ACOPLADOR MAGNÉTICO DE AUTO-DESCARGA
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con acopladores magnéticos permanentes del tipo que tienen una unidad de rotor de imán permanente' sobre una flecha separada de una unidad de rotor conductor sobre otra flecha por medio de espacios de aire.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Son conocidos los acopladores magnéticos permanentes que se pueden ajustar en los cuales un par de rotores conductores proporcionan el montaje para un par de rotores de imán. Los rotores conductores están conectados para girar juntos como una unidad sobre una flecha, mientras que los rotores de imán están montados para girar con una segunda flecha y para que se puedan mover en forma axial con relación a la segunda flecha. Cada rotor de imán tiene un grupo de imanes permanentes en los que un espacio de aire los separa de un anillo electroconductor con respaldo ferroso montado sobre un rotor conductor respectivo de los rotores conductores. La rotación de una de las dos flechas da como resultado que gire la otra flecha por medio de fuerzas magnéticas que actúan entre los rotores de imán y los rotores conductores, sin ninguna conexión mecánica directa entre las flechas. Al mover los rotores de imán axialmente con respecto a la 2
segunda flecha, el espacio de aire entre los rotores de imán y los rotores conductores se puede cambiar. Al aumentar el espacio de aire se reduce la torsión que acopla los rotores de imán y los rotores conductores. Al conocer la relación entre el espacio de aire y la torsión resultante, los ingenieros pueden diseñar un acoplador de imán que se pueda ajustar y que convierta una torsión y/o velocidad de rotación entrante en particular a una torsión y/o velocidad de salida deseada al crear el espacio adecuado. Se han diseñado accionadores para mover en forma controlable los rotores de imán con respecto a los rotores conductores para ajustar los espacios de aire en los acopladores magnéticos ajustables. Bajo ciertas condiciones de operación, por ejemplo durante el inicio o después de un descenso considerable de velocidad de la flecha de carga, las velocidades relativas de rotación de los rotores de imán y los rotores conductores pueden diferir en forma importante. Se ha observado que, bajo altas condiciones de deslizamiento, se genera una fuerza de rechazo entre los rotores de imán y los rotores conductores. La fuerza de rechazo es una función de un deslizamiento relativo de movimiento y de este modo se reduce conforme los rotores alcanzan la misma velocidad de rotación. Bajo condiciones estáticas relativas, no existe fuerza de rechazo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida hacia un acoplador magnético configurado para permitir un desacoplado limitado durante 3
el inicio, pero a la vez para permitir un desacoplado importante después de un paro de emergencia. En una modalidad de la invención, un par de rotores de imán está montado en forma deslizable sobre varillas de torsión extendidas entre dos placas de extremo. Un material ferroso sobre los rotores conductores es atraído en forma magnética hacia los imanes permanentes en los rotores de imán. Bajo condiciones estáticas o relativamente estáticas, la fuerza de atracción impulsa a los rotores de imán hacia los rotores conductores. Unos retenes mantienen los rotores de imán separados de los rotores conductores mediante un espacio mínimo de aire que se selecciona para operar en las condiciones deseadas. En ciertas modalidades, los retenes se pueden ajustar para cambiar el espacio mínimo de aire. Sin embargo, durante el inicio o en un paro de emergencia, la velocidad relativa de rotación entre los rotores de imán y los rotores conductores, provoca un aumento en la fuerza de rechazo entre los rotores de imán y los rotores conductores. La fuerza de atracción magnética está diseñada para que sea lo suficientemente pequeña para que la fuerza de rechazo la supere durante el inicio y en condiciones de paro de emergencia. Como resultado, bajo tales condiciones, la fuerza de rechazo separa los rotores de imán de los rotores conductores. Durante el inicio, los rotores de imán se colapsan contra un brazo de seguro colocado entre los mismos, con lo que se aumenta el espacio de aire entre los rotores de imán y los rotores conductores del espacio mínimo de aire a un espacio de aire 4
