BR112014005753B1 - válvula eletromagnética - Google Patents

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Wladyslaw Wygnanski
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Robert David Prescott
Leon Michael Henderson
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Haldex Brake Products Ltd
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Abstract

FLEXOR ELETROMAGNÉTICO Trata-se uma válvula eletromagnética que compreende um acoplador (1 O); um ímã (30a, 30b) tendo pedaços de polo (50a, 50b) definindo um espaço; um con5 junto de flexor (40) tendo uma extremidade acoplada ao acoplador, tal que parte do conjunto de flexor se estenda para o espaço, o conjunto de flexor tendo ao menos uma parte resiliente formada de um material resiliente e ao menos uma parte magnetizável, onde essa parte do conjunto de flexor que se estende para o espaço é móvel entre os pedaços de polo através de uma posição intermediária em direção a O qual ele é resilientemente inclinado de modo que uma força mecânica resiliente é gerada ao flexionar a parte resiliente a partir de uma posição não detectada; e dispositivo (20) para polarizar a parte magnetizável do conjunto de flexor de modo que a parte do conjunto de flexor que é móvel entre os pedaços de polo é atraída em direção a um pedaço de polo por uma força magnética, definindo assim um estado de válvula; onde a parte magnetizável e a parte resiliente do conjunto de flexor são configuradas de modo que a força magnética definindo o estado de válvula é maior do que (...).

Description

Campo da Invenção
[001]A presente invenção refere-se geralmente a dispositivos operados eletromagneticamente, ou acionadores do tipo que usa um campo magnético para mover uma armadura ou flexão de uma posição para a outra. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a flexão para um valor binário acionado adequado para aplicações, tal como o controle do fluxo de fluido.
Fundamentos da Invenção
[002] Há muitos tipos de dispositivos ou acionadores operados eletromagneticamente que são usados atualmente para controlar os contatos do comutador e fornecer uma funcionalidade aberta, fechada ou de comutação. Exemplos típicos de tais dispositivos incluem aqueles que usam o movimento de flexão ou cantiléver para abrir e/ou fechar as válvulas que controlam um fluxo de fluido. Muitas tais válvulas exigem uma corrente elétrica contínua para manter a armadura em uma posição ou na outra. Isso consome energia e pode produzir calor indesejado. Para evitar o uso de um fluxo contínuo de corrente elétrica, foram desenvolvidas válvulas binárias acionadas tal como o tipo descrito na Patente US. 6.935.373.
[003]As válvulas binárias existentes do tipo descrito em US 6.935.373 operam de forma biestável ou em um estado totalmente aberto ou em um estado totalmente fechado, usando ímãs permanentes para manter a válvula em cada estado. Para mudar o estado da válvula, um único pulso elétrico curto é enviado à bobina para reduzir, remover ou inverter a força magnética atrativa, fazendo com que a válvula comute os estados com o auxílio de uma mola mecânica. Tal válvula pode ser controlada usando um sinal de lógico transistor-transistor (TTL) de modulação com largura de pulso (PWM), com um circuito de detecção de borda que envia pulsos de acionamento à bobina em resposta às bordas do sinal PWM.
[004] Em muitas aplicações, é desejável ter válvulas que possam passar grandes taxas de fluxo e comutar com curtos atrasos de tempo apesar de altos diferenciais de pressão através da vedação. Tal aplicação é o controle pneumático de freios de caminhão. Nesta aplicação, deseja-se que as válvulas tenham diâmetros de orifício eficazes até 9 mm e tempos de comutação de 3 ms. Ademais, as pressões diferenciais através da válvula podem ser de até 1250 kPa (12,5 bar). Essa combinação de parâmetros de desempenho não é alcançada com tecnologias de válvula convencionais, que tendem a ter tempos de comutação maiores do que 15 ms.
[005]As típicas válvulas binárias existentes, tal como a mostrada na FIG. 1, alcançam tempos de comutação menores do que 4 ms com uma pressão diferencial de 900 kPa (9 bar), mas somente para orifícios eficazes com diâmetros menores do que 3,5 mm. Tal desempenho é suficiente em aplicações onde os pequenos e rápidos ajustes de pressão são exigidos. Entretanto, muitas aplicações exigem pressões, taxas de fluxo e velocidades de comutação mais altas.
[006]A válvula, de acordo com a presente invenção, foi desenvolvida para superar as limitações das válvulas binárias anteriores, de tal forma que ela alcançasse especificações adequadas para o acionamento de freio pneumático, quando colocado diretamente na câmara de freio. Isso exige mudanças de pressão na câmara maiores do que 50 kPa (0,5 bar) em 12,5 Hz com uma pressão de fornecimento de 1250 kPa (12,5 bar).
[007] De acordo com a presente invenção, é fornecida uma válvula eletromagnética que compreende: um acoplador; um ímã tendo pedaços de polo definindo um espaço; um conjunto de flexão tendo uma extremidade acoplada ao acoplador, tal que parte do conjunto de flexão se estenda para o espaço, o conjunto de flexão tendo ao menos uma parte resiliente formada de um material resiliente e ao menos uma parte magnetizável, onde essa parte do conjunto de flexão que se estende para o espaço é móvel entre os pedaços de polo através de uma posição intermediária em direção a qual ele é resilientemente inclinado de modo que uma força mecânica resiliente é gerada ao flexionar a parte resiliente a partir de uma posição não detectada; e dispositivo para polarizar a parte magnetizável do conjunto de flexão de modo que a parte do conjunto de flexão que é móvel entre os pedaços de polo é atraída em direção a um pedaço de polo por uma força magnética, definindo assim um estado de válvula; onde a parte magnetizável e a parte resiliente do conjunto de flexão são configuradas de modo que a força magnética definindo o estado de válvula é maior do que a força mecânica resiliente; onde a parte magnetizável do conjunto de flexão compreende elementos de material magnetizável, onde cada elemento compreende regiões de permeabilidade reduzida separando os elementos da parte resiliente, e onde os elementos de material magnetizável não contribuem significativamente para a força mecânica resiliente.
