ES2913299T3 - Dispositivo provisto con un cojinete en cojinete. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo provisto con un cojinete en cojinete (1) con un anillo interior (2), un anillo intermedio (3) y un anillo exterior (4), por lo que entre el anillo interior (2) y el anillo intermedio (3) y entre el anillo intermedio (2) y el anillo exterior (4) se proporcionan respectivamente elementos de rodillos interiores (5), elementos de rodillos exteriores (6), por lo que el cojinete en cojinete (1) con su anillo interior (2) y anillo exterior (4) se proporciona entre dos componentes en el dispositivo que son giratorio entre sí, un árbol (11) y un alojamiento (12), de que un componente (11 o 12) es o se puede conectar a un accionador, en donde el dispositivo se proporciona con una transmisión entre el anillo intermedio (3) y el componente accionado (11 o 12) a fin de accionar el anillo intermedio (3), por lo que está transmisión es una transmisión sin contacto, por lo que ya sea el anillo interior (2) y el anillo exterior (4) es un anillo de cojinete accionado, que es accionado a través de componente accionado (11 respectivamente 12) el dispositivo caracterizado en que a fin de accionar el anillo intermedio (3) en una manera sin contacto, la transmisión comprende uno o más imanes permanentes (14) que giran junto con el anillo de cojinete accionado.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo provisto con un cojinete en cojinete
La presente invención se refiere a un dispositivo provisto con un cojinete en cojinete.
Más particularmente, la invención se proporciona para aplicaciones de alta velocidad.
Se sabe que los cojinetes para aplicaciones de alta velocidad presentan un problema.
Una aplicación de alta velocidad típica es el denominado turbocompresor, mediante el cual un impulsor gira en un árbol a velocidades muy altas. También, en los compresores de tornillo, en particular los compresores de tornillo sin aceite, bombas de vacío de tornillo y bombas de vacío turbomoleculares, está presente un árbol que gira a velocidades muy altas.
En consecuencia, los cojinetes usados en estas aplicaciones necesitan soportar estas muy altas velocidades.
Una aplicación de cojinete se caracteriza habitualmente en términos de velocidad con el denominado valor “n.dm”, también conocido en inglés como el “factor de velocidad”, que representa el producto de la velocidad n (en revoluciones por minuto o rpm) y el diámetro de cojinete promedio dm (en milímetros o mm).
Otra definición análoga es el “DN”, donde el diámetro interior (en mm) se multiplica por la velocidad (en rpm). En lo siguiente, se usará el valor “n.dm”.
Estos “n.dm” pueden variar en valor de 1 x 106 a 2 x 106 y mayor en aplicaciones de alta velocidad.
Frecuentemente, en el caso de aplicaciones con “n.dm” superior a 2 x 106, se usan cojinetes magnéticos o cojinetes neumáticos. Los cojinetes magnéticos, sin embargo, tienen la desventaja de que no solo son costosos, sino también complejos. Además, como los cojinetes neumáticos, están frecuentemente diseñados para una aplicación específica, mediante lo cual solo son adecuados para un intervalo limitado de usos. Los cojinetes neumáticos son más simples que los cojinetes magnéticos en términos de construcción, pero nuevamente la solidez de estos cojinetes es crítica.
Comparados con los cojinetes magnéticos o neumáticos, los cojinetes de rodillos son mucho menos complejos; aún, a fin de ser adecuados para aplicaciones de alta velocidad, se deben usar materiales muy avanzados, tal como materiales de cerámica para los elementos de rodillo y posiblemente también para los anillos de cojinete, así como materiales adaptados para la jaula. Además, estos también se deben diseñar específicamente con tolerancias extremadamente precisas y el suministro de aceite y la calidad de aceite, se debe controlar muy estrechamente, por ejemplo en términos de pureza. Esto significa que estos cojinetes de rodillos pueden soportar velocidades más altas. Sin embargo, con las velocidades muy altas en las que se usan los cojinetes magnéticos y neumáticos, la condición de operación para estos cojinetes de rodillos aún es muy crítica para garantizar una vida suficientemente prolongada para estos cojinetes de rodillos.
Una configuración de cojinete en cojinete ya es conocida, por ejemplo en FR 582661. Esta configuración conocida de cojinete en cojinete comprende un anillo interior con una pista de rodadura en su superficie radial exterior, un anillo intermedio con una pista de rodadura en su superficie radial interior y exterior y un anillo exterior con una pista de rodadura en su superficie radial interior. Además, esta configuración de cojinete en cojinete conocida comprende dos conjuntos de elementos de rodillos, particularmente, un primer conjunto de elementos de rodillo en contacto de rodamiento con las pistas de rodamiento en el aro interior y en el anillo intermedio y un segundo conjunto de elementos de rodillo en contacto de rodamiento con las pistas de rodamiento en el anillo intermedio y el anillo exterior. Las pistas de rodamiento se refieren en este punto en lugar donde los elementos de rodillos se desenrollan en el anillo de cojinete, que es el anillo interior, el anillo intermedio y el anillo exterior. Cuando los elementos de rodillos son esféricos, entonces la pista de rodamiento es una pista reducida en el anillo de cojinete. Cuando los elementos de rodillos son cilíndricos, entonces la pista de rodamiento es una pista del mismo ancho como los elementos de rodillos cilíndricos.
De esta manera, esta configuración de cojinete en cojinete conocida consiste, por así decirlo, de dos cojinetes concéntricos, mediante lo cual el anillo interior del cojinete exterior también actúa como el anillo exterior del cojinete interior o mediante el cual el anillo interior del cojinete exterior y el anillo exterior del cojinete interior se unen conjuntamente para formar el anillo intermedio del cojinete en cojinete.
