PL215980B1 - Aktywne lozysko magnetyczne i uklad sterowania aktywnego lozyska magnetycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest aktywne łożysko magnetyczne i układ sterowania aktywnego łożyska magnetycznego znajdujące zastosowanie do łożyskowania wałów wszelkiego rodzaju silników i maszyn.

Znane aktywne łożysko magnetyczne do łożyskowania wałów napędowych utworzone jest z czterech siłowników w postaci elektromagnesów rozmieszczonych symetrycznie na obwodzie wewnątrz cylindrycznej obudowy, z których każdy utworzony jest z rdzenia z nawiniętą cewką. Rdzenie elektromagnesów, tworzące stojan łożyska, wykonane z pakietu blach mają kształt pierścienia z wewnętrznymi zębami prostymi, albo podków scalonych albo podków odseparowanych o końcach w kształcie zębów prostych, stanowiących nabiegunniki elektromagnesu. Zwoje każdej cewki nawinięte są równomiernie odpowiednio na dwa sąsiednie nabiegunniki rdzenia w kształcie pierścienia albo oba nabiegunniki każdej podkowy w taki sposób, że nabiegunniki rdzenia są spolaryzowane magnetycznie przeciwnie względem siebie.

Znany układ sterowania aktywnego łożyska magnetycznego zawiera układy pomiaru prądu w postaci boczników pomiarowych, które są włączone szeregowo z cewkami elektromagnesów łożyska, podłączonymi do sterownika mocy. Wyjścia układów pomiarowych połączone są poprzez filtry z wejściami komparatora, którego wyjście połączone jest z wejściem sterownika mocy.

Łożysko, według wynalazku zawierające co najwyżej cztery elektromagnesy usytuowane symetrycznie wewnątrz cylindrycznej obudowy, a rdzeń elektromagnesów wykonany z pakietu blach ma kształt pierścienia z wewnętrznymi nabiegunnikami albo ma kształt podków scalonych lub odseparowanych, zaś zwoje cewki każdego elektromagnesu są równomiernie rozłożone na dwóch sąsiednich nabiegunnikach rdzenia w kształcie pierścienia albo na obu nabiegunnikach podkowy i są nawinięte tak, że nabiegunniki sąsiednich elektromagnesów mają przeciwną polaryzację charakteryzuje się tym, że zawiera trzy elektromagnesy symetrycznie usytuowane na obwodzie wewnątrz cylindrycznej obudowy, o rdzeniu w znanym kształcie pierścienia z nabiegunnikami albo podków scalonych lub odseparowanych oraz cewkach nawiniętych w znany sposób. Nabiegunniki rdzenia w kształcie pierścienia jak i podków od strony osi wzdłużnej aktywnego łożyska magnetycznego są zaopatrzone w zaokrąglone wypusty usytuowane symetrycznie względem osi nabiegunników, a w płaszczyźnie czołowej jednego z nabiegunników rdzenia każdego elektromagnesu usytuowane jest wybranie, zaś od przeciwnej strony wewnętrzne krawędzie nabiegunników rdzenia elektromagnesów są styczne do łuku o odpowiednio dobranym promieniu. Ponadto rdzeń każdego elektromagnesu zaopatrzony jest w otwory montażowe oraz wpust stabilizujący elektromagnesy w obudowie.

Układ, według wynalazku, zawierający co najwyżej cztery elektromagnesy oraz sterownik mocy charakteryzuje się tym, że cewki trzech elektromagnesów połączone są odpowiednio z pierwszymi wyjściami oddzielnych sterowników mocy, których wejścia połączone są odpowiednio z wyjściami regulatora. Do wejść regulatora podłączone są odpowiednio poprzez blok lokalizatora położenia wału dwa czujniki położenia wału, które są osadzone w otworach obudowy łożyska, zaś poprzez blok detektora indukcji pola magnetycznego trzy czujniki indukcji magnetycznej, które są umieszczone w wybraniach nabiegunników elektromagnesów oraz drugie wyjścia sterowników mocy.

Ponadto każdy sterownik mocy zawiera tranzystorowy mostek typu H połączony odpowiednio z zaciskami pierwszego wyjścia danego sterownika mocy oraz poprzez układ pomiarowy prądu obciążenia z drugim wyjściem tego sterownika mocy. Jedno wejście mostka typu H połączone jest ze znanym źródłem napięcia stałego, zaś drugie jego wejście sterujące poprzez człon logiki i generator napięcia z podłączonym zewnętrznym układem jest połączone z wyjściem komparatora. Natomiast jedno wejście komparatora połączone jest z wyjściem regulatora, zaś drugie jego wejście połączone jest z wyjściem układu pomiarowego prądu obciążenia.

