BR102014032520B1 - Dispositivo e método para controle e sensoriamento de torque em tempo real - Google Patents
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Abstract
dispositivo e método para controle e sensoriamento de torque em tempo real. a presente invenção se refere a um dispositivo e método para controle e sensoriamento de um torque em tempo real que atua em um eixo motriz, baseado na medição do deslocamento existente entre duas engrenagens de um elemento transmissor de torque a partir da incorporação de um sensor magnético inteligente embarcado no mesmo.
Description
[0001] A presente invenção se refere a um dispositivo e método para controle e sensoriamento de um torque em tempo real que atua em um eixo motriz, baseado na medição do deslocamento existente entre duas engrenagens de um elemento transmissor de torque a partir da incorporação de um sensor magnético inteligente embarcado no mesmo.
[0002] Existem atualmente no mercado diversos dispositivos que possibilitam medição de torque, entretanto, nenhum dos dispositivos já existentes, permite a medição e disponibilização dos dados através de um exibidor ou por meio de uma rede de comunicação em tempo real.
[0003] Normalmente, os dispositivos de controle e sensoriamento de torque disponiveis no mercado permitem, somente, a detecção de uma extrapolação no torque nominal máximo programado. Este tipo de detecção não permite que os dispositivos existentes possam fazer parte de uma malha de controle de torque.
[0004] Grande parte do mercado de atuadores elétricos necessita de informações confiáveis sobre a qualidade operacional dos equipamentos para permitir detecção de falha preventivamente, de forma a evitar acidentes que podem colocar em risco a operacionalidade do sistema em que o atuador é inserido.
[0005] Deste modo, a presente invenção proporciona um dispositivo e método de controle e sensoriamento de torque que proporciona a disponibilização e controle em tempo real do torque de saida de um atuador elétrico permitindo que aplicações finais sejam obtidas de forma confiável.
[0006] Além disso, o dispositivo e método de controle e sensoriamento de torque da presente invenção facilita a coleta de informação de toda uma estrutura empresarial, armazenando as informações em uma base da dados única e permitindo que as informações armazenadas estejam disponiveis em qualquer parte da estrutura empresarial, a qualquer momento e em quaisquer estações de trabalho interligadas. Este processo de integração, ainda, proporciona ao usuário diminuição das intervenções de manutenção de equipamentos, diminuição de prejuizos com perdas de matéria-prima, bem como diminuição nas perdas com lucro cessante.
[0007] Ademais, o dispositivo de controle e sensoriamento de torque da presente invenção pode ser incorporado a qualquer equipamento em que o torque aplicado a uma carga posicionada ou movimentada possa ser utilizada para controle e monitoramento da operação de um sistema rotativo, tais como: atuadores, redutores, motores, ventiladores e compressores favorecendo aplicações antes não possiveis pela ausência das informações de torque em tempo real.
[0008] Ainda, o dispositivo e método de controle e sensoriamento de torque da presente invenção proporciona uma melhoria nos diagnósticos e registros realizados em operações de uma empresa, tal como a diminuição no tempo gasto em paradas não programadas.
[0009] Como exemplo de dispositivos e método para controle de torque existentes, o pedido de patente de invenção brasileiro PI 0621440-1, depositado em 03 de março de 2006, por Flowserve Management Company, e intitulado: "MÉTODO E DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE CARGA", refere-se a um dispositivo para uma medição de carga axial sobre um dispositivo de controle mecânico que tem um eixo rotativo que pode ser utilizado para derivar uma medição de torque. Um dispositivo de controle mecânico pode compreender um atuador de válvula para os dispositivos de controle de fluxo de fluido. O dispositivo de medição de carga pode incluir uma travessa operativamente conectada a um eixo rotativo e configurada para deformar sob um deslocamento axial do eixo. Um sensor pode estar acoplado com pelo menos uma travessa e configurado para produzir um sinal de saída relativo ao deslocamento axial do eixo. A travessa pode estar retida entre dois rolamentos do eixo rotativo em uma primeira extremidade, e fixada no alojamento do dispositivo de controle mecânico em uma segunda extremidade. A primeira extremidade da travessa pode deslocar axialmente com o eixo rotativo. A travessa pode compreender um segmento discreto de uma largura e espessura uniformes.