Con este cojinete en cojinete, la velocidad se distribuye o se divide a través de dos cojinetes. De esta manera, al menos en teoría, el valor “n.dm” se debe distribuir a través de ambos cojinetes.
Este concepto ya es conocido de por ejemplo US 2.789.021, aunque parezca que, a fin de funcionar bien a altas velocidades, el cojinete intermedio de este cojinete en cojinete debe ser accionado, de modo que se pueda controlar su velocidad.
Sin accionar el anillo intermedio - por lo que en el caso de que ambos cojinetes giren libremente entre sí y el cojinete impulsado propulse al otro como si fuera solo por fricción, la velocidad no será distribuida bien a través de ambos cojinetes, de modo que el valor “n.dm” de uno de los dos cojinetes se vuelve muy alto. De esta manera, se anula el objetivo propuesto de un cojinete en cojinete para reducir el valor “n.dm” general y la situación aún puede empeorar que cuando se usa un solo cojinete tradicional con un anillo interior y exterior para la misma aplicación.
Ya se conocen soluciones para accionar el anillo intermedio, tal como por ejemplo soluciones mecánicas o cinematáticamente vinculadas con engranajes, bandas y/u otros cojinetes. Estas soluciones se ilustran y se describen en DD 49.729, GB 647.002, US 4.618.271, JP H02-8512, JP S62-41422 y JP 2003-307215.
Las soluciones tienen la desventaja de que son complejas y costosas. Además, no son confiables debido a que comprenden sistemas mecánicos adicionales que deben funcionar a altas velocidades y por lo tanto son muy susceptibles a falla.
En US 6.741.428 y US 6.115.213, se describe un motor para uso en una unidad de disco, cuyo motor comprende un ensamble de cojinetes que comprende un cojinete de bolas interior y exterior con un anillo intermedio que conecta el cojinete de bolas interior y exterior. De este modo, tanto el anillo interior del cojinete de bolas interior como uno de los anillos del cojinete de bolas exterior se unen fijamente a una base de motor estacionaria.
EP 1.199.484 describe el preámbulo de la reivindicación 1 y describe además que la transmisión es una transmisión sin contacto, y que el anillo interior es el anillo de cojinete accionado.
El propósito de la presente invención es proporcionar una solución a cualquiera de las desventajas mencionadas en lo anterior y/u otras.
El objetivo de la presente invención es un dispositivo provisto con cojinete en cojinete con un anillo interior, un anillo intermedio y un anillo exterior, por lo que entre el anillo interior y el anillo intermedio y entre el anillo intermedio y el anillo exterior se proporcionan respectivamente elementos de rodillos interiores, elementos de rodillos exteriores, por lo que el cojinete en cojinete con su anillo interior y anillo exterior están provistos entre dos componentes del dispositivo que pueden girar entre sí, un árbol y un alojamiento, del cual un componente es o se puede conectar a un accionador, caracterizado en que el dispositivo está provisto con una transmisión entre el anillo intermedio y el componente accionado a fin de accionar el anillo intermedio, por lo que esta transmisión es una transmisión sin contacto.
Transmisión sin contacto se refiere a una transmisión por lo que no existe contacto (físico) entre una parte de la transmisión que se conecta con el anillo intermedio y la parte de la transmisión que se conecta con el componente accionado.
Esto se puede lograr con un rompimiento físico o hueco entre los componentes.
Una ventaja es que al accionar el anillo intermedio su velocidad se puede controlar, de modo que la velocidad se distribuye o se divide en una manera apropiada a través del cojinete en cojinete.
Otra ventaja es que, siendo unido entre el anillo intermedio y el componente accionado, la transmisión se usa por el par generado por accionamiento para accionar el anillo intermedio y no el motor externo, se requiere el accionamiento u otro suministro de energía. En otras palabras: no se requiere fuente y/o suministro de energía adicional.
Una ventaja adicional es también que, con la propulsión sin contacto del anillo intermedio, no existe requisito para el uso de engranajes, bandas u otras conexiones mecánicas, que se someten al uso y desgaste o defectos, y que no permiten la operación a altas velocidades.
En una realización práctica de la transmisión, a fin de ser capaz de accionar el anillo intermedio sin contacto comprende uno o más imanes permanentes que se configuran de tal forma que también giran con la rotación del anillo de cojinete accionado. El anillo de cojinete accionado se refiere al anillo de cojinete en el cojinete en cojinete que se conecta con el componente que es o se puede conectar a un accionador y como resultado gira junto con el componente accionado en la misma velocidad.
El uno o más imanes permanentes que están configurados para girar junto con el anillo de cojinete accionado, por ejemplo, se pueden proporcionar en un anillo que se configura de manera preferente en una manera concéntrica en relación con los anillos de cojinete y que se conecta con el anillo de cojinete accionado.
En una realización práctica adicional, el anillo intermedio se conecta con un anillo de frenado de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético. Este anillo intermedio se configura de manera preferente en una manera concéntrica en relación con los anillos de cojinete. Se proporciona un hueco entre el uno o más imanes permanentes y el anillo de frenado.
El uno o más imanes permanentes que se configuran para girar junto con el anillo de cojinete accionado entonces inducen las denominadas corrientes parasitas en este anillo de frenado.
De manera preferente alrededor del anillo de frenado del material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético también existe un anillo de material magnéticamente conductor tal que el campo magnético generado por los imanes permanentes se encierra en el mismo.
De esta forma el campo magnético máximo se conduce a través del anillo del material eléctricamente conductor y muchas corrientes parasitas se generan en el mismo. Debido a esto, este anillo de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético girará y por lo tanto también el anillo intermedio. Este fenómeno también es conocido como “arrastre magnético”.