Aktywne łożysko magnetyczne, według wynalazku, dzięki zastosowaniu trzech elektromagnesów, a także usytuowaniu czujników indukcji pola magnetycznego w czołowych wybraniach nabiegunników jego elektromagnesów umożliwia zmniejszenie szczeliny obwodu magnetycznego, a tym samym umożliwia zwiększenie sztywności łożyska i wytwarzanych sił elektromagnetycznych, poprawę jakości sterowania jak również zmniejszenie gabarytów łożyska.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny konstrukcji aktywnego łożyska magnetycznego, fig. 2 - przekrój wzdłuż linii A-A, fig. 3 - przekrój poprzeczny innej wersji łożyska, fig. 4 - schemat blokowy układu sterowania łożyska, a fig. 5 - schemat blokowy sterownika mocy.

PL 215 980 B1

Łożysko, według wynalazku, przeznaczone do łożyskowania wału 1 zawiera trzy elektromagnesy 2, 3, 4 symetrycznie usytuowane na obwodzie wewnątrz cylindrycznej obudowy 5 o rdzeniu 6 wykonanym z pakietu blach elektrotechnicznych w kształcie pierścienia z wewnętrznymi nabiegunnikami albo podków scalonych lub odseparowanych oraz cewkach 7, 8, 9. Zwoje cewek 7, 8, 9 każdego elektromagnesu 2, 3, 4 są równomiernie rozłożone na dwóch sąsiednich nabiegunnikach rdzenia 6 w kształcie pierścienia albo na obu nabiegunnikach podkowy i są nawinięte tak, że nabiegunniki sąsiednich elektromagnesów 2, 3, 4 mają przeciwną polaryzację. Nabiegunniki rdzenia 6, niezależnie od jego kształtu, od strony osi Z aktywnego łożyska magnetycznego są zaopatrzone w zaokrąglone wypusty 10 usytuowane symetrycznie względem osi d nabiegunnika. Ponadto w płaszczyźnie czołowej jednego z nabiegunników każdego elektromagnesu 2, 3, 4 usytuowane jest wybranie 11, zaś od przeciwnej strony wewnętrzne krawędzie nabiegunników elektromagnesów 2, 3, 4 są styczne do łuku o odpowiednio dobranym promieniu. Rdzeń 6 każdego elektromagnesu 2, 3, 4 zaopatrzony jest w otwory montażowe 12 oraz wpust stabilizujący 13, umożliwiające montaż i stabilizację elektromagnesów 2, 3, 4 w obudowie 5.

Układ sterowania, według wynalazku, zawiera trzy sterowniki mocy 14, 15, 16 podłączone równolegle do źródła napięcia stałego nie uwidocznionego na rysunku. Pierwsze wyjścia WyL, Wy1₂, Wy1₃ sterowników mocy 14, 15, 16 połączone są odpowiednio z cewkami 7, 8, 9 trzech elektromagnesów 2, 3, 4 aktywnego łożyska magnetycznego, według wynalazku, a wejścia tych sterowników mocy 14, 15, 16 połączone są z oddzielnymi wyjściami regulatora 17, Jedne wejścia regulatora 17 połączone są odpowiednio poprzez blok lokalizatora położenia 18 łożyskowanego wału 1 z dwoma bezkontaktowymi czujnikami położenia 19, 20 wału 1, które są osadzone w otworach obudowy 5 o prostopadłych względem siebie osiach X, Y leżących w płaszczyźnie równoległej do czołowej płaszczyzny rdzenia 6 elektromagnesów 2, 3, 4 łożyska. Do kolejnych wejść regulatora 17 podłączone są poprzez blok detektora 21 indukcji pola magnetycznego trzy czujniki indukcji 22, 24, które są umieszczone w wybraniach 11 nabiegunników elektromagnesów 2, 3, 4, a do następnych wejść tego regulatora 17 podłączone są drugie wyjścia Wy1₁, Wy1₂, Wy1₃ sterowników mocy 14, 15, 16. Każdy sterownik mocy 14, 15, 16 zawiera mostek typu H 25 z tranzystorami DMOS połączony odpowiednio z zaciskami pierwszego wyjścia WyL, Wy1₂, Wy1₃ sterownika mocy 14, 15, 16 oraz poprzez układ pomiarowy prądu obciążenia 26 z drugim wyjściem Wy2^ Wy2?, Wy2₃ sterownika mocy 14, 15, 16, a jedno wejście mostka typu H 25 połączone jest z nie uwidocznionym na rysunku, znanym źródłem napięcia stałego, zaś drugie wejście sterujące mostka typu H 25 poprzez człon logiki 27 i generator napięcia 28 o regulowanej częstotliwości z podłączonym zewnętrznym pojemnościowo-rezystancyjnym układem 29 połączone jest z wyjściem komparatora 30, którego jedno wejście połączone jest z wyjściem regulatora 17, zaś drugie jego wejście połączone jest z wyjściem układu pomiarowego prądu obciążenia 26. Jako bezkontaktowe czujniki położenia 19, 20 łożyskowanego wału 1 stosowano czujniki wiro-prądowe albo laserowe.

