PL 213768 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 213768 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 390054 (51) Int.Cl. F16C 32/04 (2006.01) H02N 15/00 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.12.2009 (54) Aktywne łożysko magnetyczne (43) Zgłoszenie ogłoszono: 04.07.2011 BUP 14/11 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA, Białystok, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2013 WUP 04/13 (72) Twórca(y) wynalazku: ADAM PIŁAT, Kraków, PL ZDZISŁAW GOSIEWSKI, Opacz-Kolonia, PL
2 PL 213 768 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest aktywne łożysko magnetyczne, mogące znaleźć szerokie zastosowanie, zwłaszcza w układach napędowych, a szczególnie w zespołach maszyn stosowanych w warunkach ekstremalnych. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 wir-
PL 213 768 B1 3 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. 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. 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. 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. 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. 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. Zastrzeżenia patentowe 1. Aktywne łożysko magnetyczne zbudowane ze stojana, na obwodzie którego rozmieszczone są elektromagnesy wirnika umieszczonego wewnątrz stojana oraz układu sterującego, znamienne tym, że wirnik (1) ma obrys zewnętrzny nie cylindryczny, zaś w wybraniach każdego z ośmiu nabiegunników (3) stojana (2) umieszczony jest czujnik indukcji magnetycznej (6) połączony ze sterownikiem (2), natomiast w pobliżu zewnętrznego obrysu stojana (2) umieszczone są trzy czujniki laserowe (5) w taki sposób, aby wiązki laserowe poprzez szczeliny w stojanie (2) padały na wirnik (1) w połowie jego grubości, natomiast czujniki laserowe (5) połączone są ze sterownikiem (7), przy czym sterownik połączony jest z czterema elektromagnesami (4) poprzez wzmacniacz mocy (8), a czujniki napięcia i natężenia prądu w nim zawarte, połączone są ze sterownikiem (7). 2. Aktywne łożysko według zastrz. 1, znamienne tym, że wirnik (1) ma obrys zewnętrzny cylindryczny, a z jego konstrukcji mechanicznej wynikają odmienne wartości momentu bezwładności dla osi X i Y. 3. Aktywne łożysko według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że nabiegunnik (3) ma obrys złożony z segmentów będących odcinkami prostymi oraz krzywymi przyjmującymi formę krzywych Bezier a stopnia 2-go lub 3-go.
4 PL 213 768 B1 Rysunki
PL 213 768 B1 5
6 PL 213 768 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)