[00010] O pedido de patente norte-americano US 2011/0193003, depositado em 13 de abril de 2009, por Oval Corporation, e intitulado: "TORQUE LIMITER AND VALVE ACTUATOR", descreve um controlador de torque que pode detectar torque da abertura e do fechamento de uma válvula e em que diferentes valores de torque para a abertura e o fechamento de válvula podem ser ajustados. O controlador de torque é provido com um braço de torque tendo uma seção de conexão que é conectada a uma engrenagem lateral de acionamento e uma engrenagem intermediária e também tem uma seção de braço projetando a partir da seção de conexão; uma porção de mola lateral aberta e um meio de mola lateral de fechamento que aplica a força da mola equilibrando com a ação da força, na proporção para o torque de uma carga na operação de abertura e fechamento da válvula, na direção de uma linha tangente no ponto de malha da engrenagem intermediária; um comutador de detecção de torque lateral aberto e um comutador de detecção de torque lateral fechado que são, quando o torque de uma carga na operação de abertura e fechamento da válvula excede um valor predeterminado, operados pela seção de braço; e um eixo limitador de torque que passa através da porção de mola lateral de abertura e fechamento. 0 eixo limitador de torque é adaptado tal que a força da mola de cada porção de mola lateral de abertura e fechamento pode ser ajustada a partir de um eixo limitador de torque.
[00011] O pedido de patente de invenção brasileiro PI 0802440-5, depositado em 24 de julho de 2008, por Magneti Marelli Powertrain, e intitulado: "MÉTODO DE CONTROLE DE TORQUE DE UM VEÍCULO DE ESTRADA", descreve um método de controle do torque de um veiculo de estrada compreendendo um sistema de transmissão munido de um motor e uma transmissão, que transmite o torque gerado pelo motor à superficie da estrada; o método contemplando as etapas de: determinar o torque-alvo; modelar o sistema de transmissão como um único componente fisico que apresenta uma característica de inércia mecânica e uma elasticidade torcional característica; determinar o torque de carga atual do veiculo; determinar a torsão-alvo do sistema de transmissão de acordo com o torque-alvo e o torque de carga atual; determinar a torção atual do sistema de transmissão e a velocidade de torção atual do sistema de transmissão; determinar o torque solicitado com base no equilibrio de energia de acordo com a torção- alvo, a torção atual, a velocidade de torção atual e o torque de carga atual; e realizar o torque solicitado (Te-EC) com base no equilibrio de energia para controlar a geração de torque do motor.
[00012] O pedido de patente de invenção brasileiro PI 0805170-4, depositado em 04 de dezembro de 2008, por Deere &Company, e intitulado: "DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE TORQUE ASSOCIADO COM UM VEÍCULO DE CONTATO COM SOLO MOTORIZADO, VEÍCULO DE CONTATO COM SOLO, E, MÉTODO DE MEDIÇÃO DE TORQUE", descreve um dispositivo de medição de torque associado com um dispositivo de encaixe no terreno motorizado que tem um dispositivo de suprimento de potência e uma carga. O dispositivo de medição de torque inclui um eixo rotativo, uma primeira característica detectável, uma segunda característica detectável, uma pluralidade de sensores e um controlador elétrico. O eixo rotativo tem um eixo geométrico longitudinal, uma primeira extremidade e uma segunda extremidade. A primeira extremidade é conectada no dispositivo de suprimento de potência e a segunda extremidade é conectada na carga. As primeira e segunda características detectáveis são respectivamente associadas com uma primeira posição longitudinal e uma segunda posição longitudinal no eixo. A pluralidade de sensores inclui um primeiro sensor e um segundo sensor. O primeiro sensor fica próximo da primeira característica detectável e o segundo sensor fica próximo da segunda característica detectável. 0 primeiro sensor produz um primeiro sinal e o segundo sensor produz um segundo sinal à medida que o eixo rotativo gira em tomo do eixo geométrico longitudinal. 0 controlador elétrico amostra o primeiro sinal e o segundo sinal a uma taxa de amostragem. 0 primeiro sinal tem uma primeira frequência e a taxa de amostragem é menor que o dobro da primeira frequência. 0 controlador elétrico computa uma medição de torque representativa do torque no eixo rotativo utilizando o primeiro sinal e o segundo sinal.
[00013] Como pode ser observado, nenhum documento do estado da técnica descreve ou sugere um dispositivo ou método para controle e sensoriamento de torque que atua no eixo motriz de equipamentos com eixos rotativos em tempo real, que possibilite a disponibilização das informações de torque através de um exibidor ou rede de comunicação de forma dinâmica e que apresente as mesmas características do sistema da presente invenção.
[00014] Para solucionar os problemas acima mencionados, a presente invenção propiciará vantagens significativas em relação aos dispositivos e métodos para controle e sensoriamento de torque que atuam no eixo motriz possibilitando a disponibilização de informações de torque através de um exibidor ou rede de comunicação de forma dinâmica em tempo real.