Działanie układu, według wynalazku, jest następujące. Aktywne łożysko magnetyczne, według wynalazku, wykorzystując zjawisko lewitacji powoduje utrzymanie wału 1 w przestrzeni łożyskowej o promieniu ograniczonej przez nabiegunniki trzech niezależnych elektromagnesów 2, 3, 4, które rozmieszczone są względem siebie o kąt 120° i w takiej pozycji, że oś wału 1 leży w osi Z łożyska albo tworzy z nią kąt ostry w zależności od potrzeby. Sygnały pomiarowe z dwóch wiroprądowych czujników położenia 19, 20, służących do bezkontaktowego pomiaru odległości pomiędzy wałem 1 a nabiegunnikami poszczególnych elektromagnesów 2, 3, 4 oraz sygnały z trzech czujników indukcji pola magnetycznego 22, 23, 24 zlokalizowanych w wybraniach 11 nabiegunników tych elektromagnesów 2, 3, 4 poddawane są przetwarzaniu odpowiednio w bloku lokalizatora położenia 18 oraz w bloku detektora indukcji 21 na sygnały napięciowe proporcjonalne do mierzonych wielkości. Następnie, na podstawie sygnałów uzyskanych z wyjść bloku lokalizatora położenia 18 i bloku detektora indukcji 21 oraz sygnałów napięciowych proporcjonalnych do mierzonych prądów obciążenia poszczególnych elektr omagnesów 2, 3, 4 uzyskanych z drugich wyjść Wy2^ Wy2?, Wy2₃ sterowników mocy 14, 15, 16 wypracowywane są za pomocą regulatora 17 sygnały zadanych prądów dla poszczególnych sterowników mocy 14, 15, 16. Sygnały zadanych prądów z regulatora 17 porównywane są następnie w odpowiednich sterownikach mocy 14, 15, 16 z odpowiadającymi im sygnałami prądu rzeczywistego płynącego przez cewki 7, 8, 9 elektromagnesów 2, 3, 4 za pomocą komparatorów 30, których sygnały wyjściowe powodują generowanie sygnałów o przebiegu piłokształtnym na wyjściach generatorów napięcia 28 o zmiennej częstotliwości. Uzyskane sygnały sterują poprzez człony logiki 27 pracą tranzystorów DMOS mostków typu H 25 sterowników mocy 14, 15, 16, które są zasilane z nie uwidocznionego

PL 215 980 B1 na rysunku źródła napięcia stałego o określonej wydajności prądowej i napięciu stosownie dobranym do parametrów zasilanych uzwojeń cewek 7, 8, 9 elektromagnesów 2, 3, 4 oraz konstrukcji mechanicznej łożyska. Napięcie stałe źródła zasilania elektromagnesów 2, 3, 4 łożyska przerywane jest przez tranzystory mostków typu H 25 sterowników 14, 15, 16 ze zmienną częstotliwością a uzyskiwany na ich wyjściu prąd płynący w cewkach 7, 8, 9 elektromagnesów 2, 3, 4 ma przebieg piłokształtnych impulsów o żądanej amplitudzie i zmiennym wypełnieniu.