"de inicio suave". El espacio de aire de inicio suave permite que la carga suba para una velocidad de operación a un nivel de torsión reducido, lo que disminuye el impacto sobre el equipo asociado con el inicio. El tamaño del brazo de seguro u otras estructuras entre el mismo se puede cambiar para ajustar el espacio de aire de inicio suave. Cuando la flecha sobre el lado de carga alcanza la velocidad de rotación de la flecha conectada con el motor, la fuerza de rechazo disminuye a un punto en donde otra vez la supera la fuerza de atracción magnética entre los rotores de imán y los rotores conductores. Bajo estas condiciones, los rotores de imán se mueven hacia atrás en la configuración de operación, separados de los rotores conductores por el espacio mínimo de aire. A una velocidad de rotación previamente seleccionada, la fuerza centrífuga mueve los brazos de seguro de la configuración de inicio suave a una configuración de "velocidad de operación" o desacoplada por completo. Mientras que los seguros se encuentran en la configuración de velocidad de operación, si la flecha de carga se desacelera con rapidez, las velocidades diferenciales de rotación entre los rotores de imán y los rotores conductores provocaran la fuerza de rechazo antes mencionada. Sin embargo, debido a que el seguro se encuentra ahora en la configuración de velocidad de operación, los rotores de imán tienen la capacidad de colapsarse más allá del espacio de aire de inicio suave. En cambio, los rotores de imán se colapsan más lejos, lo que crea un espacio máximo de 5
aire entre los rotores de imán y los rotores conductores que puede reducir en forma importante las fuerzas de rotación de torsión entre los mismos. Esta configuración desacoplada por completo permite que el motor continúe funcionando de manera indefinida mientras que la carga disminuye o cesa de manera importante y de este modo se evita daños al equipo. Por último, cuando el motor y la carga se detienen, la fuerza de rechazo otra vez disminuye, lo que permite que la fuerza de atracción magnética atraiga los rotores de imán de regreso hacia la configuración inicial estática. Como se describe con mayor detalle más adelante, la presente invención está dirigida hacia diversas estructuras que permiten que un acoplador magnético se mueva de manera libre entre las configuraciones mencionadas con anterioridad y como tal, se permita al sistema que adquiera de manera automática configuraciones distintas para condiciones estándar de operación de inicio, paros de emergencia y condiciones estáticas. La presente invención también está dirigida hacia métodos para llevar a cabo la misma.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista isométrica de un acoplador magnético de conformidad con una modalidad de la presente invención. La Figura 2 es una vista de extremo, a lo largo del eje de rotación, del acoplador magnético de la Figura 1. La Figura 3 es una vista en sección diametral del acoplador 6
magnético de la Figura 2, vista a lo largo de la Sección 4-4, en la configuración estática. La Figura 5 es una vista en sección diametral del acoplador magnético de la Figura 2, vista a lo largo de la Sección 5-5, en la configuración de inicio suave. La Figura 6 es una vista en sección diametral del acoplador magnético de la Figura 2, vista a lo largo de la Sección 6-6, en la configuración de operación. La Figura 7 es una vista en sección diametral del acoplador magnético de la Figura 2, vista a lo largo de la Sección 7-7, en la configuración de desacoplado completo. La Figura 8 es una vista en sección de una porción de un acoplador magnético de conformidad con otra modalidad de la presente invención, mostrada en una configuración estática. La Figura 9 es una vista en sección de la porción del acoplador magnético de la Figura 8, mostrado en una configuración de inicio suave. La Figura 10 es una vista en sección de la porción del acoplador magnético de la Figura 8, mostrado en una configuración de operación. La Figura 11 es una vista en sección de la porción del acoplador magnético de la Figura 8, mostrado en una configuración de botadura.