[00015] É um objetivo da presente invenção proporcionar um dispositivo para controle e sensoriamento de torque em tempo real compreendendo: - um elemento transmissor de torque compreendendo duas engrenagens concêntricas, em que a engrenagem externa (2) é montada sobre a engrenagem interna (3), e em que as duas engrenagem são acopladas por elementos elásticos (4); sendo que a engrenagem interna do elemento transmissor de torque é conectado a um eixo de saida de torque (1); - uma entrada de torque (11) acoplada na parte traseira da referida engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque; - um sensor magnético inteligente que mede o deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento de transmissor de torque, sendo que o sensor magnético inteligente compreende uma placa eletrônica controladora (7) embarcada na engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque, - um elemento sensor magnético localizado na referida placa eletrônica controladora (7) e um elemento gerador magnético embarcado na engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - um transformador móvel (10) localizado no eixo de saida (1); e - um transformador fixo (12) localizado na parte não móvel do elemento de transmissão de torque.
[00016] Ainda, é um objetivo da presente invenção proporcionar um método para controle e sensoriamento de torque em tempo real compreendendo as seguintes etapas: - transmissão do torque a partir dos elementos elásticos para a engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - posicionamento do elemento sensor magnético para medição de um deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna e externa do elemento transmissor de torque; - medição do deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna e externa do elemento transmissor de torque; - cálculo do torque pelo circuito microprocessado na placa eletrônica controladora com base no valor do deslocamento relativo medido pelo elemento sensor magnético; e - transmissão do torque calculado através de um acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel e o transformador fixo.
[00017] A estrutura e operação da presente invenção, juntamente com vantagens adicionais da mesma poderão ser melhor entendidas mediante referência ao desenho em anexo e à seguinte descrição:
[00018] A figura 1 mostra o dispositivo de controle e sensoriamento de torque da presente invenção.
[00019] Embora a presente invenção possa ser suscetível a diferentes modalidades, é mostrada nos desenhos e na seguinte discussão detalhada, uma modalidade preferida com o entendimento de que a presente descrição deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da invenção e não pretende limitar a presente invenção ao que foi ilustrado e descrito aqui.
[00020] A principal abordagem dessa invenção está relacionada a um dispositivo e método para controle e sensoriamento de um torque em tempo real que atua em um eixo motriz, baseado na medição do deslocamento existente entre duas engrenagens de um elemento transmissor de torque a partir da incorporação de um sensor magnético inteligente embarcado no mesmo.
[00021] Em uma modalidade preferencial, a presente invenção proporciona um dispositivo para controle e sensoriamento em tempo real de torque compreendendo: - um elemento transmissor de torque compreendendo duas engrenagens concêntricas, em que a engrenagem externa (2) é montada sobre a engrenagem interna (3), e em que as duas engrenagem são acopladas por elementos elásticos (4); sendo que os elementos elásticos (4) transmitem o torque para a engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque, sendo que a engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque é conectado a um eixo de saida de torque (1); - uma entrada de torque (11) acoplada na parte traseira da referida engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque; - um sensor magnético inteligente que mede o deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento de transmissor de torque, sendo que o sensor magnético inteligente compreende uma placa eletrônica controladora (7) embarcada na engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque, - um elemento sensor magnético localizado na referida placa eletrônica controladora (7) e um elemento gerador magnético embarcado na engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - um transformador móvel (10) localizado no eixo de saida (1); e - um transformador fixo (12) localizado na parte não móvel do elemento de transmissão de torque.
[00022] Ainda, em uma modalidade preferencial, a presente invenção proporciona um método para controle e sensoriamento de torque em tempo real compreendendo as seguintes etapas: - transmissão do torque a partir dos elementos elásticos para a engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - posicionamento do elemento sensor magnético para medição de um deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque; - medição do deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque; - cálculo do torque pelo circuito microprocessado da placa eletrônica controladora (7) com base no valor do deslocamento relativo medido pelo elemento sensor magnético; e - transmissão do torque calculado através de um acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel (10) e o transformador fixo (12).
[00023] A figura 1 mostra o dispositivo de controle e sensoriamento de torque da presente invenção.
[00024] Conforme mostrado na figura 1, o elemento concêntricas de modo que a engrenagem externa (2) é montada sobre a engrenagem interna (3) e o acoplamento das mesmas ocorre através de elementos elásticos (4).
[00025] Além disso, o dispositivo de controle e sensoriamento de torque compreende uma entrada de torque (11) acoplada na parte traseira da engrenagem externa (2) do referido elemento transmissor de torque.
[00026] Os referidos elementos elásticos (4) podem ser um conjunto de molas que tem como objetivo manter as duas engrenagens (2, 3) acopladas e, também, agir como elementos sensores.
