La aplicación del magnetismo para los sistemas de posicionamiento, es una de las cosas que TEKNIKER tiene casi una década de desarrollo [1], aunque otras empresas y organizaciones de investigación han adelantado otros trabajos al respecto. Los dispositivos de control de posición juegan un papel importante en las aplicaciones relacionadas con la levitación electromagnética. La implementación de lazos de control utilizando circuitos electrónicos configurables tales como los FPGA's, demuestra una dramática mejora en la eficiencia de funcionamiento y economía de los diseños de sistemas de control, dando como valor agregado la posibilidad de que los algoritmos y el diseño de los mismos dispositivos de control sean completamente reconfigurables a nivel lógico.
El desarrollo y puesta en marcha de un proyecto [1] como este, está orientado a las siguientes aplicaciones:
- Cabezales de mecanizado de alta potencia y altas revoluciones.
- Cabezales para el microfresado.
- Volantes de inercia para almacenamiento de energía.
- "Choppers" de haz de neutrones para instrumentación científica.
- Mesas de ultrapresición.
- Nuevas configuraciones de motores "torquemotores".
Los dispositivos para levitación electromagnética de una pieza o eje rotacional serán llamados en este análisis cojinetes de levitación. La aplicación de los mismos esta orientada en esta oportunidad a la sustitución de cojinetes mecánicos basados en rodamientos o bocinas para ejes la diferencia es que los cojinetes de levitación permiten al eje girar a muy altas velocidades evitando el desgaste y el uso de lubricantes.
El objetivo es analizar el sistema de control configurable basado en FPGA, ya que esté es quien se encarga de la sustentación del eje para que no se produzca el choque con las paredes de los cabezales.
Un cojinete de levitación magnética es un dispositivo donde el rotor se encuentra en equilibrio sin contacto mecánico con el estator, bajo la influencia de fuerzas magnéticas creadas por electroimanes dispuestos en el estator (Figura 1). La posición del rotor se mide a través de detectores o sensores que registran constantemente su posición [2]. El sistema de control genera en función de los desplazamientos que sufra el rotor en torno a una posición de equilibrio, una señal que se aplica a los amplificadores que gobiernan la corriente que circula a través de los electroimanes y que tenderá a devolver el rotor a su posición de equilibrio
FIGURA 1 - EL NÚCLEO MAGNÉTICO
La estructura interna del cojinete de levitación incluye dos bobinas electromagnéticas como las vistas en la figura 2 para el posicionamiento radial del eje, un grupo adicional de bobinas es el responsable de producir el campo magnético que mantiene la posición axial del eje. Un esquema de la distribución de los elementos del cojinete de levitación puede verse en la figura 2, donde son señalados cada uno de los elementos que lo componen incluyendo la posición de los transductores de posición.
FIGURA 2 - ESQUEMA DEL COJINETE DE LEVITACIÓN
- Cojinetes de levitación radial.
- Cojinetes de levitación axial.
- Cojinetes auxiliares lubricados en seco.
- Transductores de posición.
- Eje.
El campo magnético generado por las bobinas de los cojinetes debe actuar solo sobre la superficie del eje en rotación, esta superficie debe poseer características particulares. Esta superficie debe tener una permeabilidad tal que los campos magnéticos generados por las bobinas no atraviesen la sección del eje, solo deben actuar sobre la superficie y de manera local en las adyacencias del campo formado por la bobina y la superficie, su efecto de magnetización debe desaparecer instantáneamente. Los campos magnéticos no deben ser tan grandes que produzcan alteraciones sobre los campos generados en las adyacencias, pero deben tener potencias bastante altas por lo que se presume que el diseño permite una extrema concentración de las líneas de fuerza en un área muy pequeña.
Las figuras 3 y 4 muestran un esquema del fenómeno hipotéticamente descrito para los cojinetes radiales y axiales respectivamente.
FIGURA 3 - ESQUEMA DEL COJINETE DE SUSTENTACIÓN RADIAL
FIGURA 4 - ESQUEMA DEL COJINETE DE SUSTENTACIÓN AXIAL
Las corrientes de cada bobina del núcleo son manejadas de forma independiente por el sistema de control que esta asociado a un sistema de potencia, de esta manera producir campos magnéticos que actúan sobre la superficie del eje, generando las fuerzas correctivas de la posición del mismo en los 360º de los cojinetes, contrarrestando los efectos de la fuerza gravitacional terrestre y los posibles movimientos producidos por la rotación y desbalanceo. Por ejemplo los cojinetes de levitación empleados en las maquinas fresadoras, permiten generar fuerzas dinámicas que minimizan los efectos de las fuerzas laterales producidas por las herramientas de mecanizado.
Todo el lazo de control se cierra en un Control Numérico por Computadora (CNC), las especificaciones técnicas de los transductores de posición de los ejes no tienen referencia, aunque puede suponerse que estos son electromagnéticos, ultrasónicos o láser. Adicionalmente se agrega al sistema de control un sensor de rotación de tipo absoluto con protocolo ENDAT de 13 bits para detectar la dirección de rotación y la velocidad. Las señales producidas por el encoder pueden verse en la figura 5.
FIGURA 5 - SEÑALES DEL ENCODER.