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En términos generales, la presente invención está dirigida hacia acopladores magnéticos en los cuales un par de rotores conductores están unidos de manera fija a una primera flecha y un par de rotores de imán están colocados entre los dos rotores conductores y se acoplan de manera deslizable y en forma axial hacia una segunda flecha. Los rotores de imán se pueden deslizar libremente sobre una distancia limitada y están configurados para permanecer en varias configuraciones previamente seleccionadas durante condiciones estáticas, condiciones de inicio, condiciones de operación o condiciones de emergencia. Muchos detalles específicos de ciertas modalidades de la invención se exponen en la siguiente descripción y en las Figuras 1 a 11 para proporcionar un entendimiento completo de tales modalidades. Sin embargo, será evidente para las personas experimentadas en la técnica que la presente invención puede tener modalidades adicionales o que se puede practicar sin llevar a cabo desviaciones de los detalles descritos en la siguiente descripción. Las Figuras 1 y 2 ilustran de manera general un acoplador 8 magnético de conformidad con una modalidad particular de la presente invención. El acoplador 8 magnético ilustrado por lo general comprende un par de rotores 23, 24 de imán colocados entre un par de rotores 48 conductores. Como se ilustra en la Figura 3, un primer cubo 10 está conectado con una unidad de rotor de imán y un segundo cubo 12 8
está conectado con una unidad de rotor conductor. La unidad de rotor de imán incluye dos placas 13, 14 de extremo esencialmente circulares las cuales están separadas en forma axial mediante un carrete 16 que puede estar soldado o de otra manera conectado en forma rígida con las placas de extremo. Cada una de las placas 13, 14 de extremo está provista con cuatro orificios 20 que se ajustan entre un extremo respectivo de cuatro varillas 22 paralelas de torsión. Un par de rotores 23, 24 de imán están montados en forma deslizable sobre las varillas 22 de torsión. Cada uno de los rotores 23, 24 de imán tiene un rotor 25 principal que tiene un arreglo circular de cavidades 26 rectangulares formadas en el mismo para recibir en conjunto un grupo de ¡manes 28 que puede estar arreglado de modo que los imanes adyacentes tengan sus polos invertidos. Cada uno de los grupos de imanes puede estar respaldado por un anillo 30 de un material ferroso que se enrosca con el rotor 25 principal respectivo. Los rotores 25 principales tienen una abertura 31 central que proporciona una holgura con el carrete 16 y tienen rebajos 32 circulares en sus caras externas. Un primer par de orificios 33 se extiende desde el rebajo 32 en cada rotor 25 principal hacia la cara opuesta del mismo para recibir una "columna de soporte de mango aislante" 34 que tiene un borde o collar 35 que queda sentado contra el rotor principal y se soporta en el mismo, por ejemplo mediante tornillos de cabeza hueca. Las dos columnas 34 de soporte de mango aislante sobre un rotor 23 de imán giran con respecto al par correspondiente sobre el 9 otro rotor 24 de imán por un ángulo a de desplazamiento (ver Figura 2) de modo que, en conjunto, las cuatro columnas de soporte de mango aislante queden revestidas sobre las cuatro varillas 22 de torsión. Un segundo par de orificios 36 está alineado con las columnas 34 de soporte de mango aislante montadas sobre el otro rotor de imán, cada uno de las cuales tiene un tamaño para permitir que el mango aislante pase a través de los mismos. Con referencia también a la unidad de rotor conductor, se puede observar que tiene un anillo 40 de extremo montado sobre el cubo 12 y un segundo anillo 41 de extremo con un diámetro 45 interior separado por un espacio 42 del cubo 10 y la placa 14 de extremo. Los anillos 40, 41 de extremo están separados entre sí por medio de separadores 