De manera preferente, el hueco entre el uno o más imanes permanentes y el anillo de frenado de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético es más pequeño que uno, y una mitad de milímetros aún de manera más preferente más pequeño que un milímetro y de manera preferente el hueco es de aproximadamente la mitad de un milímetro de ancho.
En una realización práctica alternativa, la transmisión está provista con una película delgada de fluido situada en un hueco en la transmisión.
Esta película delgada de fluido se puede aplicar en un hueco entre un anillo conectado con el anillo de cojinete accionado y un anillo conectado con el anillo intermedio.
Los fluidos apropiados por ejemplo son aceite u otro lubricante, que también se puede usar para lubricar los cojinetes mismos.
De manera preferente, el espesor del hueco es cien micras o menos.
La operación es simple y es como sigue. Cuando el anillo de cojinete accionado gira, el anillo conectado con el anillo de cojinete accionado gira al mismo tiempo. Con la denominada fricción viscosa a través de la película delgada de fluido en el hueco entre el anillo conectado con el anillo de cojinete accionado y el anillo conectado con el anillo intermedio, el anillo conectado con el anillo de cojinete accionado transmite un par al anillo conectado con el anillo intermedio provocando que el anillo conectado con el anillo intermedio, y por lo tanto también el anillo intermedio mismo giren. Esto también es conocido como “arrastre viscoso”.
En el caso de que el anillo intermedio se accione en una manera sin contacto por uno o más imanes permanentes que giran junto con el anillo de cojinete accionado, una realización práctica adicional consiste de:
- el anillo de cojinete accionado se conecta con un primer anillo con imanes permanentes;
- el anillo intermedio se conecta con un anillo con piezas polares; y
- el anillo de cojinete no accionado se conecta con un segundo anillo con imanes permanentes.
Las piezas polares son bloques de material magnéticamente conductor, por lo tanto, con una alta permeabilidad magnética, que atraen, por así decirlo las líneas de campo magnético.
De manera preferente, siempre se proporciona un hueco estrecho entre el primer anillo y el anillo con piezas polares, y entre el anillo con las piezas polares y el segundo anillo el hueco tiene un espesor de un máximo de dos milímetros, de manera preferente un máximo de un milímetro y aún de manera más preferente un máximo de medio milímetro.
De manera preferente, el número de imanes permanentes en el primer anillo y segundo anillo con imanes permanentes y el número de piezas polares en el anillo con piezas polares se elige para ajustarse a la velocidad con la cual el anillo intermedio debe girar en relación con el anillo de cojinete accionado.
De manera preferente, al seleccionar los parámetros de los anillos con los imanes permanentes y del anillo con las piezas polares el par de accionamiento extendido en el anillo intermedio se elige de tal manera que es solo suficiente para accionar el anillo intermedio para alcanzar la velocidad deseada y particularmente para superar las pérdidas por fricción en los cojinetes y otras pérdidas, tal como por ejemplo pérdidas aerodinámicas.
De esta manera las dimensiones de los anillos con imanes permanentes y del anillo con piezas polares se puede limitar para que la unidad pueda ser compacta. Una realización compacta es más económica y se hace más fácil integrarla tal que como un cojinete en cojinete en una máquina sin ajustes mayores que sean requeridos, lo cual puede provocar efectos secundarios negativos, tal como por ejemplo árboles más grandes que pueden provocar otras formas y problemas de vibración.
Este accionador o transmisión también es conocido como “accionador magnético” o “engranaje magnético”. Estos accionadores y/o transmisiones de “accionamiento magnético” y/o “engranaje magnético”, así como su diseño se
describen en US 5.633.555 y el artículo “Analysis and Design Optimization of a Coaxial Surface-Mounted Permanent-Magnet Magnetic Gear” by Xiaoxu Zhang, Xiao Liu, Chao Wang y Zhe Chen in open access journal Energies published on 22/12/2014.
En una realización práctica adicional de un dispositivo de acuerdo con la invención con un cojinete en cojinete por el que el anillo intermedio es accionado usando “arrastre magnético” y/o “arrastre viscoso”, el anillo intermedio se muestra en una manera sin contacto usando una fuerza electromagnética, por la que el anillo intermedio se conecta con un anillo hecho de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético y por lo que el dispositivo con el cojinete en cojinete se proporciona con un electroimán estacionario de tal manera que entre el anillo fabricado de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético y el electroimán hay un hueco a través del cual el electroimán puede crear un campo electromagnético en el anillo del material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético.
De manera preferente, un lado que se orienta lejos del electroimán del anillo de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético, un anillo de material magnéticamente conductor se situará, en el cual el campo generado por el electroimán se cierra.
De esta manera el campo magnético generado por el electroimán es guiado al máximo a través del anillo de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético.
Por lo tanto, cuando el anillo intermedio gira, al crear un campo electromagnético usando un electroimán en el anillo fabricado del material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético se pueden generar corrientes parasitas en el anillo fabricado del material eléctricamente conductos y de manera preferente no magnético, por lo que el anillo fabricado del material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético se desacelerará, justo como el denominado freno de corrientes parasitas.
Por lo tanto, simplemente al regular la excitación del electroimán, particularmente al apagarlo o encenderlo, la frecuencia, corriente y/o voltaje, es posible regular el frenado de tal manera que el anillo fabricado de material eléctricamente conductor y de manera preferente no magnético, y por lo tanto también el anillo intermedio, gira a la velocidad deseada.
De manera preferente, el dispositivo está provisto con un sensor para medir la velocidad del anillo intermedio con el fin de regular con precisión su velocidad al controlar la excitación electromagnética, de manera preferente en un denominado bucle cerrado con la medición del sensor. Esta medición se puede hacer directamente con un sensor, pero también se puede derivar indirectamente de otros parámetros de la condición de operación de la máquina.