[008]O modelo do conjunto de flexão para uma válvula binária envolve uma compensação entre várias variáveis. De modo a manipular alta pressão, a rigidez do conjunto de flexão precisa ser alta. Embora a elevação da rigidez também aumente a velocidade de resposta da válvula, um conjunto de flexão rígido experimenta estresses maiores na raiz do cantiléver. Em adição, a força magnética atrativa, ou “força de tração” precisa superar a rigidez à flexão à medida que o conjunto de flexão se aproxima de sua parada final durante a comutação da válvula. Isso exige que um grande fluxo magnético flua através do conjunto de flexão, implicando em uma grande área transversal.
[009]Os conjuntos de flexãoes normais para válvulas binárias tendem a ter seções transversais retangulares, e são projetados para equilibrar as exigências conflitantes mencionadas no parágrafo anterior. Entretanto, eles podem passar somente um fluxo magnético limitado, reduzindo a pressão de comutação máxima. Ao incluir uma parte magnetizável e a parte resiliente definidas acima, a presente invenção separa exclusivamente a funcionalidade magnética de flexão da funcionalidade mecânica, criando mais tolerância no processo de modelo e permitindo que níveis mais altos de desempenho sejam alcançados.
[010] Em modalidades preferenciais, a parte magnetizável compreende elementos de material magnetizável, por exemplo, ‘dedos’, tal que ao menos uma extremidade de cada elemento compreende regiões de permeabilidade reduzida separando os elementos da parte resiliente. Esses elementos de material magnetizável podem ou não ser partes separadas da parte resiliente. A separação dos elementos de material magnetizável permite que o conjunto de flexão se curve sem a interferência dos elementos, mas também permite que o fluxo magnético flua ao longo dos elementos e através de pequenas regiões de permeabilidade reduzida em uma ou mais extremidades dos elementos.
[011]O conjunto de flexão pode consistir de uma única parte como mostrado, por exemplo, nas FIGs. 10a e 10b descritas abaixo. Exemplos de conjuntos de flexão consistindo de mais partes serão dados, por exemplo, nas FIGs. 10c e 10d descritas abaixo. Em seguida, os termos ‘flexão’ e ‘conjunto de flexão’ são usados de forma intercambiável.
Breve Descrição dos Desenhos
[012]Os exemplos de dispositivos, de acordo com a presente invenção, serão descritos agora com relação aos desenhos em anexo, nos quais:
[013]As FIGs. 1A e 1B mostram respectivamente um esquema de uma válvula binária acionada com um orifício de diâmetro de 1,75 mm, e um diagrama sobreposto do modelo de circuito magnético relevante.
[014]As FIGs. 2A a 2D mostram quatro estágios gerais que podem ser identificados durante a comutação de uma válvula binária acionada.
[015]A FIG. 3 mostra uma válvula binária acionada, de acordo com a presente invenção.
[016]A FIG. 4 lista as especificações preferenciais de uma válvula de freio pneumático de alto desempenho, de acordo com a presente invenção.
[017]A FIG. 5 é um desenho esquemático de uma flexão em uma válvula  binária.
[018]A FIG. 6 mostra esquematicamente uma configuração de válvula para freios pneumáticos.
[019]A FIG. 7 mostra uma curva B-H para aço laminado a frio.
[020]A FIG. 8 é um gráfico que mostra a pressão de comutação máxima para diferentes configurações de bobina durante os testes estáticos.
[021]A FIG. 9 é um gráfico que mostra a pressão de comutação máxima para diferentes espessuras de flexão e configurações de bobina durante os testes estáticos.
[022]A FIG. 10 mostra os modelos de flexão alternativos que podem ser usados em uma válvula de acordo com a presente invenção.
[023]A FIG. 11A mostra uma vista em perspectiva de um modelo de flexão recortado.
[024]A FIG. 11B mostra uma vista frontal de um modelo de flexão recortado, incluindo uma vista frontal dos polos de flexão.
[025]A FIG. 12 é um gráfico que mostra a pressão de comutação máxima para diferentes configurações de flexão e bobina durante os testes estáticos.
[026]A FIG. 13 mostra um número de outros modelos de flexão possíveis que podem ser usados em uma válvula, de acordo com a presente invenção.
[027]A FIG. 14 mostra um possível modelo adicional de acordo com a invenção.
[028]A FIG. 15 é outro gráfico que mostra a pressão de comutação máxima para diferentes configurações de flexão e bobina durante os testes estáticos.
Descrição Detalhada da Invenção
[029]A FIG. 1 mostra um válvula binária acionada existente compreendendo um quadro de aço 1, uma bobina 2 e os fortes ímãs permanentes 3. A única parte móvel da válvula é a flexão 4, o qual é um cantiléver que é mantido biestavelmente contra qualquer um dos dois polos 5a; 5b via os ímãs permanentes 3. O quadro de aço transfere o fluxo magnético dos ímãs permanentes 3 para os polos 5a; 5b.  Alternativamente, os ímãs permanentes 3 podem ser colocados em série com os polos 5a; 5b.
[030]Quando a flexão 4 é mantida contra o polo inferior 5b, ela bloqueia um orifício 6 e a válvula é então fechada. O diâmetro do orifício 6 nessa válvula existente é de 1,75 mm. Quando a flexão 4 é mantida contra o polo superior 5a, a válvula é totalmente aberta. Para fazer com que a flexão comute de estados, um breve pulso elétrico é enviado à bobina 2 para reduzir, remover ou inverter a força magnética atrativa que, combinada com a rigidez mecânica de flexão 4, puxa a flexão 4 para o estado oposto. A flexão 4 armazena alguma energia cinética que seria normalmente perdida em uma válvula solenoide convencional, convertendo a energia cinética em energia potencial à medida que a flexão 4 alcança o polo oposto 5a ou 5b. Isso também suaviza o assentamento da flexão 4, aumentando a vida útil do hardware.
[031]A FIG. 2 representa esquematicamente quatro estágios gerais que podem ser identificados durante a comutação de uma válvula binária acionada: Tração de flexão para sua base; Vedação; Liberação de flexão a partir de sua base; e Comutação de flexão.
