PL241503B1 - Mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika (2) względem stojana silnika liniowego zawierający bieżniki charakteryzujący się tym, że bieżniki zamocowane są na przegubach do co najmniej jednego układu wykonawczego, przymocowanych do ramy ułożonej wzdłuż stojana silnika (1), a ponadto mechanizm zawiera czujnik położenia połączony z układem kontrolującym położenie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego odbywającego się w czasie rzeczywistym podczas pracy silnika liniowego.

Poprzez bieżnik 1' rozumie się element silnika liniowego składający się z segmentów bieżnika 2 zawierających magnesy, płytę z materiału o wysokiej przewodności (np. stopy aluminium, miedzi, polimery przewodzące etc.) lub elektromagnesy 2a oraz opcjonalnie element służący do zamykania pola magnetycznego 2b np. stalową płytę, zestaw płyt lub inny rodzaj, który spełnia tę funkcję. Poprzez stojan 1 rozumie się element silnika liniowego, który posiada uzwojenia i wytwarza pole magnetyczne dzięki prądowi płynącemu przez te uzwojenia.

Niniejszy wynalazek ma na celu rozwiązać zagadnienie dotyczące zmian sprawności silnika wynikających z nierówności pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana.

Sprawność silnika liniowego w dużej mierze zależy od szczeliny pomiędzy stojanem a bieżnikiem tj. im szersza szczelina, tym sprawność silnika niższa. W związku z tym dąży się do konstrukcji, gdzie szczelina jest możliwie najmniejsza. Problem pojawia się w przypadku, kiedy silnik liniowy rozłożony jest na ścieżkach krzywoliniowych. Wówczas często konstruktorzy decydują się na zwiększenie szczeliny, co pozwala na ruch po łukach, jednakże czyni się to kosztem sprawności. Dzięki niniejszemu wynalazkowi nie będzie potrzeby szukania kompromisu pomiędzy sprawnością silnika a problemem pozycjonowania jego elementów 1 i 2 na przykład na łukach, gdzie stojan jest położony wzdłuż pewnej krzywej, ale nie tylko.

W dostępnej literaturze jest niewiele wzmianek dotyczących odkształcalnych struktur oraz silników liniowych. Wzmianki dotyczą głównie zastosowania małych siłowników z silnikami liniowymi, jako układami wykonawczymi, pracujących w tzw. strukturach inteligentnych np. w odkształcalnych elementach skrzydeł samolotów. Spośród wynalazków dotyczących kontroli szczeliny powietrznej w układach elektromagnetycznych znany jest z US7637214 sposób regulacji szczeliny lewitacyjnej dla pojazdu kolei magnetycznej. Jednakże jest to sposób, który jest stosowalny tylko do lewitacji, w przeciwieństwie do niniejszego ujawnienia, które może być stosowane zarówno to kontroli szczeliny lewitacyjnej, jak i szczeliny w silniku liniowym. Ponadto sposób opisany w US7637214 nie zawiera elementów ruchomych oraz nie rozwiązuje zagadnienia utrzymania sprawności silnika lub lewitacji na łukach.

Znany jest z opisu zgłoszenia patentowego US2011100251 A1 mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego segmenty bieżnika, które zamocowane są na przegubach do co najmniej jednego układu wykonawczego, przymocowanych do ramy ułożonej wzdłuż stojana silnika, a ponadto mechanizm zawiera czujnik położenia połączony z układem kontrolującym położenie. Problemem technicznym rozwiązywanym przez wynalazek US2011100251 jest znalezienie takiego układu segmentów bieżnika, aby możliwe było zmniejszenie odległości pomiędzy nimi a pojazdem, z 40 mm na 10 mm, aby uniknąć szarpnięcia lub gwałtownego spadku pojazdu na podłoże oraz oszczędność energetyczna.

Istotą wynalazku jest mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego odbywającego się w czasie rzeczywistym podczas pracy silnika liniowego składający się z części mechanicznej oraz elektronicznej.

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego podczas jazdy pojazdu odbywającego się w czasie rzeczywistym charakteryzujący się tym, że segmenty bieżnika, które zawierają segmenty zamykające pole magnetyczne zamocowane są na przegubach do co najmniej jednego układu wykonawczego, przymocowanych do ramy ułożonej wzdłuż stojana silnika, a ponadto mechanizm zawiera czujnik położenia połączony z układem kontrolującym położenie.

Korzystnie, segment bieżnika jest wykonany z magnesów trwałych, elektromagnesów lub układów hybrydowych tj. magnesów trwałych z cewkami elektromagnesów owiniętych wokół magnesów trwałych.

Korzystnie, pomiędzy segmentami wstawiony jest odkształcalny element magnetyczny.

Korzystnie, odkształcalny element magnetyczny jest elastomerem o przenikalności magnetycznej względnej μr większej od 1, metalem lub stopem metali wykonanym w taki sposób, że odkształca się w formie geometrii sprężyny lub cieczą podatną magnetycznie zamkniętą w szczelnym opakowaniu.