Wykaz oznaczeń na rysunku

I - wał

2,3,4 - elektromagnesy

- obudowa łożyska

- rdzeń elektromagnesu 7,8,9 - cewki elektromagnesów 10 - wypusty

II - wybranie

- otwory montażowe

- wpust stabilizujący 14,15,16 - sterowniki mocy

- regulator

- blok lokalizatora położenia wału 19, 20 - czujniki położenia wału

- blok detektora indukcji pola magnetycznego 22,23,24 - czujniki indukcji pola magnetycznego

- tranzystorowy mostek typu H

- układ pomiarowy prądu obciążenia

- człon logiki

- generator napięcia

- zewnętrzny układ generatora

- komparator

X. Y - osie otworów obudowy Z - oś aktywnego łożyska magnetycznego d - oś symetrii nabiegunnika Rb - promień wewnętrzny łożyska

Claims (3)

1. Aktywne łożysko magnetyczne zawierające co najwyżej cztery elektromagnesy usytuowane symetrycznie wewnątrz cylindrycznej obudowy, a rdzeń elektromagnesów wykonany z pakietu blach ma kształt pierścienia z wewnętrznymi nabiegunnikami albo ma kształt podków scalonych lub odseparowanych, zaś zwoje cewki każdego elektromagnesu są równomiernie rozłożone na dwóch sąsiednich nabiegunnikach rdzenia w kształcie pierścienia albo na obu nabiegunnikach podkowy i są nawinięte tak, że nabiegunniki sąsiednich elektromagnesów mają przeciwną polaryzację, znamienne tym, że zawiera trzy elektromagnesy (2, 3, 4) symetrycznie usytuowane na obwodzie wewnątrz cylindrycznej obudowy (5) o rdzeniu (6) w znanym kształcie pierścienia z nabiegunnikami albo podków scalonych lub odseparowanych oraz cewkach (7, 8, 9) nawiniętych w znany sposób, a nabiegunniki rdzenia (6) w kształcie pierścienia jak i podków od strony osi (Z) aktywnego łożyska magnetycznego są zaopatrzone w zaokrąglone wypusty (10) usytuowane symetrycznie względem osi (d) nabiegunników, ponadto w płaszczyźnie czołowej jednego z nabiegunników rdzenia (6) każdego elektromagnesu (2, 3, 4) usytuowane jest wybranie (11), zaś od przeciwnej strony wewnętrzne krawędzie nabiegunników rdzenia (6) elektromagnesów (2, 3, 4) są styczne do łuku o odpowiednio dobranym promieniu, ponadto rdzeń (6) każdego elektromagnesu (2, 3, 4) zaopatrzony jest w otwory montażowe (12) oraz wpust stabilizujący (13) elektromagnesy (2, 3, 4) w obudowie (5).

2. Układ sterowania aktywnego łożyska magnetycznego zawierającego co najwyżej cztery elektromagnesy oraz sterownik mocy, znamienny tym, że cewki (7, 8, 9) trzech elektromagnesów (2, 3, 4) połączone są odpowiednio z pierwszymi wyjściami (Wy1^ Wy1₂, Wy1₃) oddzielnych sterowników moPL 215 980 B1 cy (14, 15, 16), których wejścia połączone są odpowiednio z wyjściami regulatora (17), a do wejść regulatora (17) podłączone są odpowiednio poprzez blok lokalizatora położenia (18) wału (1) dwa czujniki położenia (19, 20) wału (1) osadzone w otworach obudowy (5) łożyska, a poprzez blok detektora (21) indukcji pola magnetycznego trzy czujniki indukcji (22, 23, 24) umieszczone w wybraniach (11) nabiegunników elektromagnesów (2, 3, 4) oraz drugie wyjścia (Wy2₁, Wy2₂, Wy2₃) sterowników mocy (14, 15, 16).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że każdy sterownik mocy (14, 15, 16) zawiera tranzystorowy mostek typu H (25) połączony odpowiednio z zaciskami pierwszego wyjścia (Wy1) sterownika mocy (14, 15, 16) oraz poprzez układ pomiarowy prądu obciążenia (26) z drugim wyjściem (Wy2) sterownika mocy (14, 15, 16), a jedno wejście mostka typu H (25) połączone jest ze znanym źródłem napięcia stałego, zaś drugie jego wejście sterujące poprzez człon logiki (27) i generator napięcia (28) z podłączonym zewnętrznym układem (29) jest połączone z wyjściem komparatora (30), którego jedno wejście połączone jest z wyjściem regulatora (17), zaś drugie wejście komparatora (30) połączone jest z wyjściem układu pomiarowego prądu obciążenia (26).