[032]Os quatro estágios são descritos em mais detalhes abaixo. Assume-se que a válvula é submersa em um reservatório de alta pressão (não mostrado), e que um reservatório de baixa pressão (também não mostrado) é acoplado a seu orifício 6. Então, a força de pressão tende a ajudar a vedar a válvula uma vez que ela é fechada. Nota-se, entretanto, que é possível configurar a válvula de tal forma que a força de pressão tenda a abrir a dita válvula ao invés de tender a fechá-la. A) O primeiro estágio de comutação da válvula é mostrado na FIG. 2A. Uma força magnética Fm, se opõe a uma força de flexão elástica, Fr, para tracionar a flexão para sua base. Considerando uma flexão de seção transversal retangular, Ff pode ser aproximado por:
Figure img0001
Onde δ é a deflexão em cantiléver de seu ponto neutro no centro de seu arremesso, Ef é o Módulo de Young do material de flexão, bf é a largura de flexão, tf é sua espessura, e Lf é o comprimento em cantiléver da aplicação de força. A força magnética é simplificada frequentemente para:
Figure img0002
Onde Ba é a densidade de fluxo magnético no ar entre a flexão e os polos, Aa é a área característica da lacuna de ar, e μo é a permeabilidade do espaço livre, que é igual a 4π x 10-7 N/A2. B) O segundo estágio de comutação da válvula é mostrado na FIG. 2B. Uma vez que a flexão 4 toca o orifício 6, a força da pressão do ar, Fp, ajuda a força magnética na compressão da flexão contra a base, vedando o orifício. A força de pressão é dada por:
Figure img0003
Onde PH e PL são as pressões nos reservatórios de alta e baixa pressão, respectivamente, e do é o diâmetro eficaz do orifício. C) O terceiro estágio de comutação de válvula é mostrado na FIG. 2C. Uma bobina solenoide tem que ser acionada para modificar a força magnética suficientemente tal que FP + Fm < Ft + Fc, onde Fc é a “força da bobina”, que é usada como uma força ilustrativa neste ponto na explicação. Preferencialmente, a bobina acionada nega completamente a força magnética, permitindo que toda a força de flexão supere a força de pressão. A influência da bobina pode ser descrita aproximadamente por:
Figure img0004
onde Nc é o número de voltas da bobina, ic é a corrente C (indicada por setas) na bobina, e f(δ) representa uma função da posição de flexão. D) O estágio final de comutação da válvula é mostrado na FIG. 2D. Assume- se que uma vez que o flexão 4 é levantado a partir do orifício, um equilíbrio de pressão ocorre tal que não haja força de pressão na flexão. Em adição, assume-se  que a força de tração a partir dos ímãs é completamente eliminada pela influência da bobina. Nesse caso, o movimento de flexão é dominado pela livre vibração em sua frequência de ressonância fundamental, fn, que para um cantiléver retangular é dado
Figure img0005
onde pf é a densidade do material de flexão. Sabe-se que o movimento real de flexão é influenciado pelos desequilíbrios entre as forças da bobina e magnética, pelos efeitos de segunda ordem da pressão e pela variação da geometria de flexão.
[033] Uma modalidade de uma válvula binária, de acordo com a presente invenção, (exceto para a flexão) é mostrada na FIG. 3. Um resumo das especificações preferenciais para a válvula binária acionada, de acordo com a presente invenção, é dado na tabela da FIG. 4. A razão por trás dessas especificações é explicada em mais detalhes abaixo. Aprecia-se que os parâmetros dados na FIG. 4 representam os valores otimizados determinados pelos inventores, e que a presente invenção não está restrita aos parâmetros nominais dados neste exemplo.
[034]O diâmetro mínimo para uma válvula binária acionada para um sistema ABS pneumático, de acordo com a presente invenção, é de 8 mm, com um diâmetro preferencial de 9 mm. Tais diâmetros são grandes o bastante para passar os fluxos de ar que são suficientes para rastrear as variações de pressão de demanda durante uma parada controlada no deslizamento em uma superfície rugosa.
[035]As típicas frequências do salto da carroceria e do bloqueio da roda para veículos pesados tendem a estar na faixa de 3 Hz e 12,5 Hz, respectivamente. A exigência de frequência PWM pode ser determinada com base no teorema de amostragem de Nyquist conhecida na Técnica. Com esse teorema, assume-se um fator de segurança de 2, exige-se que a frequência PWM das válvulas pneumáticas seja de 50 Hz de modo a seguir as demandas de pressão oscilante para rejeitar tanto o salto da carroceria quanto o bloqueio da roda.
[036]Os sistemas de freios pneumáticos existentes podem alcançar precisões de controle de pressão de 10-20 kPa (0,1-0,2 bar). Para melhorar isso, a precisão ideal para as novas válvulas é definida como 5 kPa (0,05 bar). É especificado ainda que essa precisão deveria ser alcançada dentro de um tempo de estabilização de 200 ms. Usando-se valores de ganho de ao menos 3, assume-se uma frequência PWM de 50 Hz, e restringindo-se a faixa de relação trabalho/repouso de alcançar no máximo 15%, uma válvula de acordo com a presente, teria que levar menos de 3 ms para mudar os estados. O movimento mecânico foi observado previamente para levar até a metade do tempo de comutação da válvula, e, visto que o movimento mecânico constitui a metade de um período de vibração livre, então o tempo de reação de 3 ms exigido da válvula indica que a flexão precisa ter uma frequência natural maior do que 1/(0,003 s) = 333 Hz.
[037]A válvula binária acionada, de acordo com a presente invenção, foi projetada para cumprir os critérios estabelecidos na FIG. 4 e descritos acima. Aprecia-se, entretanto, que a presente invenção não está limitada aos valores nominais, mas que esses valores são os valores preferenciais para esta aplicação da tecnologia de válvula.
[038]A FIG. 5 é um desenho esquemático de um flexão retangular “plano” 40 em uma válvula binária tendo um orifício 60 de 9 mm de diâmetro. Quando a flexão é flexionada, um cilindro de espaço 65 é criado entre o orifício 60 e a flexão 4. A área de superfície da lateral do cilindro precisa ser maior do que a área de superfície do orifício, de modo a não impedir o fluxo. Em outras palavras:
Figure img0006
onde h é a altura do cilindro.
