SI24202A - Pasivno magnetno vodilo z mehanizmom ustavljanja in pozicioniranja - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na konstrukcijo tritračnega drsnega mehanizma z uporabo magnetizma, z magneti NdFeB v antipolni geometriji, ki omogoča minimalen koeficient trenja ob premikanju drsnega elementa ter kontrolirano ustavljanje le-tega v vnaprej določenih legah. Lebdenje, drsenje in ustavljanje drsnega elementa na točno določenih mestih je omogočeno z odbojnimi silami med magneti, ki so pritrjeni na zgornjih dveh parih magnetnih tračnic. Na ta način je omogočena levitacija drsnih elementov tudi večjih mas. Stabilizacija drsnega elementa v prečni smeri na smer drsenja, je omogočena s privlačnimi silami med magneti, ki so pritrjeni na par spodnjih magnetnih tračnic.

Description

• ·

Pasivno magnetno vodilo z mehanizmom ustavljanja in pozicioniranja

PODROČJE TEHNIKE, NA KATEREGA SE IZUM NANAŠA

Izum spada v področje konstrukcije drsnih mehanizmov, konkretno drsnih mehanizmov z uporabo magnetizma.

PRIKAZ PROBLEMA, KI GA REŠUJE IZUM

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je konstrukcija mehanske naprave (drsnega mehanizma), ki ob vgradnji omogoča premikanje drsnih elementov tako, da so koeficienti trenja zmanjšani in da je mogoča kontrola ustavljanja drsnih elementov v vnaprej definiranih legah. Rezultat vgradnje takšne mehanske naprave mora biti drsenje elementov z zagotovljenim nizkim koeficientom trenja ter kontrolirano ustavljanje elementov v vnaprej definiranih legah.

OPIS STANJA TEHNIKE

Na področju drsnih mehanizmov se skozi čas pojavlja veliko patentov, ki zajemajo tako drsne mehanizme za vratne kot tudi za okenske sisteme. Vsi omenjeni mehanizmi temeljijo na magnetnih odbojnih silah, ki se uporabijo v spodnjem delu ali zgornjem delu oken ali vrat. Opcijsko so ti mehanizmi lahko kombinirani z električnimi motorji, ki omogočajo premikanje sistemov elementov v vzdolžni smeri. Patenti se večinoma ukvarjajo z lebdenjem oken ali vrat na osnovi magnetnih odbojnih sil, vendar pa so za dodatno stabilizacijo in podporo teže ter usmerjanje gibanja v želeni smeri uporabljena še dodatna mehanska vodila (kolesa ali valji).

[01] U.S. Patent št. 4,698,876, kjer Karita predstavlja magnetna drsna vrata, ki so delno podprta z magnetnim mehanizmom v kombinaciji z mehanskimi vodili (kolesca, valji), ki razbremenjuje breme na le-teh. Vrata se premikajo s posebnim mehanizmom. Privlačna sila med magnetom in fiksnim vodilom je sila, ki podpira težo vrat. Vendar pa v sistemu ne uporabljajo tako odbojne sile v zgornjem delu in privlačne v spodnjem delu ter magnetov z obrnjeno polarnostjo za ustavitev lebdečega elementa v točno vnaprej določenih legah.

[02] Patent št. EP897449, kjer Schuster s sodelavci opisuje elektromagnetni pogon za magnetno lebdenje bremena. Trajni magnet je med dvema mehkima magnetoma, ki sta v tuljavah. Mehki magnet ni popolnoma nasičen, kar pomeni, da čuti privlak do obeh mehkih magnetnih polov, enaka razdalja med trajnim magnetom in mehkima magnetoma je zagotovljena z uporabo mehanskih vodil. V tem sistemu pa ne uporabljajo tako odbojne sile v zgornjem delu in privlačne v spodnjem delu ter magnetov z obrnjeno polarnostjo za ustavitev lebdečega elementa v točno v naprej določenih legah.

[03] Patent št. JP 6341267 Yoshinori predstavlja magnetna drsna vrata, kjer je levitacija zagotovljena v zgornjem z uporabo magnetne odbojne sile med elektromagneti. Za stabilizacijo gibanja vrat v prečni smeri, so v zgornji okvir vrat vgrajeni dodatni elektromagneti, ki stabilizirajo gibanje vrat v prečni smeri. Levitacija in stabilizacija gibanja sta zagotovljeni z uporabo elektromagnetov, za napajanje katerih je potreben zunanji izvor napetosti. Naša izvedba je v primerjavi s slednjo prostorsko, cenovno in izvedbeno bolj ugodna, saj samo z uporabo trajnih magnetov ponuja enostavno rešitev levitacije in stabilizacije gibanja v prečni smeri.

