ITFI20090049A1

ITFI20090049A1 - RADIAL AND AXIAL MAGNETIC BEARINGS VIBRATION DAMPERS, MAGNETIC LEVITATION SUPPORT SYSTEM FOR ROTOR, WITH VIBRATION DAMPING, STATIC MEASUREMENT AND EFFORT DYNAMICS, THERMAL EXTENSION COMPENSATION.

Info

Publication number: ITFI20090049A1
Application number: IT000049A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Dreoni; Francesco Dreoni; Nicola Dreoni
Original assignee: Electron S R L D
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-17
Also published as: IT1393321B1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Esistono applicazioni di motori elettrici in cui il carico rotante trasmette allo statore sforzi variabili e vibrazioni che sono poi da questo scaricate sulla struttura di supporto. There are applications of electric motors in which the rotating load transmits variable stresses and vibrations to the stator which are then discharged by the latter onto the support structure.

Un tipico esempio Ã ̈ costituito dal mandrino delle macchine utensili fresatrici, dove l'utensile Ã ̈ dotato di una molteplicitÃ di taglienti che in successione entrano in contatto col pezzo. A typical example is the spindle of milling machine tools, where the tool is equipped with a multiplicity of cutting edges which in succession come into contact with the piece.

Le forze ritmicamente variabili generate dal processo di taglio sono trasmesse alla struttura tramite i cuscinetti di rotolamento che tengono in posizione il rotore. The rhythmically varying forces generated by the cutting process are transmitted to the structure via the rolling bearings that hold the rotor in place.

Se le frequenze contenute in queste forze variabili vanno a coincidere con una frequenza di risonanza strutturale si puÃ² avere una forte esaltazione delle vibrazioni, tanto che il sistema diventa instabile, generando il fenomeno correntemente individuato col nome inglese "chatter". If the frequencies contained in these variable forces coincide with a structural resonance frequency, there can be a strong exaltation of the vibrations, so much so that the system becomes unstable, generating the phenomenon currently identified with the English name "chatter".

Il chatter Ã ̈ molto dannoso perchÃ© non solo deteriora il grado di finitura, ma puÃ² anche portare alla rottura dell'utensile e, nei casi peggiori, alla rottura del cuscinetto di rotolamento. The chatter is very harmful because it not only deteriorates the degree of finish, but can also lead to tool breakage and, in the worst cases, to the breaking of the rolling bearing.

Il problema Ã ̈ reso piÃ¹ importante dal fatto che le moderne macchine utensili necessitano di velocitÃ di rotazione molto alte, quindi di speciali cuscinetti (spesso con sfere ceramiche) che si usurano molto rapidamente in presenza di vibrazioni. The problem is made more important by the fact that modern machine tools require very high rotation speeds, therefore special bearings (often with ceramic balls) which wear out very quickly in the presence of vibrations.

Sono stati sperimentati e sono disponibili sul mercato cuscinetti a levitazione magnetica (quir senza nessun contatto meccanico, neanche di rotolamento) che possono risultare affidabili dei cuscinetti meccanici, ma non risolvono il problema del chatter in quanto la trasmissione di vibrazioni alla struttura rimane sostanzialmente invariata. Magnetic levitation bearings have been tested and are available on the market (quir without any mechanical contact, not even rolling) which can be reliable mechanical bearings, but they do not solve the chatter problem as the transmission of vibrations to the structure remains substantially unchanged.

L'invenzione riguarda: The invention concerns:

- in primo luogo due tipi di cuscinetti a levitazione magnetica, uno radiale ed uno assiale, che svolgono anche la funzione di assorbire le vibrazioni trasmesse dal rotore - firstly two types of magnetic levitation bearings, one radial and one axial, which also perform the function of absorbing the vibrations transmitted by the rotor

in secondo luogo un sistema completo di sostentamento magnetico per un motore che comprende anche la misura statica e dinamica dello sforzo trasmesso dal rotore e la compensazione dell'allungamento termico dello statore secondly, a complete system of magnetic support for a motor which also includes the static and dynamic measurement of the stress transmitted by the rotor and the compensation of the thermal elongation of the stator

Nelle fig. 1, 2 e 3 sono riportati gli schemi rispettivamente del cuscinetto radiale, del cuscinetto assiale e sistema completo di supporto per motore. Le dimensioni e la disposizione delle varie parti sono puramente esemplificative, dipendando le reali dimensioni e disposizione delle parti dipendenti dalle peculiaritÃ dell'applicazione . In figs. 1, 2 and 3 show the diagrams of the radial bearing, the thrust bearing and the complete engine support system, respectively. The dimensions and arrangement of the various parts are purely illustrative, depending on the real dimensions and arrangement of the parts depending on the peculiarities of the application.