44 asegurados en su lugar por medio de pernos 46. Montados sobre los lados confrontados hacia adentro de los anillos 40, 41 de extremo, se encuentra un par de anillos 48 conductores separados de los rotores 23, 24 por espacios 50 mínimos de aire. En la modalidad ilustrada, los anillos 48 conductores son de cobre y los anillos 40, 41 de extremo son de acero blando. El inventor considera que los materiales mencionados pueden ser sustituidos. Como se ilustra en la Figura 4, cuando los rotores 23, 24 de imán y los rotores 48 conductores están en una condición estática, los rotores de imán están separados de los rotores conductores mediante el espacio 50 mínimo de aire. Este espacio 50 mínimo de aire se selecciona al ajusfar varios topes u opresores 54 que pasan a 10
través de orificios enroscados en los rotores 25 principales y que hacen contacto con las placas 13, 14 de extremo. Se puede tener acceso a las cabezas de los opresores desde el exterior del acoplador 8 magnético. Ciertas modalidades no incorporan opresores o topes. Los rotores 23, 24 de imán tienen brazos 58 de seguro montados en los mismos, los cuales están montados en forma oscilatoria sobre los pernos 60 para balancearse entre una posición activa extendida hacia el rotor opuesto de imán (como se ilustra en la Figura 4) y una posición inactiva extendida en forma radial con respecto a los rotores de imán (como se ilustra en la Figura 6). Los brazos 58 de seguro se impulsan hacia la posición activa por medio de resortes 62 y hacia la posición inactiva por medio de fuerza centrífuga en respuesta a la rotación de los rotores 23, 24 de imán. El acoplador 8 magnético ilustrado en la Figura 4 está en la configuración estática: ni los rotores 23, 24 de imán ni los rotores 48 conductores están girando. Bajo tales condiciones, no existe fuerza centrífuga que actúe sobre los brazos 58 de seguro. Por consiguiente, los resortes 62 impulsan a los brazos 58 de seguro a la posición activa. Sin embargo, los rotores 23, 24 de imán no hacen contacto con los brazos 58 de seguro. Esto se debe a que la atracción magnética entre los imanes 28 permanentes y el material ferroso en los anillos 40, 41 de extremo se atraen entre sí, y separan entre sí los rotores 23, 24 de imán. Los opresores 54 hacen contacto con las placas 13, 14 de extremo y mantienen los rotores 11 23, 24 de imán separados de los rotores 48 conductores por medio del espacio 50 mínimo de aire. La Figura 5 ilustra el rotor 8 de imán durante condiciones de inicio. En la modalidad ilustrada, bajo condiciones de inicio, los rotores 48 conductores están conectados con un motor de accionamiento y están girando con rapidez, mientras que los rotores 23, 24 de imán están unidos a una carga y están empezando a ganar velocidad de rotación. Por consiguiente, la velocidad relativa de rotación entre los rotores 23, 24 de imán y los rotores 48 conductores es importante, lo que crea una gran fuerza de rechazo entre los rotores de imán y los rotores conductores. Como resultado de esta fuerza de rechazo, los rotores 23, 24 de imán se mueven con respecto entre sí hasta que la placa 30 de respaldo sobre el rotor de imán hace contacto con el brazo 58 de seguro que se proyecta desde el otro rotor de imán. El espacio entre los rotores de imán y los rotores conductores aumenta en esta configuración con respecto al espacio 50 mínimo para un espacio 64 de inicio (inicio suave). Ya que el espacio 64 de inicio suave es mayor que el espacio 50 mínimo (como se menciona más adelante, el espacio mínimo es también el espacio a la velocidad total de operación), la fuerza de rotación de torsión ejercida sobre la carga se reduce ligeramente comparada con las condiciones de operación. Como resultado, la carga puede acelerar la velocidad, pero los impactos y otros golpes sobre la carga se reducen, lo cual reduce los daños al motor, a la carga y a su equipo.