Korzystnie jako układ wykonawczy stosuje się siłowniki, wybrane z grupy: elektrycznych, elektromechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych, piezoelektrycznych lub kombinowanych.

PL 241 503 B1

Korzystnie, ramą jest rama pojazdu albo element pasa transportowego.

Korzystnie, czujnik położenia jest zamontowany do segmentu bieżnika albo przegubu, albo wmontowany w układ wykonawczy.

Korzystnie, czujnik położenia jest optyczny albo indukcyjny, albo laserowy, albo ultradźwiękowy, albo pojemnościowy.

Korzystnie, co najmniej jeden układ wykonawczy jest sterowany niezależnie lub za pomocą wspólnego dla wszystkich układu sterującego.

Korzystnie, mechanizm zawiera wielostopniowy układ pozycjonowania segmentów bieżnika.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w poniższych przykładach i na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia schemat poglądowy bieżnika 1' i jego segmentów 2, fig. 1b przedstawia segment bieżnika 2, fig. 2 przedstawia mechanizm według wynalazku, na którym stojan 1 położony jest wzdłuż linii prostej, natomiast na fig. 3 wzdłuż krzywej, dzięki czemu widać zasadę pracy mechanizmu, na fig. 4 przedstawiono układ kontrolujący położenie w czasie rzeczywistym, na fig. 5 przedstawiono mechanizm zastosowany w silniku liniowym innej konfiguracji, przykładowo w układzie jeden stojan 1 z dwoma bieżnikami 2, na fig. 6 przedstawiono sposób wykonania mechanizmu na łuku, fig. 8 przedstawia odkształcalny element materiału o przenikalności magnetycznej względnej μr większej od 1 wstawiony pomiędzy segmenty 2b, fig. 9 przedstawia mechanizm pozycjonowania sterowany każdy niezależnie przez oddzielne układy sterujące, fig. 10 przedstawia mechanizm pozycjonowania sterowany za pomocą co najmniej jednego wspólnego dla wszystkich układu sterującego 9, fig. 11 przedstawia mechanizm pozycjonowania zawierający wielostopniowy układ pozycjonowania oraz fig. 12 przedstawia mechanizm pozycjonowania, który może obracać segmenty bieżnika wokół innej osi niż na fig. 3.

Część mechaniczna wg fig. 2 zawiera podzielone segmenty bieżnika 2 zamocowane na przegubach 3 do układów wykonawczych 4, przy czym układami wykonawczymi mogą być siłowniki np. elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne, piezoelektryczne lub kombinowane. Układy wykonawcze przymocowane są do ramy 5, przy czym może to być rama pojazdu, element pasa transportowego lub inny zależnie od zastosowania silnika liniowego. Do układu zamontowany jest czujnik położenia 6, którego celem jest monitorowanie położenia elementów bieżnika, przy czym może on być zamontowany zarówno do jednego z elementów ruchomych np. segmentu bieżnika 2 lub przegubu 3, jak i wmontowany w układy wykonawcze 4. Czujnik położenia może być optyczny, indukcyjny, laserowy, ultradźwiękowy lub pojemnościowy. Na fig. 2 przedstawiono stojan 1 położony wzdłuż linii prostej, natomiast na fig. 3 wzdłuż krzywej, dzięki czemu widać zasadę pracy mechanizmu.

Część elektroniczna wg fig. 4 stanowi układ kontrolujący położenie w czasie rzeczywistym. Pomiar szczeliny za pomocą czujnika położenia 6 jest porównywany do zadanej wartości referencyjnej. Na tej podstawie układ sterujący 9 przekazuje sygnały sterujące do układu wykonawczego 4. Układ pracuje w konfiguracji ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym.

Korzystnie, mechanizm może być zastosowany w silniku liniowym innej konfiguracji, przykładowo w układzie jeden stojan 1 z dwoma bieżnikami 1' (fig. 5).

Korzystnie, mechanizm może zostać skonstruowany w sposób przedstawiony na fig. 6, gdzie elementy bieżnika 2 przymocowane są do odkształcalnego elementu 7, który służy do przenoszenia obciążeń od sił działających na silnik liniowy, element 7 jest natomiast przymocowany do układów wykonawczych 4.

Sposób wykonania mechanizmu wg fig. 6 (pozycja na odcinku prostym) i fig. 7 (pozycja na łuku) umożliwia podzielenie bieżnika 1' na sekcje, czyli podobnie jak na fig. 2, niezależnie poruszające się segmenty bieżnika 2, co pozwala poprawić kontrolę nad pozycjonowaniem bieżnika 2 oraz dopasowywać go do krzywizny łuku stojana.

Zastosowanie segmentacji bieżnika, jak na przykład na fig. 6 i 7 może spowodować, że pomiędzy elementami bieżnika 2, w szczególności segmentami służącymi do zamykania pola magnetycznego 2b powstanie szczelina powietrzna, która przyczyni się do powstawania strat pola magnetycznego. Można zmniejszyć wspomniane straty wstawiając pomiędzy segmenty 2b odkształcalny element materiał u o przenikalności magnetycznej względnej μr większej od 1 (8, fig. 8). Odkształcalny element magnetyczny 8 może być elastomerem o opisanych właściwościach magnetycznych, metalem lub stopem metali wykonanym w taki sposób, że może się odkształcać, przykładowo w formie geometrii sprężyny lub cieczą podatną magnetycznie zamkniętą w szczelnym opakowaniu.