CUSCINETTO RADIALE RADIAL BEARING

Il cuscinetto radiale (Fig. 1) Ã ̈ composto di quattro parti essenziali : The radial bearing (Fig. 1) consists of four essential parts:

- il contenitore esterno, da collegare alla struttura meccanica che sostiene il cuscinetto - the external container, to be connected to the mechanical structure that supports the bearing

- l'albero rotante, con annesso l'anello in materiale magnetico sul quale si esercitano le forze magnetiche - the rotating shaft, with the attached ring in magnetic material on which the magnetic forces are exerted

- la massa mobile (che comprende gli elettromagneti sviluppanti le forze di attrazione) , che non Ã ̈ rigidamente fissata al contenitore esterno, ma Ã ̈ ad esso sospesa per mezzo di un sistema elastico di sospensione - the mobile mass (which includes the electromagnets developing the forces of attraction), which is not rigidly fixed to the external container, but is suspended from it by means of an elastic suspension system

- il sistema elastico di sospensione, che ha la doppia funzione di ridurre a due i gradi di libertÃ della massa mobile (che puÃ² muoversi in un piano ortogonale all'asse di rotazione del rotore ma non puÃ² ruotare e deve rimanere parallela all'asse di rotazione) e di fornire il collegamento elastico smorzante tra la massa mobile e il contenitore esterno - the elastic suspension system, which has the dual function of reducing the degrees of freedom of the mobile mass to two (which can move in a plane orthogonal to the rotation axis of the rotor but cannot rotate and must remain parallel to the rotation) and to provide the elastic damping connection between the movable mass and the outer container

La fig. 1A Ã ̈ una sezione mediana ortogonale all'asse di rotazione, la fig. 1B Ã ̈ una sezione passante per l'asse di rotazione, la fig 1C Ã ̈ una vista-sezione ortogonale esterna, la fig. Fig. 1A is a median section orthogonal to the rotation axis, fig. 1B is a section passing through the rotation axis, fig 1C is an external orthogonal sectional view, fig.

1D illustra il pricipio di funzionamento del sistema di sospensione parallela . 1D illustrates the principle of operation of the parallel suspension system.

Il contenitore ha diametro esterno (1) e diametro interno (2) e puÃ² essere dotato di una sporgenza interna a forma di anello, visibile in fig. 1B al punto (28), che sostiene un sistema di sospensione parallela. The container has an external diameter (1) and internal diameter (2) and can be equipped with an internal protrusion in the shape of a ring, visible in fig. 1B in point (28), which supports a parallel suspension system.

L'albero rotante cavo ha diametro interno (4) e diametro esterno (3). The hollow rotating shaft has an internal diameter (4) and an external diameter (3).

Tra il diametro (5) e il diametro (3) si trova l'anello (19) in materiale magnetico, rigidamente fissato all'albero cavo, sul quale si esercitano le forze di attrazione che vincolano l'albero rotore. Between the diameter (5) and the diameter (3) there is the ring (19) in magnetic material, rigidly fixed to the hollow shaft, on which the forces of attraction that constrain the rotor shaft are exerted.

La massa mobile comprende tre elettromagneti simmetricamente disposti a 120 gradi l'uno dall'altro intorno alle tre direzioni (12), (13) e (14), tenuti assieme dai due anelli rigidi contrapposti (29) di fig. 1B, .che sono serrati da appositi bulloni (non riportati nel disegno) passanti attraverso i sei fori (8). The mobile mass comprises three electromagnets symmetrically arranged at 120 degrees from each other around the three directions (12), (13) and (14), held together by the two opposing rigid rings (29) of fig. 1B, which are tightened by suitable bolts (not shown in the drawing) passing through the six holes (8).

Il numero di tre elettromagneti porta ad una realizzazione particolarmente semplice, ma non Ã ̈ determinante ai fini dell'invenzione, essendo possibile ottenere gli stessi effetti con un numero superiore di elettromagneti, per esempio quattro o piÃ¹. The number of three electromagnets leads to a particularly simple realization, but it is not decisive for the purposes of the invention, since it is possible to obtain the same effects with a higher number of electromagnets, for example four or more.

I due anelli rigidi (29) sono sagomati per ospitare due ulteriori anelli elastici (23), diseggnati con sezione colorata in nero, che sono incastrati a forza tra l'anello e il contenitore ed hanno la funzione di richiamare elasticamente la massa mobile nella sua posizione centrale. A puro titolo di esempio, nella figura sono disegnati due anelli elastici a sezione rettangolare, ma la funzione di richiamo elastico verso il centro di rotazione puÃ² essere ottenuta anche con anelli elastici a sezione diversa (per esempio rotonda tipo O-ring o altro) che possono essere anche in numero diverso da due e possono anche essere sostituiti da una colata di resina elastica che riempia tutta l'intercapedine tra la massa mobile e il contenitore esterno. La scelta dipenderÃ dalla rigiditÃ desiderata e dalla convenienza economica della soluzione. The two rigid rings (29) are shaped to accommodate two further elastic rings (23), drawn with a section colored in black, which are forcibly wedged between the ring and the container and have the function of elastically recalling the mobile mass in its central position. Purely by way of example, the figure shows two elastic rings with a rectangular section, but the function of elastic return towards the center of rotation can also be obtained with elastic rings with different section (for example, round type O-ring or other) which they can also be in a number other than two and can also be replaced by a casting of elastic resin that fills the entire gap between the mobile mass and the external container. The choice will depend on the desired rigidity and the economic convenience of the solution.

