PL213768B1

PL213768B1 - Active magnetic bearing

Info

Publication number: PL213768B1
Application number: PL390054A
Authority: PL
Inventors: Pilat Adam; Gosiewski Zdzisław
Original assignee: Politechnika Bialostocka
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-04-30
Also published as: PL390054A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest aktywne łożysko magnetyczne, mogące znaleźć szerokie zastosowanie, zwłaszcza w układach napędowych, a szczególnie w zespołach maszyn stosowanych w warunkach ekstremalnych.The subject of the invention is an active magnetic bearing that can be widely used, especially in drive systems, and in particular in machine sets used in extreme conditions.

Konstrukcja łożysk magnetycznych jest powszechnie znana. To szczególne rozwiązanie lokalizuje się w maszynach wirnikowych, tzw. self bearing drives - czyli napędy z łożyskowaniem. Zazwyczaj realizuje je się tak, iż wprowadza się zespół promieniowych i osiowych łożysk magnetycznych oraz wirnik z magnesami trwałymi.The design of magnetic bearings is well known. This special solution is found in rotating machines, the so-called self bearing drives - or drives with bearings. Typically, they are implemented by introducing a set of radial and axial magnetic bearings and a rotor with permanent magnets.

Zasada działania aktywnego łożyska magnetycznego jest oparta na zasadzie działania elektromagnesu. W konstrukcjach tego typu łożysk na obwodzie stojana łożyska, wewnątrz którego umieszczony jest wirnik, rozmieszczonych jest kilka elektromagnesów, najczęściej cztery. Liczba elektromagnesów jest dobierana w zależności od możliwości sterowania łożyska. Elektromagnesy mogą przyjmować różne kształty, na przykład zębów, podków scalonych oraz podków odseparowanych od siebie. Sterowanie łożysk magnetycznych odbywa się za pomocą układu sterującego zawierającego czujniki położenia.The principle of operation of the active magnetic bearing is based on the principle of operation of the electromagnet. In constructions of this type of bearings, several electromagnets, usually four, are arranged around the circumference of the bearing stator, inside which the rotor is placed. The number of electromagnets is selected depending on the controllability of the bearing. Electromagnets can take a variety of shapes, such as teeth, integrated horseshoes, and spaced-apart horseshoes. The magnetic bearings are controlled by a control system containing position sensors.

Istotą aktywnego łożyska elektromagnetycznego według wynalazku jest to, że wirnik ma obrys zewnętrzny nie cylindryczny lub ma obrys zewnętrzny cylindryczny, a z jego konstrukcji mechanicznej wynikają odmienne wartości momentu bezwładności dla osi X i Y. W wybraniach każdego z ośmiu nabiegunników stojana umieszczony jest czujnik indukcji magnetycznej połączony ze sterownikiem. Nabiegunnik ma obrys złożony z segmentów będących odcinkami prostymi oraz krzywymi przyjmującymi formę krzywych Bezier'a stopnia 2-go lub 3-go. W pobliżu zewnętrznego obrysu stojana umieszczone są trzy czujniki laserowe w taki sposób, aby wiązki laserowe poprzez szczeliny w stajanie padały na wirnik w połowie jego grubości. Czujniki laserowe połączone są ze sterownikiem. Sterownik połączony jest z czterema elektromagnesami poprzez wzmacniacz mocy. Czujniki napięcia i natężenia prądu zawarte we wzmacniaczu mocy połączone są ze sterownikiem.The essence of the active electromagnetic bearing according to the invention is that the rotor has a non-cylindrical outer outline or has a cylindrical outer outline, and its mechanical structure results in different values of the moment of inertia for the X and Y axes. with the controller. The outline of the pole is composed of straight segments and curves taking the form of 2nd or 3rd degree Bezier curves. Three laser sensors are placed near the outer contour of the stator in such a way that the laser beams, through the slots in the stator, fall on the rotor at half its thickness. The laser sensors are connected to the controller. The controller is connected to four electromagnets via a power amplifier. The voltage and current sensors contained in the power amplifier are connected to the controller.