De manera preferente, el dispositivo se proporciona en la presente con un regulador, por ejemplo una unidad de direccionamiento o controlador, que regula la excitación electromagnética basada en la salida del sensor.
La velocidad del anillo intermedio, por ejemplo, se puede regular a fin de establecer otras relaciones entre las velocidades de los cojinetes que constituyen el cojinete en cojinete para diferentes velocidades o niveles de carga en el cojinete en cojinete.
De esta manera, por ejemplo, se puede establecer otra relación de velocidad cuando se arranca comparado con el patrón estacionario de, por ejemplo, una máquina turbo el árbol del cual se soporta un cojinete en cojinete de acuerdo con la invención.
También es posible ajustar la relación de velocidad a través del tiempo a fin de lograr un uso y desgaste para ambos cojinetes que constituyen el cojinete en cojinete a fin de maximizar de esta manera la vida del cojinete en cojinete completa.
En una práctica, el anillo intermedio está construido de dos anillos concéntricos, que se unen entre sí para formar una unidad que usa un ajuste a presión o similar, mediante el cual el anillo concéntrico interior forma un primer cojinete junto con el anillo interior y los elementos de rodillos interiores, y de esta manera el anillo concéntrico exterior forma un segundo cojinete junto con el anillo exterior y los elementos de rodillos exteriores que está provisto concéntricamente alrededor del primer cojinete.
Una ventaja de esto es que el cojinete en cojinete se puede construir usando dos cojinetes existentes o estándares. Por supuesto, de acuerdo con la invención no se excluye que el cojinete en cojinete se fabrique usando un anillo intermedio construido especialmente.
La invención se refiere tanto a un dispositivo con un cojinete en cojinete mediante el cual el anillo interior es accionado y el anillo exterior sigue estando estacionario (árbol giratorio) y también un dispositivo con cojinete en cojinete mediante el cual el anillo exterior es accionado y el anillo interior permanece estacionario (árbol estacionario).
En una realización preferida, el anillo interior, el anillo intermedio y los elementos de rodillos interiores y/o el anillo intermedio, el anillo exterior y los elementos de rodillos exteriores forman uno de los siguientes tipos de cojinete:
- cojinete de bolas de una o dos hileras;
- cojinete de bolas de contacto angular de una o dos hileras;
- cojinete de cuatro puntos;
- cojinete de cilindro de una o dos hileras;
- cojinete de rodillos ahusados;
- cojinete de rodillos de articulación giratoria;
- cojinete de aguja;
- cojinete de bolas de empuje;
- cojinete de empuje de rodillos cilíndricos.
La invención también se puede llevar a cabo para estos tipos de cojinetes estándares, que muestra la versatilidad y potencial de la invención.
La invención se refiere tanto a un dispositivo con un cojinete en cojinete que se lubrica con aceite, y un dispositivo con un cojinete en cojinete que se lubrica con grasa. Ambos tipos son adecuados para velocidades mayores de las usuales para cojinetes estándares, particularmente, para lubricación con aceite mayor de 1,5 x 106 “n.dm”, o aún 2,0 x 106 “n.dm” y aún mayor de 2,6 x 106 “n. dm” y, particularmente para lubricación con grasa, mayor de 1 x 106 “n.dm”, o aún 1,3 x 106 “n.dm”, y aún mayor de 1,6 x 106 “n.dm”.
Este cojinete en cojinete por lo tanto se puede usar en lugar cojinetes magnéticos o neumáticos. En algunas situaciones por lo tanto también es posible usar cojinetes en cojinetes lubricados con grasa en lugar de cojinetes de alta velocidad lubricados con aceite, de modo que no se requiere una pista de rodamiento de aceite, que no solo es costosa en términos de inversión y mantenimiento, sino también siempre llega con un riesgo de contaminación de aceite.
La invención también se refiere a una máquina turbo, que contiene un dispositivo de acuerdo con la invención para el cojinete de al menos un árbol con un impulsor.
La invención también puede referirse a un compresor de tornillo, que está provisto con un dispositivo de acuerdo con la invención para el cojinete del al menos un árbol con un rotor. El compresor de tornillo también puede referirse a una bomba de vacío de tornillo o un soplador de tornillo.
Con la intención de mostrar las mejores características de la invención, algunas realizaciones preferidas de un cojinete en cojinete de acuerdo con la invención se describen a partir de ahora, por medio un ejemplo sin ninguna naturaleza limitante, con referencia a las figuras adjuntas, en donde:
las figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente la parte frontal y la parte posterior respectivamente de un cojinete en cojinete de acuerdo con la invención;
la figura 3 muestra una sección transversal de acuerdo con la línea MI-MI en la figura 1;
las figuras 4 y 5 muestran realizaciones alternativas de la figura 3;
la figura 6 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva del cojinete en cojinete de la figura 5;
la figura 7 muestra otra realización alternativa de la figura 3.
El cojinete en cojinete 1 mostrado en las figuras 1 a 3 se construye de un anillo interior 2, anillo intermedio 3 y un anillo exterior 4.
Los elementos de rodillos interiores 5 están provistos entre el anillo interior 2 y el anillo intermedio 3, mientras que los elementos de rodillos exteriores 6 están provistos entre el anillo exterior 4 y el anillo intermedio 3.
En este caso el cojinete en cojinete 1 se construye de dos cojinetes de bola estándar, particularmente un cojinete de bolas exterior 9 y un cojinete de bolas interno 10, que son concéntricos y el anillo intermedio 3 se construye de dos anillos de cojinete concéntricos, particularmente el anillo interior 7 del cojinete de bolas exterior 9 y el anillo exterior 8 del cojinete de bolas interior 10, y posiblemente aún extra-componentes tal como anillos.
El anillo interior 7 del cojinete de bolas exterior 9 se une usando un ajuste a presión o similar al anillo exterior 8 del cojinete de bolas interior 10 para formar el anillo intermedio 3 del cojinete en cojinete 1.