I tre elettromagneti essendo identici tra loro saranno descritti una sola volta e per maggiore facilitÃ di lettura del disegno i numeri di riferimento potranno essere posti indifferentemente su uno qualsiasi dei tre. The three electromagnets being identical to each other will be described only once and for greater ease of reading the drawing the reference numbers can be placed indifferently on any of the three.

Le linee di forza del flusso magnetico generato hanno l'andamento della linea (17), ossia partendo dal polo (10) passano attraverso il traferro (11), continuano attraversando l'anello solidale col rotore (19), attraversano il traferro (15), il polo (18) e l'arco di corona circolare (20), richiudendosi al polo (10). The lines of force of the magnetic flux generated follow the line (17), i.e. starting from pole (10) they pass through the air gap (11), continue crossing the ring integral with the rotor (19), cross the air gap (15 ), the pole (18) and the circular crown arc (20), closing at the pole (10).

Sui poli magnetici (10) e (18) affacciati ai traferri (11) e (15) si sviluppa la forza di attrazione verso la parte rotante del circuito magnetico (19). The attraction force towards the rotating part of the magnetic circuit (19) develops on the magnetic poles (10) and (18) facing the air gaps (11) and (15).

Questa forza di attrazione Ã ̈ proporzionale al quadrato della corrente che percorre i due avvolgimenti elettrici (9) e (16). This attraction force is proportional to the square of the current flowing through the two electrical windings (9) and (16).

L'avvolgimento (16) Ã ̈ visibile anche nella fig. 1B. The winding (16) is also visible in fig. 1B.

Detti avvolgimenti saranno per comoditÃ costruttiva posti in serie e connessi in modo tale che le amperspire generate si sommino. Said windings will be placed in series for constructive convenience and connected in such a way that the amperspires generated are added together.

L'arco di corona circolare (20) potrÃ essere esteso anche oltre quanto strettamente richiesto dalla funzione magnetica per fornire spazio per i fori di fissaggio (8) in una posizione che non interferisca col flusso magnetico. The annulus arc (20) may be extended beyond what is strictly required by the magnetic function to provide space for the fixing holes (8) in a position that does not interfere with the magnetic flux.

Le forze trasmesse dai due traferri (11) e (15) all'anello rotante si compongono in modo vettoriale e generano una risultante orientata come la direzione mediana (12). The forces transmitted by the two air gaps (11) and (15) to the rotating ring are composed in a vectorial way and generate a resultant oriented as the median direction (12).

Le tre forze (orientate a 120 gradi l'una dall'altra) generate dai tre elettromagneti si compongono ancora vettorialmente fornendo una risultante passante per il centro di rotazione The three forces (oriented 120 degrees from each other) generated by the three electromagnets are still vectorially composed providing a resultant passing through the center of rotation

Quindi, impartendo a ciascuno dei tre elettromagneti la giusta corrente si potrÃ ottenere una forza di intensitÃ ed orientamento qualsiasi, adatta al sostentamento del rotore in senso assiale. Therefore, by imparting the right current to each of the three electromagnets, it will be possible to obtain a force of any intensity and orientation, suitable for supporting the rotor in the axial direction.

Tre sensori, disposti a 120 gradi e di cui uno Ã ̈ indicato in fÃ¬g. 1B col n. (22), misurano la posizione dell'albero rotante rispetto al contenitore e quindi consentono al sistema di controllo, non facente parte dell'invenzione, di generare le correnti e quindi le forze necessarie per il mantenimento dell'albero rotante in posizione centrale. Three sensors, arranged at 120 degrees and one of which is indicated in fig. 1B with n. (22), measure the position of the rotating shaft with respect to the container and therefore allow the control system, which is not part of the invention, to generate the currents and therefore the forces necessary to keep the rotating shaft in a central position.

PoichÃ© la massa mobile non Ã ̈ fissata al contenitore in modo rigido ma in modo elastico tramite gli anelli (23), la forza applicata al rotore si scarica sulla sospensione elastica provocando uno spostamento della massa mobile rispetto al centro di rotazione. Since the mobile mass is not rigidly fixed to the container but in an elastic way by means of the rings (23), the force applied to the rotor is discharged onto the elastic suspension causing a displacement of the mobile mass with respect to the center of rotation.

Se il sistema Ã ̈ perfettamente simmetrico e bilanciato lo spostamento Ã ̈ parallelo all'asse di rotazione e quindi mantiene costante per tutta la lunghezza il traferro (24) di fig. 1B. If the system is perfectly symmetrical and balanced, the displacement is parallel to the rotation axis and therefore keeps the air gap (24) in fig. 1B.

Ma in caso di dissimmetrie anche minime puÃ² risultare una pericolosa situazione di instabilitÃ . But in the event of even minimal dissymmetries, a dangerous situation of instability can result.