[039]A válvula, de acordo com a presente invenção foi também projetada para ter uma vida útil teoricamente infinita, com base no limite de resistência de 40% da resistência final do material - . O estresse será maior na raiz da flexão, e é calculado para uma flexão retangular exemplificado 40 usando:
Figure img0007
[040]Voltando à FIG. 3, a válvula compreende um quadro em forma de C de aço macio, ou acoplador 10, que tem duas partes de modo que diferentes metais poderiam ser usados para a flexão 40 e o acoplador 10. Aprecia-se que o acoplador pode ter diferentes formas, algumas das quais são descritas abaixo. Entretanto, a válvula poderia ser feita também como uma peça única, múltiplas peças, ou variantes do número de peças mostradas na FIG. 3. Preferencialmente, o “gargalo” do acoplador 10 (a parte do acoplador entre a seção dentro da qual a flexão 40 é fixada e a seção que é conectada a um ímã e a um polo) é grande o bastante para impedir congestionamento do fluxo de fluido, e o amplo espaço está disponível em torno da flexão 40 por uma bobina solenoide 20. Ímãs fortes 30a; 30b, tal como ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB), são colocados próximos a polos de aço macio brilhante 50a; 50b. Entretanto, os ímãs poderiam ser colocados em localizações alternativas que estão em série com os polos 50a; 50b também, tal como na traseira da válvula ou nos gargalos da válvula.
[041] Preferencialmente, os polos 50a; 50b são cônicas para ‘focar’ o fluxo, aumentando assim a força magnética de retenção. Um orifício 60 pode ser alojado em tubos passantes não magnéticos 61 que são rosqueados e fixados por porcas de travamento 71 nos polos 50a; 50b para mantê-los contra os ímãs 30 e o acoplador 10. Um retentor 51 pode também ser usado de tal forma que a face plana de um ímã toroidal padrão com uma seção transversal retangular possa ser encaixada em um acoplador cuja face não é plana, facilitando os ajustes angulares do conjunto de polo, de tal forma que a flexão se assente em uma face do polo quando flexionada.
[042]Intuitivamente, poder-se-ia pensar que a resistência à flexão deveria ser direcionada ao seu máximo para alcançar Ff e fn máximos através das equações (1) e (5). Entretanto, isso elevaria o estresse da raiz do cantiléver, como ilustrado pela equação (7). Ademais, embora as equações (2) e (4) sugiram que o circuito magnético na válvula é independente da mecânica da válvula, essas equações são somente aproximações de primeira ordem. Na realidade, somente uma quantidade finita de permeabilidade magnética está disponível em um material, restringindo a quantidade de fluxo que pode ser transmitida pela flexão. Essa força magnética atrativa precisa superar a resistência à flexão durante o primeiro estágio de comutação da válvula, quando a flexão 40 flexiona para o polo oposto para fornecer a área de abertura apropriada, de acordo com a equação (6). Segue-se que a resistência à flexão precisa ser pequena o bastante para que a atração magnética limitada disponível mantenha a flexão contra qualquer polo.
[043]A flexão 40 na modalidade exemplificada de acordo com a presente invenção mostrada na FIG. 3 tem uma espessura de 1,4 mm e uma largura de 30 mm. Uma bobina 20 pode ser enrolada em torno da flexão 40 usando um formador de bobina plástica que caracteriza um corte interno grande o bastante para permitir o livre movimento de flexão 40 através de seu trajeto. Os anéis em O de borracha 80 podem ser usados para criar uma vedação entre a flexão 40 e os polos 50a; 50b. A modalidade exemplificada de uma válvula mostrada na FIG. 3 acomoda preferencialmente um anel em O 80 com ds = 1,6 mm, Ds = 12,1 mm, e uma compressão de até 0,24 mm. Entretanto, outros arranjos de vedação são possíveis, com a superfície flexível localizada na flexão 40, ou com a superfície flexível localizada em alguma distância do polo usando uma ligação conectada à flexão.
[044] Duas válvulas V, de acordo com a FIG. 3, foram fabricadas para o uso em um sistema de freio a ar experimental de acordo com o diagrama mostrado esquematicamente na FIG. 6. O sistema compreende um freio a disco DB e uma célula de carga LC. As setas indicam a direção do fluxo de ar fornecido por um compressor de ar AC, através de uma entrada I e uma saída O do sistema. As válvulas V foram usadas para controlar a pressão do compressor na entrada I e a pressão da câmara na saída O. As simulações de elemento finito sugeriram que a flexão 40 teria uma frequência natural de 575 Hz e um estresse na raiz do cantiléver de 497 Mpa, que é menor do que o limite de resistência do material do modelo. Em adição, as simulações sugeriram que a flexão 40 mantivesse uma força de 140 N. Tentativas foram feitas para observar a comutação da válvula sob uma pressão ascendente aplicada. Entretanto, concluiu-se que para uma flexão plana 40 feito de aço mola EN42, a pressão ascendente máxima sob a qual a válvula poderia ser comutada não foi de 1200 kPa (12 bar), mas sim de 300 kPa (3 bar). Em outras palavras, apesar de alcançar todas as exigências mecânicas, uma flexão plana convencional 40 feito de aço mola EN42 poderia não alcançar as exigências magnéticas para a válvula. Os materiais de aço inoxidável magnéticos também foram experimentados para a flexão, mas resultaram em pressões de comutação inferiores. Isso ocorreu apesar de a válvula ter força de retenção adequada e resistência à flexão quando testada.
[045]Considerando a força de retenção razoável e a resistência à flexão exibidas pela válvula, foi teorizado que a bobina não estava alterando a força de retenção magnética até que o que foi experimentado originalmente. Entretanto, isso não explicou qual aspecto do modelo magnético teria que ser modificado para melhorar a comutação. Para resolver o problema, uma otimização do modelo experimental da válvula foi executada em comum com uma análise teórica baseada na teoria de circuito magnético.