Como se muestra claramente en la figura 3, el cojinete en cojinete 1 está provisto alrededor de un árbol giratorio 11, por lo que el anillo interior 2 del cojinete en cojinete 1 es el anillo de cojinete accionado, accionado por el par del árbol giratorio 11.
El anillo exterior 4 del cojinete en cojinete 1 se monta en un alojamiento 12.
El árbol giratorio 11 puede ser un árbol de un rotor de tornillo de un elemento compresor y el alojamiento 12 por ejemplo
un alojamiento compresor.
Sin embargo, el cojinete en cojinete 1 también se puede usar en muchas otras máquinas, tal como por ejemplo turbocompresores, expansores, bombas de vacío, bombas turbo-moleculares, husillos, motores, turbinas, motores a chorro, etc.
De acuerdo con la invención, el anillo interior 2 es directamente accionado por el par del árbol giratorio 11, el anillo intermedio 3 es accionado en una manera sin contacto por parte de este par.
En la realización de las figuras 1 a 4, este accionamiento se lleva a cabo por un denominado en engranaje magnético. Como se puede observar en el anillo interior 2 de la figura 3, se conecta con un primer anillo 13 con imanes permanentes 14 y el anillo intermedio 3 se conecta con un anillo 15 que contiene piezas polares 18.
Las piezas polares 18 son bloques de material magnéticamente conductor.
El otro material que consiste el anillo 15 mantiene las piezas polares 18 en su lugar y es de manera preferente un material no magnético y no eléctricamente conductor, tal como por ejemplo un material sintético compuesto, de modo que no se presenta nada o poca pérdida electromagnética adicional en ese material.
Entre el primer anillo 13 con los imanes permanentes 14 y el anillo 15 de material no magnético y no eléctricamente conductor en el cual las piezas polares 18 se fijan existe en un hueco 16a.
El hueco 16a es de aproximadamente medio mm de grueso.
De acuerdo con la invención, el espesor de este hueco 16a es más pequeño que un milímetro y medio, y de manera preferente aún más pequeño que un mm.
Además, el anillo exterior 4 se conecta con un segundo anillo 19 con un los imanes permanentes 17.
También, entre el segundo anillo 19 con los imanes permanentes 17 y el anillo 15 con las piezas polares 18 existe un hueco 16b, por lo que el hueco 16b también es de manera preferente más pequeño de un mm y medio, y de manera más preferente aún más pequeño de un mm. En este caso el hueco 16b es la mitad de un mm de grueso.
El primer anillo 13 y el segundo anillo 19 con los imanes permanentes 14 y 17 respectivamente, y el anillo 15 con las piezas polares 18 forman conjuntamente una transmisión de engranajes magnéticos 20 o “engranaje magnético”. Estas transmisiones de engranajes magnéticos 20 se plantean en US 5.633.555 y en “A novel high-performance magnetic gear”, K. Atallah, D. Howe, IEEE Transactions on Magnetics, vol.37, No.4, Julio de 2001”.
Los imanes permanentes 14 y 17 se colocan con polaridad alterna de modo que la rotación superior de los anillos 13 y 19 el campo magnético alterno se induce. Los imanes permanentes 14 y 17 cada uno forman un número específico de pares polares, igual a la mitad del número de imanes en este anillo. El número de pares polares que corresponde con el número de imanes permanentes 14 en el primer anillo 13 y el número de pares polares que corresponden con el número de imanes permanentes 17 en el segundo anillo 19 y el número de piezas polares 18 en el anillo 15 se eligen dependiendo de la velocidad en la que el anillo intermedio 3 debe girar en relación con el anillo interior 2. Estas funciones son conocidas de la literatura.
La velocidad en la cual el anillo intermedio 3 debe girar en relación con el anillo interior 2, es decir, el anillo de cojinete accionado depende de la aplicación en la que será usado el cojinete en cojinete 1.
De manera preferente, el número de imanes permanentes 14, 17 en el primer anillo 13 y segundo anillo 19 con los imanes permanentes 14, 17 y el número de piezas polares 18 en el anillo 15 con las piezas polares 18 se determina para que el anillo intermedio 3 gire en una velocidad más lenta que aquella del anillo de cojinete accionado, de manera preferente con una velocidad de aproximadamente igual a la mitad de la velocidad del anillo de cojinete accionado. La operación del dispositivo 1 es muy simple y es como sigue.
Durante el uso, el árbol 11 girará, por lo que el anillo interior 2 que se une al árbol 11 girará en la velocidad del árbol 11. Junto con el anillo interior 2, el primer anillo 13 con los imanes permanentes 14 también girará.
Los imanes permanentes 14 generan campos magnéticos a través del hueco 16a que están cercanos a través de las piezas polares 18 del material magnético que se fijan en el anillo 15. El anillo 15 se conecta con el anillo intermedio 3. Similarmente, los imanes permanentes 17 que no giran generan campos magnéticos a través del hueco 16b que están cercanos a través de las piezas polares del material magnético 18 que se fijan en el anillo 15.
Debido al número discreto de imanes permanentes 14 y 17, y el número discreto de piezas polares 18 los inventores obtienen campos magnéticos modulados en sus huecos de aire 16a y 16b. Al elegir la relación apropiada entre el número de imanes permanentes 14, el número de piezas polares 18 y el número de imanes permanentes 17, basados en las fórmulas conocidas de la literatura como se menciona previamente, los campos modulados en los huecos de aire 16a y 16b interactúan en una manera sincronizada y permiten que el anillo intermedio 3 gire en una relación particular a la velocidad del anillo interior 2.
De esta manera el anillo intermedio 3 girará en una relación de velocidad particular en relación con el árbol de accionamiento 11 sin requerir un motor eléctrico con un controlador de alta frecuencia.