Infatti, se lo spostamento Ã ̈ non parallelo il flusso magnetico si concentra nella parte in cui il traferro Ã ̈ minore, quindi genera una forza di attrazione maggiore nel punto di maggiore vicinanza, che a sua volta fa aumentare ancora l'inclinazione. In fact, if the displacement is not parallel, the magnetic flux is concentrated in the part where the air gap is smaller, therefore it generates a greater attraction force at the closest point, which in turn causes the inclination to increase again.

Quindi deviazioni anche minime dalla simmetria perfetta possono innescare un processo instabile che porta alla massima inclinazione consentita dai limiti fisici meccanici. Therefore even minimal deviations from perfect symmetry can trigger an unstable process that leads to the maximum inclination allowed by the physical mechanical limits.

Ãˆ quindi necessario un ulteriore sistema di guida parallela della massa mobile, basato sul noto principio del parallelogramma illustrato, per un caso piano, in fig. 1D. A further parallel guide system of the mobile mass is therefore necessary, based on the known principle of the parallelogram illustrated, for a plane case, in fig. 1D.

Sulla base (36) sono incastrati nei punti (32) due distanziali elastici identici (31), che dalla parte opposta sono incastrati nei punti (33) alla massa mobile (30). On the base (36) two identical elastic spacers (31) are fitted in the points (32), which on the opposite side are fitted in the points (33) to the mobile mass (30).

Una forza applicata alla massa mobile in direzione Y provoca uno spostamento parallelo a Y (35), poichÃ© i distanziali possono flettere tra le posizioni (31) e (34) ma mantengono una forte rigiditÃ nel senso della lunghezza. Il movimento risultante Ã ̈ leggermente arcuato, ma lo spostamento in direzione X Ã ̈ di norma trascurabile se la lunghezza dei distanziali Ã ̈ sufficientemente grande rispetto alla deflessione. A force applied to the movable mass in the Y direction causes a displacement parallel to Y (35), since the spacers can flex between positions (31) and (34) but maintain a strong rigidity along the length. The resulting movement is slightly arcuate, but the displacement in the X direction is usually negligible if the length of the spacers is large enough with respect to the deflection.

Per il caso reale non piano possono essere usati distanziali a lamina oppure un numero di distanziali superiore a due, disposti sulla superficie da guidare. For the real non-flat case, foil spacers or a number of spacers greater than two, arranged on the surface to be guided, can be used.

Il cuscinetto radiale oggetto dell'invenzione comprende quindi un sistema di sospensione parallelo costituito da tre distanziali elastici (21), disposti a 120 gradi nelle zone intermedie tra gli elettromagneti, che sono da un lato incastrati al contenitore nel punto (28) (corrispondente al punto (32) dell'esempio piano), attraversano tramite un foro passante il primo anello rigido (29), attraversano per tutta la lunghezza gli elettromagneti e sono incastrati dalla parte opposta all'altro anello (29) nel punto (27) (corrispondente al punto (30) dell'esempio piano). The radial bearing object of the invention therefore comprises a parallel suspension system consisting of three elastic spacers (21), arranged at 120 degrees in the intermediate areas between the electromagnets, which are on one side fitted to the container at the point (28) (corresponding to the point (32) of the flat example), pass through the first rigid ring (29) through a through hole, pass through the electromagnets along their entire length and are fitted on the opposite side to the other ring (29) in point (27) (corresponding in point (30) of the flat example).

I tre distanziali usati per la guida parallela contribuiscono anche alla forza elastica, sommando il loro contributo a quello degli anelli elastici (23). The three spacers used for rip fence also contribute to the spring force, adding their contribution to that of the snap rings (23).

Si descrive ora l'effetto di smorzamento delle vibrazioni prodotte da eventuali forze variabili applicate all'albero rotante, che Ã ̈ la parte caratterizzante dell'invenzione. The damping effect of the vibrations produced by any variable forces applied to the rotating shaft, which is the characterizing part of the invention, is now described.

Se all'asse rotante Ã ̈ applicata una forza continua, o statica, ed Ã ̈ presente un sistema di comando e controllo che mantenga l'albero rotante centrato rispetto al contenitore, la forza applicata all'albero viene contrastata da una forza uguale e contraria prodotta dagli elettromagneti che si appoggiano alla sospensione elastica e quindi la massa mobile si sposta rispetto al centro di rotazione dell'albero rotante If a continuous or static force is applied to the rotating axis and there is a command and control system that keeps the rotating shaft centered with respect to the container, the force applied to the shaft is counteracted by an equal and opposite force. produced by the electromagnets that rest on the elastic suspension and therefore the mobile mass moves with respect to the center of rotation of the rotating shaft

Lo spostamento massimo della massa mobile rispetto all'albero rotante Ã ̈ limitato dal traferro degli elettromagneti e determina, tramite il coefficiente di elasticitÃ del sistema di sospensione, la massima forza trasmissibile all'albero. The maximum displacement of the mobile mass with respect to the rotating shaft is limited by the air gap of the electromagnets and determines, through the coefficient of elasticity of the suspension system, the maximum force that can be transmitted to the shaft.