Dosedanji patenti niso obravnavali rešitve, kjer bi bila uporabljena kombinacija odbojne in privlačne sile med trajnimi magneti identičnih in nasprotnih si polarnosti, ki bi obenem zagotavljale lebdenje in tudi usmerjeno vzdolžno gibanje z zmanjšanim nihanjem prečno na smer drsenja drsnega elementa. Premikanje oz. drsenje elementov je v dosedanjih patentih večinoma sproženo z uporabo električnih motorjev, katerih izvedbe so različne ter hkrati omogočajo tako vzdolžno premikanje, kot tudi samo lebdenje drsnega elementa, medtem ko so za stabilizacijo vrat v ravnovesni legi oz. za pozicioniranje drsnega elementa uporabljena mehanska vodila ali pa elektromagneti.

[04] Enostavnejšo različico magnetnih drsnih vrat, kjer je začetno gibanje povzročeno s sunkom je v patentu št. [W02009023083j predstavil Singiser. V omenjenem patentu predstavlja vrata v okvirju, ki lebdijo na osnovi magnetnih odbojnih sil. Vsa teža vrat je podprta v spodnjem delu vrat, kjer so na eni tračnici nameščeni magneti identičnih polarnosti. Za stabilizacijo gibanja prečno na smer drsenja je poskrbljeno z • * mehanskimi letvicami, kamor so nameščeni teflonski čepki z nizkim koeficientom trenja.

Vendar pa pri omenjenem mehanizmu ne uporabljajo tako odbojne sile v zgornjem delu in privlačne v spodnjem delu ter magnetov z obrnjeno polarnostjo za ustavitev vrat v točno v naprej določenih legah. Predlagana rešitev po izumu ponuja naprednejšo različico. Po izumu je teža celotnega drsnega elementa podprta z magnetno odbojno silo v zgornjem delu, kjer so magneti razporejeni na dveh tračnicah, kar omogoča vzdrževati lebdenje drsnih elementov večjih mas kot pri enotračni izvedbi, ki jo omenja pričujoči patent. Začetno gibanje drsnega elementa je sproženo z začetnim sunkom. Ker je z magnetnim lebdenjem zagotovljeno nizkotrenjsko gibanje, je po izumu rešitev za zaustavitev drsnega elementa v naprej določenih legah definirana z magneti v zgornjem delu mehanizma z obrnjeno polarnostjo, česar omenjeni patent ne vsebuje.

[05] Podobno izvedbeno različico vrat kot Singiser predstavlja tudi Zhongyung v patentu [CN 101435301], kjer je celotna masa vrat oz. okna podprta v spodnjem delu z uporabo magnetov enakih si polarnosti, ki so razporejeni na eni tračnici. Za stabilizacijo prečnega gibanja vrat pa so v zgornjem delu vrat nameščeni magneti z nasprotno polarnostjo. Predlagana rešitev ponuja mehansko izvedbo lebdečih vrat, vendar je masa zaradi uporabe le ene spodnje tračnice omejena z velikostjo odbojne sile, ki zavisi od magnetnih lastnosti trajnih magnetov. V predlagani rešitvi po izumu je celotna masa drsnega elementa podprta z odbojno silo med magneti, ki so razporejeni na dveh vzporednih tračnicah, s čimer je mogoče zagotoviti lebdenje drsnih elementov višjih mas kot v pri omenjenem eno-tračnem mehanizmu. Nadalje naša predlagana rešitev vsebuje tudi kontrolirano zaustavitev drsnega elementa v naprej definiranih legah, ki je pričujoči patent ne vsebuje.

OPIS IZUMA

Po izumu je tehični problem rešen z drsnim mehanizmom - pasivnim magnetnim vodilom z mehanizmom ustavljanja in pozicioniranja, ki ob vgradnji omogoča premikanje drsnega elementa tako, da so koeficienti trenja zmanjšani in da je

mogoča kontrola ustavljanja drsnega elementa v za to definiranih legah. Izum je podrobno opisan in razložen na osnovi izvedbenih primerov in slik, ki prikazujejo:

Slika 1: Shematski prikaz drsnega mehanizma z vstavljenim drsnim elementom v okvir z magneti, ki služijo levitaciji in stabilizaciji