El anillo intermedio 3 es accionado por una transmisión de engranajes magnéticos 20, en una velocidad particular en relación con el anillo interior 2, por lo que la relación entre las velocidades se fija y se determina por el número de imanes permanentes 14 en el primer anillo 13 y el número de imanes permanentes 17 en el segundo anillo 19 y el número de piezas polares 18 en el anillo 15.
El sistema como se muestra en las figuras 1 a 3 es un sistema completamente pasivo, sin ningún control activo. Es claro que la realización como se muestra en las es simple, con respeto a economía y solidez.
En la figura 4 se muestra una variante de acuerdo con la figura 1, por lo que en este caso se ilustra un cojinete en cojinete doble 1, por lo que una transmisión de engranajes magnéticos 20 se une entre los dos cojinetes en cojinetes adyacentes 1.
O, en otras palabras, un cojinete en cojinete adicional 1 se une además de la transmisión de engranaje magnéticos 20 en la figura 3.
Como se muestra en la figura 4, ambos anillos intermedios 3 se conectan con el anillo 15 con las piezas polares 18. Similarmente, ambos anillos interiores 2 y ambos anillos exteriores 4 se conectan respectivamente con el primer anillo 13 con los imanes permanentes 14 y el segundo anillo 19 con los imanes permanentes 17.
La transmisión de engranajes magnéticos 20 en otras palabras controlará ambos cojinete en cojinetes 1. De otra manera, la operación es completamente similar a la realización previa.
Las Figuras 5 y 6 muestran una realización alternativa, por lo que en este caso el anillo intermedio 3 es accionado en una manera sin contacto por “arrastre magnético”, por lo que el anillo interior accionado 2 se conecta con un primer anillo 13 con los imanes permanentes 14 y el anillo intermedio 3 se conecta con un anillo de frenado 27.
Una realización potencial para este anillo donde el frenado 27 se muestra en la figura 5. El anillo de frenado en este caso consiste de un anillo 28 del material magnéticamente conductor, tal como por ejemplo acero, y dos anillos 29a y 29b de material no magnético, aún eléctricamente conductor, tal como por ejemplo aluminio, que se unen concéntricamente al interior, respectivamente al exterior del anillo 28.
Entre el primera anillo 13 con los imanes permanentes 14 y el anillo 29a del material eléctricamente conductor existe un hueco 16a. Este hueco es de aproximadamente medio mm de grueso. De acuerdo con la invención, el espesor de este hueco 16a es más pequeño de un mm y medio, y de manera preferente aún más pequeño de mm.
Los imanes permanentes 14 se colocan con polaridad alterna de modo que, cuando el primer anillo 13 gira, un campo magnético alterno se induce en el hueco de aire 16a y en el anillo 29a del material no magnético aún eléctricamente conductor, y ese se cierra en el anillo 28 del material magnéticamente conductor. Ya que el material en el anillo 29a es eléctricamente conductor, las denominadas corrientes parásitas se generarán en el campo magnético alterno, conduciendo a las denominadas pérdidas de corrientes parásitas. A fin de compensar estas pérdida el anillo 29a, y por lo tanto también el anillo de frenado 27, comenzarán a girar. El anillo de frenado 27 de esta manera es accionado por “arrastre magnético”.
El par con el cual este “arrastre magnético” acciona el anillo de frenado 27, depende en diferentes factores, tal como la resistencia del campo magnético inducido, la diferencia de velocidad entre el anillo 13 y el anillo de frenado 27, y la construcción y las propiedades del material del anillo de frenado 27.
Se asegurará que el anillo intermedio 3 giré más rápido que la velocidad deseada para la aplicación de cojinete en cojinetes específica, por ejemplo al elegir el espesor apropiado del hueco 16a y el número de imanes permanentes 14 y su resistencia magnética.
Nuevamente, a fin de desacelerar el anillo intermedio 3 y permitirle girar en la velocidad deseada, se hace uso de una transmisión sin contacto que también opera en el principio de las denominadas “corrientes parásitas”.
Se hace uso de un freno magnético 21, un denominado “freno de corrientes parásitas”, que se forma por el anillo 28 fabricado de material magnéticamente conductor, el anillo 29b fabricado de material no magnético aún no magnéticamente conductor y un electroimán estacionario 22, que está provisto de tal manera entre el anillo 29b fabricado de material no magnético aún eléctricamente conductor y el electroimán 22 existe un hueco 23 a través, cuyo el electroimán 22 puede generar un campo electromagnético en el anillo 29b y se cierra en el anillo 28.
El hueco 23 entre el anillo 29b y el electroimán estacionario 22 es del mismo orden de magnitud como los huecos 16a y 16b en la realización de las figuras 1 a 3 entre el primer anillo 13 y el segundo anillo 19, con los imanes respectivamente permanentes 14 y 17, y el anillo 15.
Al aplicar una corriente al electroimán estacionario 22 cuando el anillo de frenado 27 está girando, se generarán corrientes parásitas en el anillo 29b fabricado de material eléctricamente conductor, por lo que se desacelerará el anillo intermedio 3.
El grado al cual se presenta el frenado en este anillo intermedio 3 se determinará por el tamaño de la corriente y/o voltaje, la forma en la cual la energía se enciende y se apaga y la frecuencia.
Un sensor, no mostrado en las figuras, se puede proporcionar para determinar la velocidad del anillo intermedio 3 y un control que envía una corriente a través del electroimán 22 basado en la velocidad medida a fin de ser capaz de desacelerar el anillo intermedio 3 a la velocidad deseada.