Quindi il coefficiente di elasticitÃ del sistema di sospensione della massa mobile e il traferro, ossia lo spostamento massimo della massa mobile respetto all'albero rotante, dovranno essere coerentemente determinati in modo tale da ottenere la massima forza specificata per il cuscinetto col massimo spostamento. Therefore the coefficient of elasticity of the suspension system of the moving mass and the air gap, ie the maximum displacement of the moving mass with respect to the rotating shaft, must be consistently determined in such a way as to obtain the maximum force specified for the bearing with the maximum displacement.

Una forza statica quindi "transita" attraverso la massa mobile e si scarica sul contenitore, esattamente come se l'albero rotante fosse rigidamente riferito al contenitore stesso, per esempio con un cuscinetto di rotolamento. A static force then "passes" through the movable mass and discharges itself onto the container, exactly as if the rotating shaft were rigidly referred to the container itself, for example with a rolling bearing.

Ma il sistema costituito dalla massa mobile e dall'elasticitÃ della sospensione Ã ̈ risonante, con frequenza di risonanza fO data dalla nota formula: But the system made up of the mobile mass and the elasticity of the suspension is resonant, with a resonant frequency fO given by the well-known formula:

fO = SQR (K/M) /(2*PI) fO = SQR (K / M) / (2 * PI)

dove K=coeffid ente elastico, M=massa mobile, PI=3.1415... where K = elastic coefficient, M = mobile mass, PI = 3.1415 ...

Abbiamo visto che per forze costanti l'intera forza viene scaricata sul contenitore e che non vi Ã ̈ alcuna differenza rispetto al normale funzionamento di un cuscinetto volvente. We have seen that for constant forces the entire force is discharged onto the container and that there is no difference from the normal operation of a rolling bearing.

Un comportamento del tutto simile alle forze costanti si ha per forze oscillanti a frequenze basse, inferiori alla frequenza propria di risonanza. A behavior quite similar to constant forces occurs for oscillating forces at low frequencies, lower than the natural resonance frequency.

Se perÃ² la frequenza delle forze oscillanti Ã ̈ superiore alla frequenza di risonanza si ha un effetto di filtro dovuto alla sospensione elastica, ossia solo una parte della forza si scarica sul contenitore perchÃ© una parte viene assorbita dalle forze di inerzia generate dalla massa mobile che oscilla in antagonismo con la forza applicata all'asse. However, if the frequency of the oscillating forces is higher than the resonant frequency, there is a filter effect due to the elastic suspension, i.e. only a part of the force is discharged on the container because a part is absorbed by the inertia forces generated by the mobile mass which oscillates in antagonism with the force applied to the axis.

Il coefficiente di riduzione delle forze oscillanti trasmesse, ossia il coefficiente attenuazione delle vibrazioni, Ã ̈ circa proporzionale al quadrato del rapporto tra la frequenza eccitante e la frequenza di risonanza, quindi si ha per esempio che a una frequenza doppia della risonanza si ha un'attenuazione delle vibrazioni di 4 volte, a una frequenza tripla l'attenuazione Ã ̈ di 9 volte e cosÃ¬ via. The reduction coefficient of the transmitted oscillating forces, i.e. the vibration attenuation coefficient, is approximately proportional to the square of the ratio between the exciting frequency and the resonant frequency, so for example we have that at a double frequency of the resonance we have a vibration attenuation of 4 times, at a triple frequency the attenuation is 9 times and so on.

CUSCINETTO ASSIALE AXIAL BEARING

Il cuscinetto assiale o reggispinta (Fig. 2) Ã ̈ composto di quattro parti essenziali, analoghe a quelle del cuscinetto radiale: The thrust or thrust bearing (Fig. 2) is composed of four essential parts, similar to those of the radial bearing:

l'albero rotante, con annesso l'anello o gli anelli in materiale magnetico sul quale si esercitano le forze magnetiche the rotating shaft, with attached ring or rings in magnetic material on which the magnetic forces are exerted

- il sistema elastico di sospensione, che ha la doppia funzione di ridurre a uno il grado di libertÃ della massa mobile (che puÃ² solo traslare parallela all'asse di rotazione rimanendo sempre centrata) e di fornire il collegamento elastico smorzante tra la massa mobile e il contenitore esterno - the elastic suspension system, which has the double function of reducing to one the degree of freedom of the mobile mass (which can only translate parallel to the rotation axis while remaining centered) and of providing the elastic damping connection between the mobile mass and the outer container

La fig. 2A Ã ̈ una sezione passante per l'asse di rotazione, 2B Ã ̈ la sezione ortogonale all'asse di rotazione nel punto (55), le fig. Fig. 2A is a section passing through the rotation axis, 2B is the section orthogonal to the rotation axis at point (55), figs.

2C e 2D illustrano il funzionamento dei centratori che limitano a uno il grado di libertÃ della massa mobile. 2C and 2D illustrate the operation of the centering devices which limit the degree of freedom of the mobile mass to one.

Il contenitore (42) Ã ̈ dotato di due spalle (43) e (44) a forma di anello, che sostengono il sistema di sospensione della massa mobile . The container (42) is equipped with two shoulders (43) and (44) in the shape of a ring, which support the suspension system of the mobile mass.