Slika 2: Naris postavitve jeklenih magnetnih tračnic z magneti vzdolž drsnega elementa in okvirja z označeno smerjo polarizacije slednjih

Slika 3: Diagram razdalje med elementnimi in okvirnimi tračnicami v odvisnosti od mase drsnega elementa

Pasivno magnetno vodilo z mehanizmom ustavljanja in pozicioniranja (drsni mehanizem) Slika 1, je sestavljeno iz stacionarnega okvirja 1 in drsnega elementa 2,v katera so vgrajeni trije pari jeklenih magnetnih tračnic z magneti, in sicer dva para zgornjih magnetnih tračnic 3a in 3b in 4a in 4b, in en par spodnjih magnetnih tračnic 5a in 5b. Vsak par obsega po eno okvirno tračnico 3a, 4a in 5a z magneti in po eno elementno tračnico 3b, 4b in 5b z magneti. Ker so tračnice magnetne, so magneti na njih pritrjeni z magnetno silo, s čimer se izognemo mehanskemu pritrjevanju s posebnimi vodili ali lepili. V navedenem primeru ima drsni elemet 2 v zgornjem delu obliko črke t, pri čemer je posamezna zgornja elementna tračnica 3b, 4b pritrjena na I in d stran prečnega nosilca drsnega elementa, zgornji okvirni tračnici 3a, 3b pa sta pritjeni vsaka na svojo stran zgornjega dela okvirja 1, ki ima obliko črke u. Zgornja para magnetnih tračnic 3a in 3b ter 4a in 4b z magneti sta med sabo vzporedna in služita za lebdenje drsnega elementa 2 na definirani višini. Višina na kateri lebdi drsni element 2 je odvisna od lastnosti trajnih magnetov, ki so pritrjeni na magnetne tračnice, od števila magnetov na tračnici in od mase drsnega elementa 2. Možne so tudi drugačne postavitve zgornjih elementnih in okvirnih tračnic, bistveno je, da gre za dvotračno izvedbo drsnega mehanizma v zgornjem delu, s čimer je omogočena uporaba večjih mas drsnega elementa 2. Spodnji par magnetnih tračnic 5a in 5b z magneti je namenjen pozicioniranju drsnega elementa 2 oz. njegovi stabilizaciji, saj preprečuje nihanje drsnega elementa 2 prečno na smer drsenja le tega.

Med zgornjima paroma elementnih tračnic 3b, 4b in okvirnih tračnic 3a, 4a delujejo odbojne sile. Navišjo odbojno silo [F] zagotovimo z nasprotno polarizacijo magnetov orientirano v vertikalni smeri. Na spodnjem paru elementne tračnice 5b in okvirne tračnice 5a pa je magnetna polarizacija orientirana vertikalno v isti smeri, kar pomeni, da med njimi deluje privlačna sila.

Generirana sila med poli enakih si polarnosti je odbojna, med poli nasprotnih si polarnosti pa privlačna, ter se izračuna po naslednji enačbi:

F=B²A/(2po)

F-sila v Nevvtonih [Ν]

A- Površina magnetnega pola [m²] μ₀-Permeabilnost praznega prostora [4π 10'⁷ N/A²]

B- Magnetna indukcija [Τ]

Torej je sila generirana na površinsko enoto pri 67,3 N/cm² pri B= 1,3T, kolikor znaša magnetna indukcija uporabljenih magnetov.

Na okvirnih tračnicah so magneti postavljeni tako, da je največja površina magnetov (40x20 mm) v stiku s tračnico. Pomembno je, da so poli vseh magnetov na zgornjih parih magnetnih tračnic v delu, ki je namenjen drsenju drsnega elementa 2 iz ene skrajne pozicije v drugo skrajno pozicijo, orientirani v isto smer, saj se tako zagotovi maksimalna odbojna sila, ki deluje med zgornjima paroma elementnih 3b, 4b in okvirnih tračnic 3a, 4a.

Za zagotovitev ustavitve drsnega elementa 2 v za to vnaprej definiranih legah se magnetom na točno določenih pozicijah (3a1, 4a1), (3a2, 4a2), (3a3, 4a3) (3a4,4a4), (3a5, 4a5) in (3a6, 4a6) pri obeh zgornjih okvirnih tračnicah 3a in 4a obrne polarnost (Slika 2). Tako pride v skrajni odprti in zaprti legi drsnega elementa 2 do privlačne sile med magneti z obrnjeno polarnostjo na zgornjih okvirnih tračnicah 3a, 4a in magneti zgornjih elementnih tračnic 3b, 4b, kar povzroči zaustavitev drsnega elementa v vnaprej točno določenih legah in tako omejitev hoda le-tega. V danem primeru, ki je predstavljen na sliki 2, gre za trostopenjsko ustavljanje drsnega elementa, bodisi na desni ali na levi strani, kar pomeni, da je magnetom na opisanih • · pozicijah (3a1, 4a1),(3a2, 4a2), (3a3, 4a3) (3a4, 4a4), (3a5, 4a5) in (3a6, 4a6) obrnjena polranost.