Mechanizm pozycjonowania, który w ramach bieżnika zawiera co najmniej jeden układ wykonawczy 4 znamienny jest tym, że układy wykonawcze mogą być sterowane każdy niezależnie przez od

PL 241 503 B1 dzielne układy sterujące 9 (fig. 9) lub wszystkie za pomocą co najmniej jednego wspólnego dla wszystkich układu sterującego 9, jak na fig. 10. Jest to szczególnie pomocne w przypadku, gdy układ wykonawczy jest hydrauliczny lub pneumatyczny. W szczególności w przypadku silnika liniowego, który składa się z dwóch bieżników zamontowanych po obu stronach stojana 1 (fig. 5), napęd może zostać skonstruowany w sposób, w którym jeden układ wykonawczy 4 odpowiada za położenie dwóch przegubów 3 położonych symetrycznie względem stojana 1.

Poprzez układ sterujący 9 rozumie się komputer przetwarzający dane z czujników położenia 6 wraz z urządzeniem przekazującym sygnał do układów wykonawczych 4.

Mechanizm pozycjonowania może zawierać wielostopniowy układ pozycjonowania, co oznacza, że układ wykonawczy 4 składa się z co najmniej dwóch układów wykonawczych połączonych szeregowo (fig. 11). Taka konfiguracja ma uzasadnienie w przypadku, gdy przykładowo łączy się siłownik elektromechaniczny 4a z siłownikiem piezoelektrycznym 4b. Pierwszy z nich ma większy zakres ruchu i dostosowany do niskich częstotliwości drgań poprzecznych, natomiast drugi 4b ma dużo mniejszy zakres ruchu, natomiast ma dużo szybszy czas odpowiedzi i potrafi pracować w wyższych częstotliwościach drgań poprzecznych. Taki układ zapewnia większą dokładność pracy mechanizmu pozycjonowania.

Mechanizm pozycjonowania może obracać segmenty bieżnika wokół innej osi niż na fig. 3 (oś Z, kierunki osi jak na fig. 12), może więc dokonywać pozycjonowania względem osi X (fig. 12), osi Y lub jako złożenie obrotów w trzech osiach. Co więcej, poszczególne segmenty bieżnika 2 w ramach jednego urządzenia mogą być skręcone względem siebie.

Mechanizm pozycjonowania może zostać zastosowany w transporcie do pozycjonowania części silnika liniowego napędzającego kolej magnetyczną lub kolej niskociśnieniową tzw. Hyperloop w celu uzyskania optymalnych warunków pracy napędu, co przekłada się bezpośrednio na koszty eksploatacji systemu transportowego.

Claims (10)

1. Mechanizm automatycznego pozycjonowania segmentów bieżnika względem stojana silnika liniowego podczas jazdy pojazdu odbywającego się w czasie rzeczywistym znamienny tym, że segmenty bieżnika (2), które zawierają segmenty zamykające pole magnetyczne (2b), zamocowane są na przegubach (3) do co najmniej jednego układu wykonawczego (4), przymocowanych do ramy (5) ułożonej wzdłuż stojana silnika (1), a ponadto mechanizm zawiera czujnik położenia (6) połączony z układem kontrolującym położenie (9).

2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że segment bieżnika (2) jest wykonany z magnesów trwałych, elektromagnesów lub układów hybrydowych tj. magnesów trwałych z cewkami elektromagnesów owiniętych wokół magnesów trwałych.

3. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że pomiędzy segmentami (2b) wstawiony jest odkształcalny element magnetyczny (8).

4. Mechanizm według zastrz. 3, znamienny tym, że odkształcalny element magnetyczny jest elastomerem o przenikalności magnetycznej względnej μr większej od 1, metalem lub stopem metali wykonanym w taki sposób, że odkształca się w formie geometrii sprężyny lub cieczą podatną magnetycznie zamkniętą w szczelnym opakowaniu.

5. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że jako układ wykonawczy (4) stosuje się siłowniki, wybrane z grupy: elektrycznych, elektromechanicznych (4a), pneumatycznych, hydraulicznych, piezoelektrycznych (4b) lub kombinowanych.

6. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że ramą (5) jest rama pojazdu albo element pasa transportowego.

7. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik położenia (6) jest zamontowany do segmentu bieżnika (2) albo przegubu (3), albo wmontowany w układ wykonawczy (4).

8. Mechanizm według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że czujnik położenia (6) jest optyczny, albo indukcyjny, albo laserowy, albo ultradźwiękowy, albo pojemnościowy.

9. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden układ wykonawczy 4 jest sterowany niezależnie lub za pomocą wspólnego dla wszystkich układu sterującego (9).

10. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera jedno- lub wielostopniowy układ pozycjonowania segmentów bieżnika (2).