Su una di queste spalle e' indicato nella figura il sensore (43) che misura la posizione assiale dell'albero rispetto al contenitore del cuscinetto, consentendo il posizonamento preciso dell'albero in senso assiale. On one of these shoulders the sensor (43) is indicated in the figure which measures the axial position of the shaft with respect to the bearing housing, allowing the precise positioning of the shaft in the axial direction.

Questa sistemazione del sensore Ã ̈ puramente indicativa, in quanto la posizione ottimale del sensore puÃ² essere anche lontana dal cuscinetto assiale, per controllare la posizione nel miglior punto che permetta di compensare l'allungamento termico. This positioning of the sensor is purely indicative, as the optimal position of the sensor can also be far from the axial bearing, to check the position in the best point that allows to compensate for the thermal elongation.

L'albero rotante cavo, che ha diametro interno (40), Ã ̈ dotato dell'anello sporgente (41) che fronteggia il sensore di posizione (43) e di un adeguato supporto, con diametro (56), per l'anello magnetico solidale al rotore (49) sul quale si esercitano le forze di attrazione in senso assiale. The hollow rotating shaft, which has an internal diameter (40), is equipped with the protruding ring (41) that faces the position sensor (43) and with a suitable support, with diameter (56), for the magnetic ring. integral with the rotor (49) on which the forces of attraction are exerted in the axial direction.

La massa mobile e' formata da due elettromagneti, rigidamente uniti insieme dall'anello centrale in materiale non magnetico (53), esattamente simmetrici rispetto al piano mediano (54), formati da due circuiti magnetici (51) e da due avvolgimenti toroidali (52). The mobile mass is formed by two electromagnets, rigidly joined together by the central ring in non-magnetic material (53), exactly symmetrical with respect to the median plane (54), formed by two magnetic circuits (51) and by two toroidal windings (52 ).

Essendo le due parti simmetriche ed identiche se ne descrive una sola ed i numeri identificativi possono essere messi sull'una o sull'altra parte per ottenere la massima chiarezza del disegno. Since the two parts are symmetrical and identical, only one is described and the identification numbers can be placed on one or the other side to obtain the maximum clarity of the drawing.

Le linee di flusso magnetico (47) passano attraverso il traferro assiale (48), percorrono il circuito magnetico (51) all'interno della massa mobile, attraversano il traferro radiale (50), percorrono l'anello magnetico rotante (49) e tornano al traferro assiale di partenza (48). The magnetic flux lines (47) pass through the axial air gap (48), pass through the magnetic circuit (51) inside the mobile mass, pass through the radial air gap (50), pass through the rotating magnetic ring (49) and return to the starting axial air gap (48).

Agli estremi dei traferri si sviluppano le forze di attrazione, in senso parallelo alle linee di flusso, quindi si tratta di forze assiali nel caso del traferro (48) e di forze radiali nel caso del traferro (50). Le forze radiali hanno una risultante complessiva nulla essendo uniformemente e simmetricamente distribuite su tutta la circonferenza, mentre due forze assiali contrapposte sono gienerate da ciascuno dei due elettromagneti. At the ends of the air gaps the forces of attraction develop, in a direction parallel to the flux lines, so they are axial forces in the case of the air gap (48) and radial forces in the case of the air gap (50). The radial forces have an overall zero resultant being uniformly and symmetrically distributed over the entire circumference, while two opposing axial forces are generated by each of the two electromagnets.

PoichÃ© le forze sono proporzionali al quadrato delle rispettive correnti che percorrono gli avvolgimenti, dosando opportunamente queste correnti si puÃ² generare la forza assiale desiderata. Since the forces are proportional to the square of the respective currents flowing through the windings, by appropriately dosing these currents it is possible to generate the desired axial force.

Come giÃ descritto per il cuscinetto radiale, anche il cuscinetto assiale deve essere opportunamente vincolato, limitandone i gradi di libertÃ questa volta ad uno solo in senso parallelo all'asse . As already described for the radial bearing, the axial bearing must also be suitably constrained, limiting its degrees of freedom this time to only one in the direction parallel to the axis.

Sono quindi presenti i due anelli in materiale elastico (45), contrapposti ed appoggiate alle spalle ricavate nel contenitore. There are therefore two rings made of elastic material (45), opposite each other and resting on the shoulders obtained in the container.

Come giÃ detto per il cuscinetto assiale, la sezione rettangolare non Ã ̈ vincolante, potendo gli anelli avere una sezione qualsiasi, per esempio rotonda come gli O-ring, possono essere in numero maggiore a due e possono essere sostituiti con un riempimento di materiale elastico su tutta l'intercapedine tra la massa mobile e il contenitore esterno. As already said for the axial bearing, the rectangular section is not binding, since the rings can have any section, for example round like the O-rings, they can be greater than two and can be replaced with a filling of elastic material. over the entire gap between the mobile mass and the external container.

E' invece importante il sistema di centraggio che vincola la massa mobile a rimanere centrata ed amuoversi solo in senso assiale, non essendo i supporti elastici sufficienti a questo scopo. On the other hand, the centering system that binds the mobile mass to remain centered and move only in an axial direction is important, as the elastic supports are not sufficient for this purpose.