Aktywne łożysko magnetyczne może stanowić alternatywny sposób łożyskowania i napędzania dla łożysk tradycyjnych oraz układów napędowych. Zaletami tego rozwiązania są: prosta konstrukcja łożyska, brak tarcia mechanicznego, a co za tym idzie brak wszelkiego rodzaju środków smarnych, co gwarantuje czystość środowiska pracy, oraz obniżenie poziomu hałasu pracującego urządzenia. Ze względu na te cechy urządzenie z zastosowanym łożyskiem magnetycznym może znaleźć zastosowanie między innymi w medycynie jako element precyzyjnych maszyn, na przykład chirurgicznych, sztucznym sercu oraz w przemyśle spożywczym, w takich urządzeniach jak na przykład maszyny wirnikowe, pompy, wentylatory.An active magnetic bearing can provide an alternative bearing and drive method for traditional bearings and drive systems. The advantages of this solution are: simple bearing structure, no mechanical friction, and hence the lack of any kind of lubricants, which guarantees a clean working environment, and reduces the noise level of the device in operation. Due to these features, the device with the applied magnetic bearing can be used, inter alia, in medicine as an element of precision machines, e.g. surgical, artificial heart, and in the food industry, in devices such as, for example, impeller machines, pumps, fans.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej omówiony w oparciu o przykładowe jego wykonanie pokazane na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat aktywnego łożyska magnetycznego, fig. 2 profil zewnętrzny wirnika, fig. 3 - fragment stojana łożyska z zaznaczonymi obszarami do modelowania krzywizn, fig. 4 - kształty nabiegunników zaprojektowanych z wykorzystaniem krzywych Bezier'a 2-go rzędu, a fig. 5 - kształty nabiegunników zaprojektowane z wykorzystaniem krzywych Bezier'a 3-go rzędu.The subject of the invention will be discussed in more detail on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing, in which fig. 1 shows a diagram of an active magnetic bearing, fig. 2 outer rotor profile, fig. 3 - a fragment of the bearing stator with marked areas for modeling curvatures, fig. 4 - shapes of pole pieces designed using 2nd order Bezier curves, and Fig. 5 - shapes of pole pieces designed using 3rd order Bezier curves.

Aktywne łożysko magnetyczne według wynalazku składa się ze stojana 2 wykonanego z pakietu blach elektrotechnicznych w konfiguracji heteropolarnej. W stojanie 2 wykonanych jest osiem nabiegunników. Na każdym nabiegunniku nawinięte są cewki tak, iż każda para nabiegunników tworzy elektromagnes. Elektromagnes ten jest źródłem siły elektromagnetycznej działającej na wirnik 1 umieszczony w osi stajana 2. Dzięki wysterowaniu elektromagnesu możliwa jest lewitacja wirnika 1 w przestrzeni łożyskowej. Lokalizacja wirnika jest realizowana z wykorzystaniem trzech czujników laserowych 5, których wiązka jest przeprowadzona przez szczelinę w stojanie 2 łożyska, bądź poprzez analizę wartości indukcji magnetycznej w szczelinach lub poprzez obserwację stanu wirnika za pośrednictwem sygnałów napięcia i natężenia prądu. Umieszczenie czujników laserowych 5 jest takie, aby wiązka padała na wirnik 1 w połowie jego grubości. Szczeliny w stojanie 2 zapewniają przejście wiązki lasera od czujnika laserowego i po odbiciu od powierzchni wirnika 1 powrót do czujnika.The active magnetic bearing according to the invention consists of a stator 2 made of a packet of electrical sheets in a heteropolar configuration. Eight pole pieces are made in stator 2. Coils are wound on each pole piece so that each pair of pole pieces forms an electromagnet. This electromagnet is the source of the electromagnetic force acting on the rotor 1 located in the axis of the stator 2. Due to the control of the electromagnet, it is possible to levitate the rotor 1 in the bearing space. The location of the rotor is realized by means of three laser sensors 5, the beam of which is guided through a slot in the stator 2 of the bearing, either by analyzing the magnetic induction value in the slots or by observing the condition of the rotor via voltage and current signals. The positioning of the laser sensors 5 is such that the beam strikes the rotor 1 at half its thickness. The slots in the stator 2 ensure the passage of the laser beam from the laser sensor and, after reflection from the rotor surface 1, return to the sensor.