[00027] Os elementos elásticos (4) transmitem o torque para a porção interna do elemento transmissor de torque (3), sendo que a porção interna do elemento transmissor de torque está conectado ao eixo de saida de torque (1).
[00028] À medida que a demanda de torque varia, ocorre um deslocamento relativo entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque, sendo que o referido deslocamento relativo é diretamente proporcional ao torque aplicado.
[00029] A medição do deslocamento relativo é feito através de um sensor magnético inteligente, sendo que o referido sensor magnético inteligente compreende uma placa eletrônica controladora, um elemento sensor magnético e um elemento gerador magnético (5). 0 referido elemento sensor magnético é localizado na placa eletrônica controladora (7) que é embarcada na parte externa do elemento transmissor de torque. 0 elemento gerador magnético (5) é embarcado na engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque (3) .
[00030] O referido elemento sensor magnético é posicionado de forma que, na ausência de deslocamento entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque, o campo magnético resultante no mesmo seja nulo. Caso haja deslocamento, o campo magnético resultante variará e o elemento sensor magnético medirá a referida variação.
[00031] Um circuito microprocessado localizado na placa eletrônica controladora (7) calcula o torque com base no valor do campo magnético medido e o transmite através de um acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel (10) localizado no eixo de saida (1) e o transformador fixo (12) localizado na parte não móvel do elemento de transmissão de torque.
[00032] A potência necessária para alimentar a placa eletrônica controladora (7) também é recebida através do acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel (10) e o transformador fixo (12).
[00033] Dessa forma, embora tenha sido mostrada apenas uma modalidade da presente invenção, será entendido que várias omissões, substituições e alterações podem ser feitas por um técnico versado no assunto, sem se afastar do espirito e escopo da presente invenção. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos somente como ilustrativas e não restritivas.
[00034] É expressamente previsto que todas as combinações dos elementos que desempenham a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de uma modalidade descrita para outra são também totalmente pretendidas e contempladas.
[00035] Também é preciso entender que os desenhos não estão necessariamente em escala, mas que eles são apenas de natureza conceituai. A intenção é, portanto, ser limitada, tal como indicado pelo escopo das reivindicações anexas.
Claims (9)
1. Dispositivo para controle e sensoriamento de torque em tempo real caracterizado pelo fato de compreender: - um elemento transmissor de torque compreendendo duas engrenagens concêntricas, em que a engrenagem externa (2) é montada sobre a engrenagem interna (3), e em que as duas engrenagem são acopladas por elementos elásticos (4); sendo que a engrenagem interna do elemento transmissor de torque é conectado a um eixo de saida de torque (1); - uma entrada de torque (11) acoplada na parte traseira da referida engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque; - um sensor magnético inteligente que mede o deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento de transmissor de torque, sendo que o sensor magnético inteligente compreende uma placa eletrônica controladora (7) embarcada na engrenagem externa (2) do elemento transmissor de torque, - um elemento sensor magnético localizado na referida placa eletrônica controladora (7) e um elemento gerador magnético embarcado na engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - um transformador móvel (10) localizado no eixo de saida (1); e - um transformador fixo (12) localizado na parte não móvel do elemento de transmissão de torque.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos elementos elásticos (4) compreendem um conjunto de molas.
3. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o conjunto de molas mantêm as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque acopladas.
4. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a potência necessária para alimentar a placa eletrônica controladora (7) é recebida através do acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel (10) e o transformador fixo (12).
5. Método para controle e sensoriamento de torque em tempo real caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: - transmissão do torque a partir dos elementos elásticos para a engrenagem interna (3) do elemento transmissor de torque; - posicionamento do elemento sensor magnético para medição de um deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque; - medição do deslocamento relativo que ocorre entre as engrenagens interna (3) e externa (2) do elemento transmissor de torque; - cálculo do torque pelo circuito microprocessado da placa eletrônica controladora (7) com base no valor do deslocamento relativo medido pelo elemento sensor; e - transmissão do torque calculado através de um acoplamento magnético localizado entre o transformador móvel (10) e o transformador fixo (12).
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o referido deslocamento relativo é diretamente proporcional ao torque aplicado.
7. Método, de acordo com as reivindicações 5 e 6, caracterizado pelo fato de que o elemento sensor magnético é posicionado de forma que na ausência de deslocamento relativo entre as engrenagens interna (3) e externa (3) do elemento transmissor de toque, o campo magnético resultante é nulo.
8. Método, de acordo com as reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que a medida que o campo magnético resultante varia, o elemento sensor magnético mede a referida variação.
9. Método, de acordo com as reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de que as medições de deslocamento relativo realizadas pelo referido elemento sensor magnético terão seus sinais digitalizados, processados e disponibilizados por um sistema de comunicação embarcado em malha fechada.
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