Para este fin se puede proporcionar control con un algoritmo para asegurar que el valor “n.dm” del frenado interior 10 sea igual al valor “n.dm” del anillo exterior 9, o que la relación de ambos valores se sitúe dentro de ciertos márgenes. En el presente ejemplo, este corresponde con una relación de velocidad de 70-30 a 60-40. Es claro que esta relación puede variar dependiendo de la aplicación.
En la figura 6 el electroimán 22 es claramente visible. Esto es estacionario, lo que significa que, en este caso, que este se fija al alojamiento 12 y por lo tanto no girará junto con el cojinete en cojinete 1.
El electroimán 22 es en este caso en forma de herradura y está provisto con bobinas 24. Sin embargo, esto es solamente un ejemplo ilustrativo y la invención no se limita a este.
Aunque la realización de las figuras 5 y 6 no es completamente pasiva y requiere un control adicional y sensor, esta realización tiene la ventaja de permitir que la velocidad del anillo intermedio 3 se controle libremente. En esta realización previa la velocidad del anillo intermedio se fija.
La Figura 7 muestra una variante adicional, por lo que en este caso la desaceleración del anillo intermedio 3 se llevará a cabo de la misma forma como en el ejemplo en las figuras 5 y 6, es decir con el frenado con el freno magnético 21, por lo que aún el accionamiento si contacto en este caso se presenta usando una fuerza viscosa de resistencia o arrastre. Para hacer esto tanto el anillo interior 2 como el anillo intermedio 3 están previstos con un anillo 25a, 25b, con un hueco 26 entre ambos anillos 25a, 25b, por lo que este hueco 26 se llena con un fluido.
El espesor de este hueco 26 depende del fluido referido. El fluido por ejemplo puede ser un lubricante, tal como aceite, o agua.
En el caso de aceite, el espesor del hueco 26 es de manera preferente de 100 micrómetros o más pequeño.
La operación del accionamiento sin contacto se basa en el lecho de que, al hacer girar el anillo interior 2, el anillo intermedio 3 comenzará a girar por la fuerza viscosa de resistencia o arrastre creado por la película delgada del fluido en el hueco 26.
El espesor del hueco 26 determinará que tanto par se genera y por lo tanto también a qué velocidad el anillo intermedio 3 girará.
Nuevamente se asegura que el anillo intermedio 3 girará muy rápidamente de modo que esto se puede desacelerar a la velocidad deseada con el freno magnético 21.
Una ventaja adicional de esta realización es que la película de aceite en el hueco 26 tiene un efecto amortiguador, permitiendo que se adapte en cualquiera de las vibraciones.
Todos los cojinetes en cojinetes descritos 1 también se pueden lubricar con grasa. Esto significa que los cojinetes en cojinetes 1 en las figuras 1 a 6 y en la figura 7, al grado en que no se use la película de aceite, son adecuados para aplicaciones sin aceite, tal como por ejemplo compresor sin aceite, tal como por ejemplo turbo comprensores o compresores de tornillo sin aceite.
Estos cojinetes en cojinetes 1 lubricados con grasa son adecuados para velocidades mayores de 1 x 106 “n.dm” [revoluciones por minuto. milímetro], por lo que la velocidad aún puede alcanzar más de 1,3 x 106 “n.dm” o 1,6 x 10“6 “n.dm”.
Alternativamente los cojinetes en cojinetes 1 también se pueden lubricar con aceite.
En este caso el aceite se inyecta de manera preferente en el cojinete en cojinete 1 usando un chorro de aceite o niebla de aceite.
Estos cojinetes en cojinetes 1 son adecuados para muchas velocidades, mayores de 1,5 x 106 “n.dm” [revoluciones por minuto. milímetro], por lo que son posibles velocidades mayores de 2,0 x 106 “n.dm” y aún mayores de 2,6 x 106 “n.dm”. De manera preferente, el cojinete en cojinete 1 es tan compacto como sea posible en términos axiales, de modo que el árbol 11 en el que el cojinete en cojinete 1 se monta se puede mantener tan corto como sea posible, lo cual es apropiado para uso a velocidades más altas. Por esta razón la potencia, y por lo tanto también el par, transmitido del anillo interior 2 al anillo intermedio 3 se limita mejor tan poco más del par requerido para compensar el par de fricción del cojinete exterior de modo que el anillo intermedio 3 gira también.
El ancho en términos axiales de los huecos 16a, 16b, 23, 26 es de manera preferente más pequeño que tres veces el ancho de los elementos de rodillos 5, 6 del cojinete en cojinete 1, y aún de manera más preferente más pequeños que dos el ancho de los elementos de rodillos 5, 6.
Esto es completamente diferente a las transmisiones de engranajes magnéticos conocidos 20 como es documentado en la literatura que en términos axiales no son tan compactos, dado que estos están diseñados para aplicaciones con velocidades mucho más baja, pero con altos pares. Aunque, en los ejemplos mostrados, el anillo interior 2 siempre es accionado con el par, significa que el anillo interior 2 se monta en un árbol giratorio 11, y el anillo exterior 4 es estacionario, y por lo tanto está unido a un alojamiento 12, no se excluye de acuerdo con la invención que el anillo exterior 4 sea accionado por el par y el anillo interior 2 sea estacionario.