Na podstawie obliczeń lokalizuje się wirnik 1 w przestrzeni łożyskowej na podstawie znajomości jego kształtu. Pomiar ten pozwala na określenie środka wirnika oraz kąta obrotu. Zestaw formuł matematycznych wykorzystywanych do wyznaczania położenia wirnika stanowi sterownik. Ponadto, wyznaczana jest objętość szczeliny pomiędzy wirnikiem 1 a siłownikiem elektromagnetycznym. Na tej podstawie wyznaczane jest sterowanie elektromagnesami 4 tak, aby zapewnić lewitację i rotację wirPL 213 768 B1 nika i w przestrzeni łożyskowej. Sterowanie to jest realizowane przez sterownik 7 wysterowujący wzmacniacz mocy 8 zasilający cewki elektromagnesów 4. W wybraniach każdego z nabiegunników umieszczono czujniki indukcji pola magnetycznego - łącznie 8 sztuk, które podłączone do sterownika służą do realizacji pomiaru indukcji pola magnetycznego w szczelinie łożyska magnetycznego - pomiędzy nabiegunnikiem a wirnikiem 1. Sygnał indukcji pola magnetycznego bierze udział w realizacji zadania sterowania.Based on the calculations, the rotor 1 is located in the bearing space on the basis of the knowledge of its shape. This measurement allows the center of the rotor and the angle of rotation to be determined. The set of mathematical formulas used to determine the rotor position is the controller. Moreover, the gap volume between the rotor 1 and the electromagnetic actuator is determined. On this basis, the control of the solenoids 4 is determined so as to ensure the levitation and rotation of the rotor and in the bearing space. This control is carried out by the controller 7 controlling the power amplifier 8 supplying the electromagnets 4 coils. In the selections of each pole piece there are magnetic field induction sensors - a total of 8 pieces, which are connected to the controller to measure the magnetic field induction in the magnetic bearing gap - between the pole piece and the pole piece. rotor 1. The magnetic field induction signal is involved in the implementation of the control task.

Cewki elektromagnesów zasilane są niezależnie z czterokanałowego wzmacniacza mocy 8 wytwarzającego sygnał napięciowy na zaciskach cewek elektromagnesów 4. Wzmacniacz mocy 8 posiada dwa czujniki natężenia prądu (jeden wykorzystujący zjawisko Hall, a drugi jako rezystor bocznikowy) oraz czujnik napięcia zasilającego cewki elektromagnesów 4.The solenoids are powered independently from a four-channel power amplifier 8 generating a voltage signal at the terminals of the electromagnets 4. The power amplifier 8 has two current sensors (one using the Hall effect and the other as a shunt resistor) and a voltage sensor supplying the solenoids 4.

Obiektem lewitującym w przestrzeni łożyskowej jest wirnik 1 o zewnętrznym nie cylindrycznym obrysie na przykład eliptycznym lub cylindrycznym lecz charakteryzujący się odmiennym momentem bezwładności dla każdej z osi. Dodatkowo celem zmniejszenia masy oraz umożliwienia realizacji różnorodnych funkcji urządzenia (na przykład wentylator, pompa) wewnątrz przestrzeń wirnika 1 o kształcie cylindrycznym pozostaje pusta. Możliwym jest umieszczenie w niej na przykład łopatek. Wirnik 1 eliptyczny charakteryzuje się następującymi parametrami: a - wielka półoś elipsy, b - mała półoś elipsy, r - promień okręgu wewnętrznego, dw - grubość wirnika.The object levitating in the bearing space is the rotor 1 with an external non-cylindrical contour, for example elliptical or cylindrical, but having a different moment of inertia for each of the axes. Additionally, in order to reduce the mass and to enable the implementation of various functions of the device (e.g. fan, pump) inside the cylindrical shape of the rotor 1 remains empty. It is possible to place, for example, paddles therein. The elliptical rotor 1 is characterized by the following parameters: a - the major half-axis of the ellipse, b - the small half-axis of the ellipse, r - the radius of the inner circle, dw - rotor thickness.