[046]O mecanismo por trás da magnetização dos materiais é bem conhecido na técnica. À medida que a resistência do campo magnético aplicado ao material é aumentada, pequenos domínios magnéticos dentro do material que inicialmente tem orientações aleatórias se tornam alinhados com o campo aplicado. Eventualmente, todos os domínios tornam-se alinhados com o campo aplicado. Nesse ponto, o material é saturado e responde como um espaço livre a qualquer aumento adicional na força do campo magnético aplicado. Visto que o núcleo é agora indistinguível do ar externo, a maior parte do fluxo magnético adicional vaza através do ar.
[047]O fenômeno de saturação é geralmente ilustrado através do uso de curvas B-H, que plotam a densidade de fluxo versus magnetização. A curva B-H usada na análise teórica da flexão é mostrada na FIG. 7. A permeabilidade relativa do material, μr, é a inclinação local da curva B-H em uma dada força do campo magnético, e fornece uma indicação de quanto fluxo pode ser passado através do material em um dado nível de magnetização. Assume-se geralmente na técnica que μr é um valor constante, com o valor obtido próximo da origem do gráfico B-H. Isso é aproximadamente válido em valores baixos de densidade de fluxo no material, mas não para valores altos da densidade de fluxo, onde a inclinação local é reduzida. As simulações da válvula indicaram que a flexão retangular mostrada na FIG. 3 estava saturado quando ele estava próximo dos polos.
[048]Vários parâmetros foram investigados para otimizar o fluxo através da válvula, mas somente a bobina e a flexão são descritas aqui por questão de simplificação, visto que mudar outros parâmetros não produziu resultados significativos. Um conjunto de testes foi executado para avaliar o desempenho de diferentes configurações de bobina. As configurações examinadas incluíram enrolar bobinas em série em torno da flexão, em torno dos polos, em torno do gargalo do acoplador, e combinações desses arranjos. Cada configuração foi testada para aumentar as correntes, capturando o efeito de aumentar a força magnetomotriz na força de retenção. Os resultados dos testes são mostrados na FIG. 8. As correntes foram derivadas da tensão inserida na bobina e da resistência da bobina, que foi medida antes e depois de cada teste.
[049] Duas tendências distintas são observadas nos resultados na FIG. 8: uma para as configurações que incluíram uma bobina enrolada em torno da flexão, e uma para as configurações que incluíram uma bobina enrolada em torno dos polos ou em linha com o ímã. Quando a bobina foi enrolada em torno da flexão, por exemplo, as curvas rotuladas como ‘300 voltas em torno da flexão somente’, pressões de comutação mais altas foram encontradas tipicamente em forças magnetomotrizes mais baixas comparadas a quando não há bobina em torno da flexão. Entretanto, enrolar a bobina em torno dos polos parece ter facilitado as pressões de comutação mais altas em forças magnetomotrizes mais altas, por exemplo, a curva rotulada como ‘300 voltas em torno da flexão somente’. Neste caso, uma saturação clara da pressão máxima ocorre para uma força magnetomotriz de aproximadamente 2500 Amperes-voltas.
[050]A simulação do circuito magnético sugeriu que enrolar a bobina em torno da flexão é o arranjo mais eficiente com relação ao redirecionamento do fluxo para facilitar uma mudança de estado da válvula. Isso ocorre porque enrolar a bobina em torno da flexão efetivamente causa curto-circuito no fluxo entre os dois ímãs permanentes. Mas, a FIG. 8 indica que a flexão satura em baixas forças magnetomotrizes com a bobina enrolada em torno dele (uma linha pontilhada é desenhada na FIG. 8 mostrando o ponto esperado de saturação para essas configurações de bobina). De acordo com a simulação de circuito magnético, enrolar a bobina em torno dos polos é menos eficiente do que enrolá-la em torno da flexão. Entretanto, com a bobina localizada em série com os ímãs permanentes, é postulado que a bobina é capaz de se contrapor ao fluxo gerado pelos ímãs diretamente. Consequentemente, o vazamento de fluxo é menor do que um fator e maior do que a energia da bobina que pode ser direcionada para superar os ímãs permanentes, explicando as pressões de comutação mais altas encontradas na FIG. 8 para as bobinas em série com os ímãs em forças magnetomotrizes mais altas. Alguma quantidade desse fluxo é direcionada ainda através da flexão, embora seja saturada eventualmente.
[051]Ao aumentar o MMF e mudar as localizações das bobinas, a pressão de comutação foi aumentada para 600 kPa (6 bar) do valor conseguido inicialmente de 300 kPa (3 bar). A pressão de comutação máxima de 600 kPa (6 bar) alcançada com a melhor configuração de bobina ainda estava bem abaixo da pressão de modelo ideal de 1200 kPa (12 bar). Ademais, a pressão de comutação foi alcançada para uma força magnetomotriz de 4500 A.t, que se traduz em uma corrente de 22,5 A para uma bobina de 200 voltas. Dado o diâmetro de 0,5 mm do fio usado, as correntes não poderiam ser elevadas muito mais para alcançar pressões de comutação mais altas sem derreter a bobina. As mudanças para outros parâmetros foram então investigadas para melhorar o desempenho da válvula. Essas investigações são descritas abaixo.
[052] Para aumentar a quantidade de fluxo que pode ser canalizado através da flexão, sua área transversal teria que ser aumentada. Em relação à equação (1), a resistência à flexão refere-se linearmente à sua largura e cubicamente à sua espessura. Segue-se que aumentar a largura da flexão teria um efeito muito menor na resistência do que aumentar a espessura. Esse efeito menor, por sua vez, minimizaria a quantidade de força magnética extra necessária para combater a resistência. Entretanto, a largura da flexão é mais do que 20 vezes a espessura na modalidade mostrada na FIG. 3. Consequentemente, aumentar a largura da flexão somente uma pequena quantidade para aumentar a área transversal teria um efeito significativo sobre o envelope físico da válvula quando comparada ao aumento na espessura. As flexões mais espessas aumentam o fluxo magnético, mas também aumentam a rigidez mecânica e, portanto, a força de retenção magnética necessária. A pesquisa foi então direcionada à invenção de uma flexão que seja efetivamente mais espessa em áreas estratégicas, separando substancialmente sua funcionalidade mecânica da funcionalidade magnética primária responsável por comutar a flexão de um estado para outro.