La presente invención pone ningún medio sin limitar las realizaciones descritas como un ejemplo y mostradas en las, preo un cojinete en cojinete de acuerdo con la invención se puede llevar a cabo en todas las clases de formas y dimensiones sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (19)
1. Un dispositivo provisto con un cojinete en cojinete (1) con un anillo interior (2), un anillo intermedio (3) y un anillo exterior (4), por lo que entre el anillo interior (2) y el anillo intermedio (3) y entre el anillo intermedio (2) y el anillo exterior (4) se proporcionan respectivamente elementos de rodillos interiores (5), elementos de rodillos exteriores (6), por lo que el cojinete en cojinete (1) con su anillo interior (2) y anillo exterior (4) se proporciona entre dos componentes en el dispositivo que son giratorio entre sí, un árbol (11) y un alojamiento (12), de que un componente (11 o 12) es o se puede conectar a un accionador, en donde el dispositivo se proporciona con una transmisión entre el anillo intermedio (3) y el componente accionado (11 o 12) a fin de accionar el anillo intermedio (3), por lo que está transmisión es una transmisión sin contacto, por lo que ya sea el anillo interior (2) y el anillo exterior (4) es un anillo de cojinete accionado, que es accionado a través de componente accionado (11 respectivamente 12) el dispositivo caracterizado en que a fin de accionar el anillo intermedio (3) en una manera sin contacto, la transmisión comprende uno o más imanes permanentes (14) que giran junto con el anillo de cojinete accionado.
2. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la transmisión comprende un anillo de frenado (27) que se conecta con el anillo intermedio (3), el anillo de frenado (27) contiene un anillo (29a) de material no magnético aún eléctricamente conductor, de tal forma que existe un hueco (16a) entre el uno o más imanes permanentes (14) y el anillo de frenado (27).
3. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el espesor del hueco (16a) es más pequeño de un milímetro y medio, de manera preferente aún más pequeño de un milímetro y de manera más preferente el espesor del hueco (16a) es de aproximadamente medio milímetro.
4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2 y/o 3, caracterizado porque el anillo de frenado (27) alrededor del anillo (29a) del material no magnético aún no eléctricamente conductor contiene un anillo (28) de material magnéticamente conductor.
5. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la transmisión está provista con un hueco (26) en el que se puede aplicar una película delgada de fluido.
6. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque tanto el anillo de cojinete accionado como el anillo intermedio (3) están provistos con un anillo (25a, 25b), con un hueco (26) entre ambos anillos (25a, 25b), por lo que este hueco (26) se puede llenar con un fluido.
7. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el espesor del hueco (26) es de cien micrómetros o más pequeño.
8. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la transmisión para accionar el anillo intermedio (3) es una transmisión de engranajes magnéticos (20) entre dos componentes capaces de girar entre sí (11, 12).
9. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 8, caracterizado porque el anillo de cojinete accionado se conecta con un primer anillo (13) concéntrico con imanes permanentes (14), el anillo intermedio (3) se conecta con un anillo concéntrico (15) con piezas polares (18) y el anillo de cojinete no accionado se conecta con un segundo anillo (19) concéntrico con imanes permanentes (17).
10. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque existe un hueco (16a, 16b) entre el primer anillo (13) y el anillo (15) con piezas polares (18), y entre el anillo (15) con piezas polares (18) y el segundo anillo (19) con un espesor máximo de dos milímetros, de manera preferente un máximo de un milímetro y aún de manera más preferente máximo de medio milímetro.
11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9 y/o 10, caracterizado porque el número de imanes permanentes (14, 17) en el primer anillo (13) y el segundo anillo (19) con imanes permanentes (14, 17) y el número de piezas polares (18) en el anillo (15) con piezas polares (18) se determina de tal manera que el anillo intermedio (3) gira en una velocidad que es más lenta que la velocidad del anillo de cojinete accionado, de manera preferente en una velocidad igual a aproximadamente la mitad de la velocidad del anillo de cojinete accionado.
12. El dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, caracterizado porque el dispositivo está provisto con un freno magnético (21) a fin de desacelerar el anillo intermedio (3) en una manera sin contacto.
13. El dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores 1 a 7, caracterizado porque el anillo intermedio (3) se desacelera en una manera sin contacto por una fuerza electromagnética, por lo que el anillo intermedio (3) se conecta con un anillo (19b) fabricado de material no magnético aún eléctricamente conductor y por lo que el dispositivo con el cojinete en cojinete (1) está provisto con un electroimán estacionario (22) de tal manera que entre el anillo (29b) y el electroimán (22), se presenta un hueco (23) a través del cual el electroimán (22) puede crear un campo electromagnético en el anillo (29b).
14. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo está provisto con un sensor para medir la velocidad del anillo intermedio (3).
15. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, caracterizado porque el dispositivo está provisto con un controlador configurado para regular la excitación de las bobinas (24) en el electroimán (22) basado en la velocidad del anillo intermedio (3).
16. El dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, si el anillo de cojinete accionado es el anillo interior (2), el anillo intermedio (3) se construye de dos anillos concéntricos (7, 8), unidos entre sí usando un ajuste a presión o similar para formar un todo, por lo que el anillo concéntrico interior (8) une el anillo interior (2) y los elementos de rodillos interiores (5) para formar un primer cojinete (10) y de esta manera el anillo concéntrico exterior (7) une el anillo exterior (4) y los elementos de rodillo exteriores (6) al formar un segundo cojinete (9) que se une concéntricamente alrededor del primer cojinete (10).
17. El dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el anillo interior (2), el anillo intermedio (3) y los elementos de rodillos interiores (5) y/o en que el anillo intermedio (3), el anillo exterior (4) y los elementos de rodillo exteriores (6) es un cojinete de bolas de una o dos hileras, un cojinete de bolas de contacto angular de una o dos hileras, un cojinete de cilindro de una o dos hileras que llevan cuatro puntos, cojinete de rodillos o usados, cojinete de rodillos con articulación giratoria, cojinete de agujas, cojinete de bolas de empuje o cojinete de empuje de rodillo cilíndricos.
18. La turbo-máquina, caracterizada porque contiene un dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores para el cojinete de al menos un árbol con un impulsor.
19. El compresor de tornillo, caracterizado porque contiene un dispositivo de acuerdo a una o más de las reivindicaciones anteriores 1 a 17 para el cojinete de al menos un árbol con un rotor.
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