L'invenzione fa uso di centratori di forma e funzionamento simile a quello dei cosiddetti "ragni centratori" comunemente usati per guidare il movimento del cono degli altoparlanti. The invention makes use of centering devices having a shape and operation similar to that of the so-called "centering spiders" commonly used to guide the movement of the speaker cone.

Si tratta di due anelli elastici a sezione ondulata, (46) di fig. 2A, meglio descritti nelle figure 2D (sezione) e 2E (vista frontale) . These are two elastic rings with a wavy section, (46) in fig. 2A, better described in figures 2D (section) and 2E (front view).

Nei due anelli si possono individuare la corona circolare esterna di fissaggio (57) , la corona quella interna (58) e la corona ondulata (59) che permette il movimento molleggiato della corona interna (58) rispetto a quella esterna (59) vincolandolo perÃ² a non ruotare e a mantenere il suo centro sull'asse di simmetria radiale. In the two rings it is possible to identify the external circular ring for fixing (57), the crown the internal one (58) and the wavy crown (59) which allows the sprung movement of the internal crown (58) with respect to the external one (59), however binding it not to rotate and to maintain its center on the radial symmetry axis.

La corona centrale di ogni anello potrebbe inclinarsi rispetto alla corona esterna, ma questo Ã ̈ impedito dalla presenza del secondo centratore ad una certa distanza sull'asse, che dovendo mantenere il proprio centro sull'asse centrale di rotazione impedisce anche l'inclinazione dell'altro anello. The central crown of each ring could tilt with respect to the external crown, but this is prevented by the presence of the second centering device at a certain distance on the axis, which having to maintain its center on the central axis of rotation also prevents the inclination of the other ring.

Il risultato finale Ã ̈ che i due centratori mantengono centrata la massa mobile e la vincolano al solo movimento parallelo all'asse di rotazione. The final result is that the two centering devices keep the mobile mass centered and constrain it only to the movement parallel to the rotation axis.

Anche per il cuscinetto assiale Ã ̈ essenziale caratteristica dell'invenzione l'effetto di filtraggio delle vibrazioni che avviene in modo assolutamente identico a quello giÃ descritto per il cuscinetto radiale, solo che invece di un movimento radiale della massa mobile Ã ̈ presente un movimento assiale, e le forze trasmesse e filtrate sono in senso assiale anzichÃ© radiale. Also for the axial bearing the filtering effect of the vibrations is essential characteristic of the invention, which occurs in an absolutely identical way to that already described for the radial bearing, except that instead of a radial movement of the mobile mass there is an axial movement. , and the forces transmitted and filtered are axial rather than radial.

SISTEMA DI SOSPENSIONE COMPLETO PER MOTORE COMPLETE SUSPENSION SYSTEM FOR ENGINE

La rappresentazione complessiva del sistema di sospensione per un motore Ã ̈ data in fir. 3. The overall representation of the suspension system for an engine is given in fir. 3.

In questo disegno, come giÃ detto puramente esemplificativo e non vincolante sia per quanto riguarda la disposizione dche per le proporzioni delle varie parti, si possono notare i componenti essenziali, che sono: In this drawing, as already said purely by way of example and not binding both as regards the arrangement d and the proportions of the various parts, it is possible to note the essential components, which are:

- il contenitore esterno del motore (81) - the external container of the motor (81)

- l'albero cavo interno (87), con la sporgenza anteriore (98) (lato utensile) e posteriore (88) (lato servizi) - the internal hollow shaft (87), with the front (98) (tool side) and rear (88) (service side) projection

- il sensore di posizione assiale (82), posto nel punto piÃ¹ vicino possibile al lato utensile, per lasciare che le eventuali dilatazioni termiche si sviluppino verso il lato servizi e che il lato utensile rimanga in posizione fissa - the axial position sensor (82), placed as close as possible to the tool side, to allow any thermal expansion to develop towards the service side and that the tool side remains in a fixed position

- il cuscinetto magnetico radiale anteriore (83), in cui si notano il sensore radiale (95), il sistema di sospensione elastica (96), il sistema di centraggio (99), gli avvolgimenti elettrici (97) - il motore vero e proprio (94) - the front radial magnetic bearing (83), in which the radial sensor (95), the elastic suspension system (96), the centering system (99), the electric windings (97) can be seen - the actual motor (94)

- il cuscinetto magnetico radiale posteriore (85), in cui si notano il sensore radiale (92), il sistema elastica (94), il sistema di centraggio (100), gli avvolgimenti elettrici (93) - the rear radial magnetic bearing (85), in which the radial sensor (92), the elastic system (94), the centering system (100), the electric windings (93) can be seen

- il cuscinetto magnetico assiale (86), in cui si notano gli avvolgimenti (91), il sistema di sospensione elastica (90), i centratori (101), le spalle (89) ricavate nel contenitore esterno E' da rimarcare il fatto che il sensore assiale si trova al lato opposto del motore per mantenere fissa questa posizione indipendentemente dagli allungamenti termici di tutto il motore che potranno sfogarsi completamente in direzione opposta mantenendo sempre fissa la posizione dell'albero motore rispetto alla flangia di attacco (81). - the axial magnetic bearing (86), in which the windings (91), the elastic suspension system (90), the centering devices (101), the shoulders (89) obtained in the external container are noted. the axial sensor is located on the opposite side of the motor to keep this position fixed regardless of the thermal elongations of the whole motor which can vent completely in the opposite direction, always keeping the position of the motor shaft fixed with respect to the attachment flange (81).