[053]A investigação foi executada através de uma flexão normal e acoplando- se ‘lascas’ de 1,1 mm de espessura de aço mole a ele usando uma fita. As lascas eram curtas o bastante para que e ficassem entre os polos e a traseira do acoplador, e a ligação era flexível o bastante para que as lascas não afetassem significativamente a resistência à flexão. Os testes avaliando a pressão de comutação máxima que foram descritos anteriormente foram então reexecutados com aproximadamente 15 A enviados para bobinas com 100 e 200 voltas enroladas em torno das novas configurações de flexão.
[054]Os resultados dos testes são plotados sobre os resultados dos testes para diferentes configurações de bobina na FIG. 9. Fica claro que a espessura da flexão entre os polos e a traseira do acoplador tiveram um efeito muito mais dramático na pressão de comutação máxima do que a otimização da configuração da bobina, com o aumento de pressão de 100% sobre as melhores bobinas. Um resultado peculiar é que aumentar a espessura da flexão no lado oposto do orifício teve um efeito maior que aumentar a espessura da flexão no mesmo lado do orifício. Isto é contraintuitivo, visto que o polo oposto está mais de 1 mm afastado da flexão, e esperar-se-ia que a maioria do fluxo tentasse trafegar através do polo adjacente para as lascas na flexão. Mas, o aumento da espessura do lado oposto do orifício traz as lascas para dentro da faixa de atração magnética do outro polo, encorajando a flexão a comutar para o outro estado.
[055] Novos arranjos de flexão foram projetados para ‘engrossar’ o flexão em um sentido magnético sem deixa-lo mais espesso em um sentido mecânico (isto é, sem deixa-lo mais rígido). Quatro tais modelos são mostrados na FIG. 10.
[056]O primeiro modelo, na FIG. 10A, envolve adicionar ‘dedos’ a flexão F1, de tal forma que a rigidez mecânica, que é predominantemente ditada pela espessura da flexão em sua bobina, permaneça similar ao modelo de flexão original. Os dedos são mostrados na FIG. 10A como sendo uma parte integrada à parte original, plana e retangular da flexão F1, mas eles também podem ser partes separadas acopladas à flexão, para simplificar a fabricação ou para permitir o uso de diferentes materiais. A seção básica do elemento de flexão central tem uma espessura de 1,30 mm e uma largura de 30 mm. Os dedos, nesta modalidade, têm cada um uma espessura de 1,075 mm, com uma lacuna de ar de 1 mm que separa os ditos dedos do corpo principal de flexão e uma pequena lacuna de ar (< 0,5 mm) separando os dedos da traseira do acoplador quando a flexão é flexionada. Como essa lacuna é pequena, ela pode ser cruzada ainda facilmente pelo fluxo magnético. A espessura dos dedos foi limitada pela necessidade de ajustar a válvula inteira nas câmaras de pressão previamente construídas. Aprecia-se que essas são dimensões exemplificadas desta modalidade da flexão e que as dimensões para outras modalidades deste modelo podem variar. As simulações FEA sugeriram que a força de deflexão da flexão seria de 120 N, quando tocando um orifício (diminuído de 150 N para a flexão plana completamente retangular), o estresse associado na raiz seria de 530 Mpa, e a frequência natural seria de 356 Hz. Embora a frequência natural fosse reduzida, ela estava ainda acima do mínimo de 333 Hz exigido pelas especificações mostradas na FIG. 4.
[057]O segundo modelo, mostrado na FIG. 10B, adiciona um chanfro à flexão S, tal que a flexão S ‘abrace’ um polo e direcione melhor o fluxo. Mais uma vez, os dedos e o chanfro são mostrados como sendo integrados à parte original plana da flexão da FIG. 10B, mas também podem ser feitos como partes separados acopladas à flexão. A espessura da seção fixada também foi reduzida para a do elemento da flexão central de espessura 1,30 mm. Visto que a válvula seria agora ajustada facilmente nas câmaras de pressão, os dedos foram engrossados para 2,1 mm cada um, retendo seu espaçamento original de 1 mm da elemento flexão central e espaçamento de 0,5 mm da traseira do acoplador quando flexionado. Aprecia-se que essas são dimensões exemplificadas desta modalidade da flexão e que as dimensões para outras modalidades deste modelo podem variar. A força de deflexão da flexão S foi predita como sendo de 120 N quando tocando o anel em O, enquanto o estresse na raiz e a frequência natural foram simulados para serem iguais a 432 Mpa e 550 Hz, respectivamente.
[058]O terceiro modelo, mostrado na FIG. 10C, desacopla os dedos F2 da flexão inteiramente. Neste modelo, os dedos de aço mole estáticos F2 de espessura 2,1 mm foram fixados entre a flexão e o acoplador, com os chanfros na extremidade dos dedos, de tal forma que eles abracem os polos. Aprecia-se que essas são dimensões exemplificadas desta modalidade da flexão e dos dedos, e que as dimensões para as outras modalidades deste modelo podem variar. Calços podem ser colocados entre a flexão e os dedos para separá-los, permitindo o livre movimento na raiz da flexão, afetando assim minimamente sua rigidez. Além disso, os dedos podem ser dobrados cuidadosamente, de tal forma que eles toquem muito pouco a flexão ao longo do seu comprimento, quando ele foi flexionado.
[059]O quarto modelo, mostrado na FIG. 10D, tem dedos adicionais orientados na direção oposta a das FIGs. 10A e 10B. Uma pequena lacuna de ar entre os dedos e a extremidade engrossada da flexão F3 permite o fluxo magnético, mas a rigidez mecânica está próxima a de uma flexão sem os dedos. Os dedos podem ser partes integradas da parte original plana da flexão, como mostrado na FIG. 10D, ou eles podem ser partes separadas acopladas à flexão.