Na rysunku stojana 1 (fig. 3) zaznaczono obszary A i B stanowiące istotny cel optymalizacji konstrukcji łożysk magnetycznych. Kształtowanie optymalnego rozmiaru oraz kształtu nabiegunnika, na którym nawinięte są cewki pozwala na minimalizację strat strumienia magnetycznego, optymalizację obwodu magnetycznego, maksymalizację siły elektromagnetycznej działającej na wirnik.The drawing of stator 1 (Fig. 3) shows areas A and B, which are an important goal of optimizing the design of magnetic bearings. Shaping the optimal size and shape of the pole piece on which the coils are wound allows for the minimization of magnetic flux losses, optimization of the magnetic circuit, and maximization of the electromagnetic force acting on the rotor.

Figura 4 przedstawia realizacje pojedynczego nabiegunnika elektromagnesu z zastosowaniem krzywych Bezier'a 2-go rzędu. Fig. 4a pokazuje analog klasycznej formy, gdzie promień wewnętrznej krzywizny jest realizowany poprzez łuk okręgu, tutaj zastosowano krzywą Beziera. Kolejne figury 4b, 4c, 4d pokazują możliwości dowolnego kształtowania obszarów A i B dając możliwość optymalnego ukształtowania konstrukcji łożyska w zależności od zastosowania.Figure 4 shows implementations of a single electromagnet pole piece using 2nd order Bezier curves. Fig. 4a shows an analog of the classical form where the radius of the inner curvature is realized through the arc of a circle, here a Bezier curve is used. The next figures 4b, 4c, 4d show the possibilities of freely shaping the areas A and B, giving the possibility of optimal shaping of the bearing structure depending on the application.

Figura 5 przedstawia realizacje pojedynczego nabiegunnika elektromagnesu z zastosowaniem krzywych Bezier'a 3-go rzędu. Fig. 5a pokazuje analog klasycznej formy, gdzie promień wewnętrznej krzywizny jest realizowany poprzez łuk okręgu, tutaj zastosowano krzywą Beziera. Kolejne figury 5b, 5c, 5d pokazują możliwości dowolnego kształtowania obszarów A i B dając możliwość optymalnego ukształtowania konstrukcji łożyska w zależności od zastosowania.Figure 5 shows implementations of a single electromagnet pole piece using 3rd order Bezier curves. Fig. 5a shows an analog of the classical form where the radius of the inner curvature is realized through the arc of a circle, here a Bezier curve is used. The next figures 5b, 5c, 5d show the possibilities of freely shaping the areas A and B, giving the possibility of optimal shaping of the bearing structure depending on the application.

Claims

1. Active magnetic bearing made of a stator, on the circumference of which the rotor electromagnets located inside the stator and the control system are arranged, characterized in that the rotor (1) has a non-cylindrical outer contour, and in the recesses of each of the eight pole pieces (3) of the stator (2) ) there is a magnetic induction sensor (6) connected with the controller (2), while near the outer contour of the stator (2) there are three laser sensors (5) so that the laser beams fall on the rotor through the slots in the stator (2) (1) half its thickness, while the laser sensors (5) are connected to the controller (7), the controller is connected to four electromagnets (4) through the power amplifier (8), and the voltage and current sensors are included in it, are connected to the controller (7).

2. The active bearing according to claim 1 A method as claimed in claim 1, characterized in that the rotor (1) has a cylindrical outer contour, and its mechanical structure results in different values of the moment of inertia for the X and Y axes.

3. The active bearing of claim 1 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the pole piece (3) has an outline composed of segments being straight sections and curves taking the form of 2nd or 3rd degree Bezier curves.