecánico entre ambas bridas y constituye un acoplamiento magnético repulsivo.

Los electroimanes del acoplamiento flexible realizan dos funciones:

(a): Acoplamiento magnético de repulsión para evitar el contacto físico entre las bridas de acople de ambos tramos de eje.

(b): Modulador de las fuerzas de acoplamiento magnético en el plano transversal del eje de transmisión de potencia para atenuar la transmisión de las vibraciones torsionales entre ambos tramos de eje del acoplamiento evitando la transmisión de vibraciones de un tramo del eje al siguiente mediante el acoplamiento magnético.

Las fuerzas repulsivas de origen magnético activo están aproximadas por la siguiente expresión fundada en los principios del electromagnetismo:

1

siendo:

x: desplazamiento angular del entrehierro respecto de la posición central de equilibrio (m), entendiendo el entrehierro como la distancia angular que separa dos núcleos, variable en función del par y del campo magnético;

\mu_{0}: permeabilidad en el aire (H/m);

A: superficie de repulsión de cada electroimán (m^{2});

N: número de vueltas o espiras de las bobinas;

I: corrientes de alimentación de electroimanes (A);

F: fuerza repulsiva entre electroimanes enfrentados (N).

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Debido a que las fuerzas de repulsión magnética tratan de desviar angularmente ambas bridas de acople entre sí en ambos sentidos de rotación, la posición relativa de ambas bridas de acople corresponde a la del par de equilibrio resultante del par magnético de repulsión y del par mecánico de transmisión de movimiento.

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. Corte de una sección longitudinal de un acoplamiento magnético flexible pasivo basado en dos coronas de imanes permanentes.

Figura 2. Acoplamiento magnético flexible activo, objeto de la presente invención.

Figura 3. Corte esquemático de una vista externa del acoplamiento magnético flexible activo formado por dos tramos de eje, un eje conductor y un eje conducido acoplados por medio de sus bridas de acople.

Figura 4. Fuente de alimentación constituida por un transformador, un rectificador y un filtro para alimentar los electroimanes ubicados en el acoplamiento flexible.

Figura 5. Diagrama esquemático de un sistema de control de vibraciones torsionales.

En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1.: corona de imanes permanentes,

2.: electroimanes del eje conductor,

3.: electroimanes del eje conducido,

4.: brida de acople del eje conductor,

5.: brida de acople del eje conducido,

6.: eje conductor,

7.: eje conducido,

8.: transformador,

9.: rectificador,

10.: filtro,

11.: arrollamiento primario,

12.: arrollamiento secundario,

13.: primera pareja de núcleos

14.: segunda pareja de núcleos

15.: alojamiento concéntrico

22.: sensores de vibraciones torsionales,

23.: regulador de corriente,

24.: amplificador de corriente,

25.: acoplamiento magnético flexible activo.

Descripción de una realización preferente

La figura 2 muestra la configuración propuesta del acoplamiento magnético flexible activo. En esta figura se muestran dos grupos de electroimanes. Los electroimanes del eje conductor 2 ubicados y sujetos a la brida de acople del eje conductor 4 y los electroimanes del eje conducido 3 ubicados y sujetos a la brida de acople del eje conducido 5. Cada brida 4, 5 está sujeta al correspondiente tramo de eje, la brida de acople del eje conductor 4 está sujeta al eje conductor 6 y la brida de acople del eje conducido 5 está sujeta al eje conducido 7 según se muestra en la figura 2. La brida de acople del eje conductor 4 sirve de eje y soporte de los electroimanes del eje conductor 2 mientras que la brida de acople del eje conducido 5 sirve de soporte externo de los electroimanes del eje conducido 3.

La figura 5 muestra un sistema de atenuación de vibraciones torsionales. Este sistema comprende el acoplamiento magnético flexible integrándolo en su interior como elemento principal de un sistema de control por realimentación. El sistema de atenuación de vibraciones comprende un sensor de vibración torsional 22 configurado para medir la distancia actual o instantánea existente entre los entrehierros de los electroimanes de ambas bridas de acople y para procesar la medida para obtener la magnitud y la frecuencia de las vibraciones torsionales. Esta magnitud y esta frecuencia de las vibraciones torsionales se transmiten a un regulador de corriente 23 configurado para alimentar a los electroimanes con corriente modulada, de acuerdo con la magnitud y frecuencia de la vibración torsional recibida. La señal emitida por el regulador de corriente 23 puede ser amplificada de forma paralela por dos amplificadores de corriente 24, configurados para enviar corriente tanto a los electroimanes del eje conductor 2 como a los electroimanes del eje conducido 3. Con los dos amplificadores de corriente 24, se alivia la carga y se evita el calentamiento que se produciría al utilizar un solo amplificador de corriente para alimentar todas las bobinas. La salida de uno de los amplificadores de corriente 24 se transmite a los electroimanes del eje conductor 2 y la salida del otro amplificador de corriente 24 se transmite a los electroimanes del eje conducido 3, ambos electroimanes 2, 3 ubicados sobre sus correspondientes bridas de acople 4, 5. La corriente modulada y convenientemente amplificada hace que los electroimanes 2, 3 respondan con fuerzas tanto al par magnético de repulsión como al par mecánico de transmisión de movimiento realizando con ello su función de control de vibraciones.