[060] No segundo modelo mostrado na FIG. 10B, a flexão S com um chanfro pareceu o mais promissor a partir do ponto de vista teórico, visto que o chanfro forneceria uma grande quantidade de área onde o fluxo poderia ser transferido a partir de um polo de flexão. Segue-se que o que foi decidido para fabricar esse modelo enquanto executando preliminarmente os testes com o terceiro modelo. Uma representação detalhada do modelo com chanfro mostrado na FIG. 10B é mostrada na FIG. 11A (vista em perspectiva) e 11B (vista frontal). A vista frontal da FIG. 11B mostra a flexão S com chanfro colocada abaixo de um polo P1. O polo P1 é formado de uma parte, e é mostrado em vista de corte, de tal forma que o orifício possa ser visto. O material preferencial para a fabricação da flexão com chanfro pode ser o aço mola EN42, entretanto, outros materiais podem ser usados.
[061]Os testes de velocidade executados com a flexão com chanfro mostrado nas FIGs. 10B e 11 mostraram que a válvula levou 2,5 a 3 ms para comutar os estados. Os testes para determinar as pressões de comutação máximas foram executados tanto com a flexão S caracterizando um chanfro (FIG. 10B), quanto com o modelo caracterizando dedos F2 fixados entre a dita flexão e o acoplador (FIG. 10C). Os resultados estão plotados em cima dos resultados para diferentes configurações de bobina na FIG. 12.
[062]A FIG. 12 mostra que o modelo com os dedos fixados F2 aumentou a pressão de comutação em 430 kPa (4,3 bar) sobre a melhor configuração de bobina, enquanto a flexão S com chanfro teve desempenho ainda melhor, aumentando a pressão de comutação para 580 kPa (5,8 bar) sobre a melhor configuração de bobina. Estes resultados de teste confirmaram adicionalmente a prévia dedução de que o gradiente mais íngreme da pressão de comutação versus as curvas da força magnetomotriz ocorre quando não existe saturação da flexão. Embora a FIG. 12 mostre somente os resultados de teste para até 900 kPa (9 bar), é concebível que o modelo com pressão de 1200 kPa (12 bar), inicialmente especificada para a válvula, pudesse ser alcançado pela flexão S com chanfro com uma força magnetomotriz mais elevada.
[063]A válvula, de acordo com a presente invenção, pode ser usada em muitas aplicações exigindo rápida comutação para ligar e desligar o fluxo de um líquido ou gás. Estas aplicações incluem os freios a ar, os acionadores hidráulicos e pneumáticos, e outras aplicações onde a rápida comutação de um fluxo de fluido (e opcionalmente a modulação por largura de pulso) pode ser usada para controlar os sistemas mecânicos.
[064]A FIG. 13 mostra um número de possíveis modelos de flexão que podem ser usados, em adição àqueles mostrados na FIG. 10 e 11, em uma válvula, de acordo com a presente invenção. O modelo mostrado na FIG. 13G inclui lascas 100 de material magnético conectadas à flexão central, de tal forma que elas não restrinjam a dita flexão central de se curvar.
[065]A FIG. 14 mostra um modelo de flexão adicional, de acordo com a presente invenção. A FIG. 14C mostra uma vista de corte da flexão e o polo. A flexão Z tem uma parte fixa A, uma parte resiliente B, uma parte plana C e uma base D. Em adição, a flexão Z tem dedos E, e um acoplamento magnético aos ditos dedos F. Similar à FIG. 10D, os dedos E se projetam a partir da região fixa da flexão. Isso reduz a massa da parte móvel da flexão comparado com a flexão S, aumentando então sua frequência natural de acordo com equação (5). As partes dos dedos E adjacentes à parte fixa A da flexão são também fixas, e as partes dos dedos E adjacentes à parte resiliente B da flexão não são fixas. Todos os componentes A-E podem ser fabricados integradamente, mas podem também serem feitos como partes separadas acopladas entre si. Fazer os componentes A-E como partes separadas permitiria a consideração individual quanto à permeabilidade magnética, massa, resistência à corrosão, força e à facilidade de fabricação de cada uma das partes, bem como, a flexão como um todo.
[066] No modelo mostrado na FIG. 14, a parte plana e a base são separadas pelo elemento anular protuberante e. Esse elemento pode ser acoplado, ou formado integradamente com a parte plana ou a base. Ao menos um elemento protuberante e pode ser usado em qualquer lado da parte plana. Em adição, o polo P1 nesse modelo é formado de uma parte magnética G, e uma parte não magnética H. A parte não magnética H inclui outro elemento protuberante f, que pode ser anexado ou formado integradamente com a parte não magnética H do polo. O elemento protuberante f pode pressionar o elemento de borracha, criando uma vedação. Vantajosamente, o diâmetro dessa vedação seria somente no máximo o diâmetro de orifício, e consequentemente menor do que o diâmetro de uma vedação criada por um anel em O de borracha integrado ao polo (por exemplo, a FIG. 11B). A vedação de menor diâmetro reduziria a força de pressão de acordo com a equação (3), e como a FIG. 2 c mostra, uma força de pressão menor exigiria uma força magnetomotriz menor a partir da bobina para fazer com que a flexão comute de estados.
[067]A altura do elemento protuberante e na parte plana C da flexão pode ser dimensionada para fornecer alívio de estrese na vedação de borracha, limitando a quantidade do elemento protuberante f no polo que pressiona a borracha. A altura do elemento protuberante e na flexão pode ser usada para ajustar a lacuna de ar entre a parte plana C da flexão e a face do polo, quando a válvula está em um dado estado. Impedir o contato metal-metal entre a parte plana e a face do polo, incluindo uma pequena lacuna de ar, pode reduzir significativamente a força de retenção magnética, e então a força magnetomotriz exigida pela bobina para comutar os estados. Dever-se-ia citar que, nesta modalidade de válvula, o elemento protuberante e não cria um circuito magnético com a parte não magnética do polo H, quando eles se tocam.
[068]O elemento protuberante e pode incluir uma ou mais ‘fendas’ g, como mostrado na FIG. 14B, de modo a ventilar o ar no pequeno volume anular criado entre o elemento protuberante e na flexão e o elemento protuberante f no polo, quando a válvula está fechada.