Za zagotovitev večstopenjskega ustavljanja drsnega elementa je potreben pogoj obrnjena polarizacija magnetov na zgornjih okvirnih tračnicah 3a in 4a v legah (3a1, 4a1), (3a2, 4a2), (3a3, 4a3) (3a4,4a4), (3a5, 4a5) in (3a6, 4a6) glede na zgornje elementne tračnice 3b in 4b. Na spodnjem paru tračnic 5a in 5b sprememba smeri polarizacije magnetov za ustavljanje drsnega elementa 2 v vnaprej določenih legah ni potrebna.

Bistvena novost izuma je, da je lebdenje, drsenje in ustavlajnje na točno dolčenih mestih drsnega elementa 2 omogočeno s kombinacijo odbojnih in privlačnih sil med magneti, ki so pritrjeni na zgornjih parih magnetnih tračnic 3a, 3b in 4a, 4b (dvotračna izvedba) in da je stabilizacija drsnega elementa 2 omogočena s privlačnimi silami med magneti, ki so pritrjeni na par spodnjih magnetnih tračnic 5a in 5b.

Dvotračna izvedba omogoča levitacijo tudi drsnih elementov z večjo maso. V primeru ko sta obe zgornji elementni tračnici 3b, 4b maksimalno zasedeni (popolnoma prekriti z magneti), se zagotovi gladko drsenje drsnega elementa in levitacijo tudi drsnih elementov večjih mas. Na spodnji elementni tračnici 5b pa sta za zadostno omejitev nihanja prečno na smer drsenja dovolj že dva magneta 5b1 in 5b2, katerih usmerjenost polov sovpada s tistimi na spodnji okvirni tračnici 5a.

Zaradi spontane demagnetizacije med magneti, je potrebno uporabiti magnete z visokimi energijskimi produkti med 20 in 50 MGOe. Energijski produkt uporabljenih magnetov v našem primeru (pri vseh tračnicah smo uporabili magnete Nd-Fe-B, dimenzij 40x20x5 mm) znaša 42 MGOe, kar je dovolj, da ne pride do njihovega spontanega razmagnetenja. Temperaturno območje, v katerem še izkazujejo dovolj visoke energijske produkte pa sega do 80 °C, kar takšnemu drsnemu mehanizmu razširi aplikativno vrednost.

Lahko se uporabi tudi druge magnete, pomembno je, da je njihov energijski produkt dovolj visok.

V dosedaj znanih rešitvah je šlo za:

- uporabo odbojne sile v spodnjem delu vrat in stabilizacijo gibanja drsnega elementa z uporabo mehanskih vodil.

- uporabo odbojne sile med magneti v zgornjem delu, ter stabilizacijo prečnega gibanja v zgornjem delu z uporabo elektromagnetov.

- uporabo odbojne sile v zgornjem delu drsnega elementa v povezavi z elektromotorji za prečno drsenje elementa. Deloma so elementi še vedno podprti z mehanskimi kolesci ali valji.

Razviti drsni mehanizem po tem izumu ima naslednje bistvene prednosti, ki so posledica izbire in postavitve magnetov:

- lebdenje drsnega elementa je omogočeno izključno zaradi magnetnih odbojnih sil iz trajnih magnetov brez uporabe mehanskih vodil npr. koles ali valjev;

- izvedba temelji na uporabi trajnih magnetov, ki so komercialno dostopni, ter v primerjavi z elektromagneti ne potrebujejo zunanjega napajanja, kar je cenovno in prostorsko ugodna rešitev;

- stabilizacija gibanja drsnega elementa v smeri prečno na smer drsenja je omogočena zaradi uporabe magnetnih privlačnih sil v spodnjem delu mehanizma.

Bistvena novost izuma je tudi konstrukcija mehanizma, ki omogoča ustavljanje drsnega elementa v točno v naprej določenih legah (npr.: popolnoma zaprta vrata in popolnoma odprta vrata).