Para alimentar con corriente continua a los electroimanes 2, 3 ubicados en el acoplamiento flexible activo, se propone una fuente de alimentación de continua que comprende un transformador 8, un rectificador 9 y un filtro 10, adoptando la configuración esquemática de la figura 4. Esta fuente alimenta también al sistema de control (sensores, amplificadores y reguladores de corriente) estando dicho sistema de control configurado para amortiguar las vibraciones torsionales del acoplamiento magnético.

Preferentemente, los ejes de transmisión de potencia mecánica presentarán una pluralidad de alojamientos para situar los elementos de la fuente de alimentación.

El transformador 8 de acoplamiento magnético radial está formado por dos arrollamientos: el primario 11 y el secundario 12. El arrollamiento primario 11 o inductor estaría ubicado en la misma estructura de soporte del eje de transmisión de potencia, en una estructura inmóvil externa a dicho eje y estaría alimentado con tensión alterna. El arrollamiento del secundario 12 estaría ubicado en el eje de transmisión de potencia y giraría con él. El secundario 12 aportaría una tensión alterna inducida de valor asociado con la relación de transformación la cual sería rectificada y filtrada para conseguir una tensión continua de valor constante. Finalmente, en un alojamiento cilíndrico concéntrico 15a dicho eje se situaría la circuitería del rectificador 9, el filtro 10, el regulador de corriente 23 y los amplificadores de corriente 24.

En la figura 3 se muestra la configuración preferida de un acoplamiento magnético flexible activo en donde se muestran los dos tramos de eje, el eje conductor 6 y el eje conducido 7, a acoplar por medio de dos bridas de acople, la brida de acople del eje conductor 4 y la brida de acople del eje conducido 5, en cada una de las cuales se alojan los electroimanes responsables de ejercer las fuerzas magnéticas de repulsión, necesarias para evitar el contacto mecánico entre ambas bridas 4 y 5 y vencer el par torsional transmitido por el eje.

En esta configuración, los tramos de eje conductor 6 y conducido 7 están alineados en un solo eje o dirección de simetría ya que en su potencial aplicación práctica corresponden a una línea de ejes acoplados para transmitir potencia de rotación, desde una máquina motriz, activa o conductora a otra máquina conducida o pasiva por medio de los citados tramos de eje acoplados en línea recta.

Claims

1. Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales, caracterizado porque comprende:

\bullet: un eje conductor (6) y un eje conducido (7) acabados en unas bridas de acople magnético (4, 5) configuradas para ensamblarse y formar el eje de transmisión de potencia mediante el acoplamiento de dichas bridas (4, 5);

\bullet: dos bridas de acople magnético (4, 5), una brida de acople del eje conductor (4) solidaria a una primera pareja de núcleos (13) y una brida de acople del eje conducido (5) solidaria a una segunda pareja de núcleos (14), siendo ambas bridas (4, 5) concéntricas y solidarias a los núcleos (13, 14) correspondientes situados entre dichas bridas (4, 5);

\bullet: la primera pareja de núcleos (13) enfrentados, siguiendo la dirección del eje conductor y unidos entre si por la brida de acople del eje conductor (4);

\bullet: la segunda pareja de núcleos (14) enfrentados, siguiendo la dirección del eje conducido y unidos entre si por la brida de acople del eje conducido (5);

\bullet: dos parejas de electroimanes (2, 3), una pareja de electroimanes del eje conductor (2), ubicado cada electroimán sobre cada núcleo de la primera pareja de núcleos (13), y una pareja de electroimanes del eje conducido (3), ubicado cada electroimán sobre cada núcleo de la segunda pareja de núcleos (14);

\bullet: unos medios de alimentación configurados para suministrar corriente para el funcionamiento del acoplamiento magnético;

\bullet: un sistema de control por realimentación configurado para amortiguar las vibraciones torsionales del acoplamiento magnético.

2. Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales, según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de alimentación comprenden un transformador (8), un rectificador (9) y un filtro (10) configurados para suministrar corriente continua a los electroimanes del eje conductor (2), a los electroimanes del eje conducido (3) y al sistema de control.

3. Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales, según la reivindicación 2, caracterizado porque el transformador (8) está configurado para obtener corriente alterna y comprende un primario (11) o bobinado inductor ubicado en una estructura fija externa al eje de transmisión de potencia y un secundario (12) ubicado en el eje de transmisión dé potencia de manera que gira con él, donde dicho eje de transmisión de potencia presenta un alojamiento concéntrico (15) en su interior en el que está ubicado el rectificador (9), el filtro (10), el regulador de corriente (23) y los amplificadores de corriente (24).

4. Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales, según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, caracterizado porque los medios de alimentación comprenden una red externa configurada para suministrar corriente alterna al primario (11) o bobinado inductor.

5. Acoplamiento magnético flexible activo con amortiguador electrodinámico de vibraciones torsionales, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema de control por realimentación comprende:

\bullet: un sensor de vibración torsional (22) configurado para medir la distancia existente entre los entrehierros de los electroimanes de las bridas de acople (4, 5) y para procesar la medida para obtener la magnitud y la frecuencia de las vibraciones torsionales;

\bullet: un regulador de corriente (23) configurado para alimentar a los electroimanes (2, 3) con corriente modulada, de acuerdo con la magnitud y frecuencia de la vibración torsional recibida por el sensor de vibración torsional (22);

\bullet: amplificadores de corriente (24) configurados para enviar corriente tanto a los electroimanes del eje conductor (2) como a los electroimanes del eje conducido (3).