E' anche da notare che, essendo le forze di sostentamento dipendenti in modo univoco dalle correnti di alimentazione degli elettromagneti, ed essendo le correnti facilmente rilevabili dalla'apparecchiatura di controllo, sarÃ possibile avere una misura pressochÃ© esatta, sia statica che dinamica, della forza trasmessa dall'utensile, prestazione estremamente difficile da ottenere con i sistemi di fissaggio meccanici (per esempio cuscinetti volventi) perchÃ© qualsiasi rilevatore di sforzo viene confuso dalle grandi tensioni che si stabiliscono nella struttura di appoggio in seguito a differenze di temperatura anche molto ridotte. It should also be noted that, since the support forces are univocally dependent on the power supply currents of the electromagnets, and since the currents can be easily detected by the control equipment, it will be possible to have an almost exact measurement, both static and dynamic, of the force transmitted by the tool, a performance extremely difficult to obtain with mechanical fastening systems (for example rolling bearings) because any stress detector is confused by the large tensions that are established in the support structure following even very small temperature differences .

Claims

CLAIMS 1. Radial electromagnetic bearing, as referred to in the descriptive part, characterized by all the following characteristics: the mass made up of the electromagnets that act on the rotor and the structure that holds them rigidly together is not rigidly fixed to the external container, but is mobile with respect to it and is referred to it through an elastic system - said elastic system contains a parallel guide system which constrains said mobile mass to move parallel to itself and to the axis of rotation of the bearing, only in the two directions orthogonal to the axis of rotation the rigidity of the elastic suspension system and the air gap of the electromagnets are suitably sized to statically deliver the maximum force specified for the bearing with a displacement equal to the maximum available without causing collisions - the magnetic forces are generated by a system of at least three electromagnets, each of which consists of two poles with relative winding, arranged with uniform angular spacing around the rotor - the bearing is equipped with sensors that detect the radial position of the axis supported by the bearing with respect to its container 2. Radial electromagnetic bearing as in point 1 above, also characterized by the following characteristics: - the electromagnets, in quantities of three or greater, are rigidly held together by two rings the parallel guide system consists of three or more elastic spacers, rigid in compression but elastic in bending, uniformly spaced on the circumference, fixed on one side to the external container and on the other to one of the rings that join the electromagnets 3. Radial electromagnetic bearing, as described by one or more previous points, characterized by the fact that the elastic suspension force is provided in part by the parallel guide devices and in part by elastomeric elements, which can consist of both cross-section rings round or polygonal, either from one or more elastomer castings that fill, in whole or in part, the space between the mobile mass and the container 4. Axial electromagnetic bearing, as referred to in the descriptive part, characterized by all the following characteristics: the mass made up of the electromagnets that act on the rotor and the structure that holds them rigidly together is not rigidly fixed to the external container, but is mobile with respect to it and is referred to it through an elastic system - said elastic system contains a parallel guide system which constrains said mobile mass to move parallel to itself and to the axis of rotation of the bearing, only in a direction parallel to the axis of rotation, since the mobile mass is forced to remain centered with respect now the rigidity of the elastic suspension system and the axial air gap of the electromagnets are suitably sized to statically deliver the maximum force specified for the bearing with a displacement equal to the maximum available without causing collisions the magnetic forces are generated by a system of two axially opposite electromagnets - the bearing is equipped with sensors that detect the axial position of the axis supported by the bearing with respect to its container, since said sensors can also be arranged far from the bearing itself to compensate for the effects of thermal elongation of the rotating shaft 5. Axial electromagnetic bearing as in point 4 above, also characterized by the fact that the centering system with only axial degree of freedom consists of two wavy elastic rings of the same type used in the so-called "centering spiders" of the loudspeakers, arranged at the ends of the electromagnets 6. Axial magnetic bearing, as described by one of the previous points, characterized by the fact that the elastic suspension force is provided in part by the parallel guide devices and in part by elastomeric elements, which can consist of either rings with a round section or polygonal, either from one or more elastomer castings that fill, in whole or in part, the space between the mobile mass and the container 7. Electromagnetic suspension system for rotating shaft characterized by the fact of being made up of one or more axial and / or radial bearings described in any of the previous points 8. Electromagnetic suspension system for rotating shaft as described in the previous point, characterized by the fact that the position sensor relative to the axial bearing is arranged in proximity to the payload, in such a way as to eliminate or minimize the displacement of the load for thermal expansion 9. Electromagnetic suspension system for rotating shaft as described by one of the previous points, characterized by the fact that the intensity of the current applied to the electromagnets is sent to a measurement and control system which derives from it the force applied to the rotating shaft