V dosedaj znanih rešitvah je šlo za uporabo elektromotorjev v različnih izvedbah, ki zahtevajo zapleteno izvedbo in zunanji vir napajanja, kar posledično zvišuje ceno ter povzroči rast stroškov.

Razviti drsni mehanizem po tem izumu, ki omogoča premikanje drsnega elementa z zmanjšanim koeficientom trenja in zaustavljanjem v vnaprej določenih pozicijah ima naslednje bistvene prednosti, ki so posledica postavitve magnetov:

- lebdenje drsnega elementa zaradi izključno magnetne sile;

- stabilizacija gibanja drsnega elementa v prečni smeri na smer drsenja zaradi uporabe magnetne privlačne sile v spodnjem delu mehanizma.

- skoraj neslišno drsenje drsnega elementa, zaradi nizkotrenjskega drsenja;

- kontrolirano ustavljanje drsnega elementa v vnaprej definiranih legah.

Izvedbeni primer 1:

Za gladko drsenje lebdečega drsnega elementa nad magnetnimi tračnicami je potrebno zagotoviti maksimalno zasedenost okvirnih tračnic z magneti, brez vmesnih praznih prostorov. V primeru maksimalne zasedenosti z magneti (magneti so postavljeni eden tik ob drugem, kar pomeni 22 magnetov na eno tračnico dolžine 1m) obeh tračnic (elementnih in okvirnih), med katerimi deluje odbojna sila znaša nosilnost takega mehanizma do 20 kg, kar smo dosegli z dodatno obremenitvijo drsnega elementa.

Izvedbeni primer 2:

V drugem izvedbenem primeru, kjer je bila zasedenost okvirnih tračnic z magneti 100%, elementnih tračnic pa 50 % smo ravno tako dosegli nosilnost mehanizma 20 kg.

Razlika je ta, da je razdalja med elementnimi in okvirnimi tračnicami v drugem primeru približno polovico krajša, kar ilustrira graf na Sliki 3, ki prikazuje odvisnost med maso drsnega elementa in razdaljo med elementno 3b, 4b, 5b in okvirno tračnico 3a, 4a in 5a.

Claims (4)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Pasivno magnetno vodilo z mehanizmom ustavljanja in pozicioniranja, ki se sestoji iz stacionarnega okvirja (1) in drsnega elementa (2), označeno s tem, da so v stacionarni okvir (1) in drsni element (2) vgrajeni trije pari jeklenih magnetnih tračnic z magneti, in sicer dva para zgornjih magnetnih tračnic (3a, 3b) in (4a, 4b), in en par spodnjih magnetnih tračnic (5a, 5b), pri čemer vsak par obsega po eno okvirno tračnico (3a), (4a) in (5a) z magneti in po eno elementno tračnico (3b), (4b) in (5b) z magneti in sta zgornja para magnetnih tračnic (3a, 3b) in (4a, 4b) med seboj vzporedna, pri čemer so poli magnetov na zgornjih parih magnetnih tračnic (3a, 3b) in (4a, 4b) v delu, ki je namenjen drsenju drsnega elementa iz ene skrajne pozicije v drugo skrajno pozicijo, orientirani v isto smer in so poli izbranih magnetov (3a1, 4a1),(3a2, 4a2), (3a3, 4a3) (3a4, 4a4), (3a5, 4a5) in (3a6, 4a6) na zgornjih okvirnih tračnicah (3a, 4a) v delu, ki je namenjen zaustavljanju drsnega elementa (2) orientirani v nasprotno smer glede na magnete zgornje elementne tračnice (3b in 4b).
2. 2. Pasivno magnetno vodilo po zahtevku 1, označeno s tem, da je celotna masa drsnega elementa (2) podprta z odbojno silo med magneti na zgornjih parih magnetnih tračnic (3a, 3b) in (4a, 4b).
3. 3. Pasivno magnetno vodilo po predhodnih zahtevkih, označeno s tem, da dva para zgornjih magnetnih tračnic (3a, 3b) in (4a, 4b) predstavljata dvotračno izvedbo v zgornjem delu drsnega mehanizma, kar omogoča lebdenje drsnih elementov (2) večjih mas.
4. 4. Pasivno magnetno vodilo po predhodnih zahtevkih, označeno s tem, da so poli magnetov na spodnjem paru magnetnih tračnic (5a, 5b) obrnjeni v nasprotno smer in je stabilizacija drsnega elementa (2) podprta s privlačno silo med magneti.