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La Figura 6 ilustra el acoplador 8 magnético durante condiciones de operación. En esta configuración, tanto los rotores 23, 24 de imán como los rotores 48 conductores giran a una velocidad total de operación. Como consecuencia, la fuerza centrífuga mueve los brazos 58 de seguro de la posición activa a la posición inactiva. Sin embargo, debido a que la velocidad relativa de rotación entre los rotores 23, 24 de imán y los rotores 48 conductores es mínima, existe poca o ninguna fuerza de rechazo entre los dos. Por lo tanto, la atracción magnética mencionada con anterioridad con respecto a las condiciones estáticas también provoca que los rotores 23, 24 de imán se muevan hacia los rotores 48 conductores hasta que los obturadores 54 hagan contacto con las placas 13, 14 de extremo. Los rotores 23, 24 de imán están ahora separados de los rotores 48 conductores por el espacio 50 mínimo de aire, el cual también se puede llamar el espacio de aire operativo. Debido a que el espacio 50 mínimo de aire es menor que los espacios de aire en la configuración de inicio, el acoplador 8 de imán puede operar en esta configuración a una torsión más alta y con mayor eficiencia. La Figura 7 ilustra el acoplador 8 magnético en una configuración de máximo desacoplamiento. Esta configuración se puede provocar cuando la carga está sometida a una reducción inesperada en la velocidad de rotación, por ejemplo durante un paro por salida de flecha. Cuando la flecha de carga reduce con rapidez la velocidad de rotación, la velocidad relativa entre los rotores 23, 13
24 de imán y los rotores 48 conductores es lo suficientemente grande para crear una fuerza de rechazo similar a la mencionada con anterioridad con relación a la configuración de inicio. Sin embargo, en este ejemplo, los brazos 58 de seguro están en la posición inactiva debido a la velocidad de rotación de los rotores 23, 24 de imán. Cuando la fuerza de rechazo supera la atracción magnética entre los rotores 23, 24 de imán y los anillos 40, 41 de extremo, los brazos 58 de seguro no limitan el movimiento de los rotores de imán como lo hacen en la configuración de inicio. En su lugar, los rotores 23, 24 de imán se colapsan más lejos, a un punto en donde el espacio de aire entre los rotores de imán y los rotores 48 conductores es un espacio 66 máximo de aire. Este espacio 66 máximo de aire reduce o elimina en forma importante las fuerzas de rotación entre los rotores 23, 24 de imán y los rotores 48 conductores, al reducir o eliminar ia torsión sobre la carga. Como resultado, se pueden reducir o eliminar los daños al equipo. Las Figura 8 a 11 ilustran otra modalidad de la presente invención. La Figura 8 ilustra un par de rotores 123, 124 de imán en una configuración estática. En esta configuración, ni el rotor 123, 124 de imán ni los rotores 148 conductores están girando. En consecuencia, los rotores 123, 124 de imán están unidos al material 140, 141 de respaldo conectado con los rotores 148 conductores y se mueven hacia los rotores conductores para crear un espacio 150 mínimo de aire. En la modalidad ilustrada, uno de los rotores 124 de imán tiene 14
montado en el mismo un brazo 170 que se proyecta lejos del rotor de imán. En el rotor 123 opuesto de imán, alineado con el brazo 170, se encuentra una abertura 176. En la configuración estática, un obturador 172 está colocado sobre la abertura 176. Un resorte 174 retiene el obturador 172 en la posición cerrada. La Figura 9 ilustra los rotores 123, 124 de imán en una configuración de inicio. Como se mencionó con anterioridad con relación a la anterior modalidad, las fuerzas de rechazo durante el inicio impulsan los rotores 123, 124 de imán con respecto entre sí. En la modalidad ¡lustrada, el obturador 172 evita que el brazo 170 entre a la abertura 176. La longitud del brazo 170 y la posición del obturador 172 se seleccionan para retener los rotores 123, 124 de imán en una posición que cree un espacio 164 de aire deseado para el inicio suave. La Figura 10 ilustra los rotores 123, 124 de imán en una configuración de operación. Conforme los rotores 123, 124 de imán y los rotores 148 conductores se mueven casi o a la misma velocidad, los rotores de imán se mueven hacia fuera para crear el espacio 150 de aire, mínimo o de operación. También, mientras que los rotores de imán giran a velocidades de operación, el obturador 172 se mueve hacia fuera para comprimir el resorte 174 bajo una fuerza centrífuga. Como consecuencia, la abertura 176 está ahora sin obstruir. La Figura 11 ilustra una configuración desacoplada por completo, como cuando los rotores 123, 124 de imán se colapsan 15 contra sí en respuesta a una reducción drástica de velocidad efectuada por la flecha de carga. Debido a que cuando se redujo la velocidad el obturador 172 se encontraba en la posición abierta, el brazo 170 entra en la abertura 176. Los rotores 123, 124 de imán pueden entonces colapsarse a una configuración que cree un espacio 166 de aire botante entre los rotores de imán y los rotores 148 conductores. A partir de la anterior descripción, se puede apreciar que aunque se describieron en el presente documento modalidades específicas de la invención para propósitos de ilustración, se pueden realizar diversas modificaciones sin alejarse del espíritu y alcance de la invención. Por consiguiente, la invención no está limitada excepto por las reivindicaciones anexas.