[069]A espessura da parte plana D da flexão na FIG. 14 é dimensionada preferencialmente de tal forma que ela transporte o fluxo exigido sem saturação, e sem comprometer a massa e as propriedades dinâmicas do flexão. A espessura era de 3,5 mm nesta modalidade da flexão. A espessura da parte resiliente B da flexão é projetada para alcançar uma dada força mecânica resiliente, e era de 1,16 mm nesta modalidade da flexão. A espessura dos dedos E é projetada para impedir a saturação magnética da flexão, e era de 2,35 mm nesta modalidade da flexão. A espessura da parte fixa A da flexão é projetada para fornecer uma folga entre a parte resiliente principal B e os dedos E. Essa espessura era de 3,4 mm nesta modalidade da flexão. Aprecia-se que essas são dimensões exemplificadas desta modalidade da flexão e que as dimensões para outras modalidades deste modelo podem variar. Os valores adequados podem ser selecionados usando as equações (1-7).
[070] Em resumo, a flexão Z, na FIG. 14, tem um modelo de base aprimorado, benefícios a partir de material desnecessário sendo removidos, e é formada de múltiplas partes, o que resulta em uma fabricação aprimorada, tamanho e peso reduzidos, enquanto fornecendo uma força maior de retenção, mas uma corrente de comutação menor (força magnetomotriz). Esse modelo fornece desempenho de comutação substancialmente aprimorado.
[071]A FIG. 15 mostra os resultados do teste (pressão de comutação versus curvas de força magnetomotriz) para três tipos de flexões: a flexão Z mostrado na FIG. 14, uma flexão padrão ‘plana’ 40 e uma flexão com chanfro S1 (do tipo mostrado nas FIGs. 10B e 11). Pode-se ver a partir da FIG. 15 que, em uma força magnetomotriz de 700, a flexão Z aumentou a pressão de comutação em aproximadamente 1000 kPa (10 bar) comparado com a flexão com chanfro S e a flexão padrão ‘plana’ 40.
[072] Embora as FIGs. 10, 11, 13 e 14 forneçam uma amostra de possíveis formas de flexão que podem ser usadas, aprecia-se que as ditas flexões, de acordo com a presente invenção, não estão limitados às formas físicas mostradas nessas figuras.

Claims (18)

1. Válvula eletromagnética, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um acoplador (10); um ímã tendo pedaços de polo definindo um espaço; um conjunto de flexão (40) tendo uma extremidade acoplada ao acoplador, de modo que parte do conjunto de flexão se estenda para dentro do espaço, o conjunto de flexão tendo pelo menos uma parte resiliente formada de um material resiliente e pelo menos uma parte magnetizável, em que essa parte do conjunto de flexão que se estende para dentro do espaço é móvel entre os pedaços de polo através de uma posição intermediária em direção a qual ele é resilientemente inclinado de modo que uma força mecânica resiliente seja gerada ao deflexionar a parte resiliente a partir de uma posição não deflexionada; e dispositivo para polarizar a parte magnetizável do conjunto de flexão de modo que a parte do conjunto de flexão que é móvel entre os pedaços de polo seja atraída em direção a um pedaço de polo por uma força magnética, definindo assim um estado de válvula; em que a parte magnetizável e a parte resiliente do conjunto de flexão são configuradas de modo que a força magnética que define o estado de válvula seja maior do que a força mecânica resiliente; em que a parte magnetizável do conjunto de flexão compreende elementos de material magnetizável, em que cada elemento compreende regiões de permeabilidade reduzida separando os elementos da parte resiliente, e em que os elementos de material magnetizável não contribuem significativamente para a força mecânica resiliente.
2. Válvula eletromagnética, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que as regiões de permeabilidade reduzida estejam localizadas nas extremidades dos elementos de material magnetizável.
3. Válvula eletromagnética, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que os elementos de material magnetizável são acoplados à parte resiliente.
4. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que os elementos de material magnetizável se estendem a partir de uma extremidade do conjunto de flexão (40) oposta à extremidade do conjunto de flexão acoplada ao acoplador (10) e móvel entre os pedaços de polo, de modo que as regiões de permeabilidade reduzida estejam localizadas em extremidades opostas dos elementos de material magnetizável e separem os elementos do acoplador.
5. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que os elementos de material magnetizável se estendem a partir da extremidade do conjunto de flexão (40) acoplado ao acoplador (10) de modo que as regiões de permeabilidade reduzida separem os elementos de material magnetizável de uma extremidade do conjunto de flexão oposta à extremidade do conjunto de flexão que é acoplado ao acoplador e móvel entre os pedaços de polo.
6. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que a extremidade do conjunto de flexão principal (40) móvel entre os pedaços de polo é de maior espessura do que a parte resiliente.
7. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos um elemento resiliente é acoplado ou integradamente formado com a parte do conjunto de flexão móvel entre os pedaços de polo.
8. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que o elemento resiliente está contido dentro de pelo menos um elemento protuberante na parte magnetizável do conjunto de flexão que é móvel entre os pedaços de polo.
9. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que o elemento protuberante na parte magnetizável de flexão inclui pelo menos uma fenda.
10. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que um conjunto de pedaços de polo inclui um elemento protuberante que pode pressionar para dentro o elemento resiliente, criando uma vedação.
11. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que um pedaço de polo é feito de partes separadas que podem ou não ser de diferentes permeabilidades magnéticas.
12. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que o orifício é alojado em um tubo de passagem.
13. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que a parte magnetizável compreende um chanfro.
14. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que a parte magnetizável compreende pelo menos um elemento protuberante e em que pelo menos um pedaço de polo compreende pelo menos um recesso para receber pelo menos um elemento protuberante.
15. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que os elementos protuberantes na parte magnetizável móvel entre os pedaços de polo podem ser projetados para criar regiões de permeabilidade reduzida entre a parte magnetizável e os conjuntos de pedaço de polo.
16. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que os elementos protuberantes na parte magnetizável entre os pedaços de polo podem ser projetados para limitar a quantidade que o elemento protuberante no conjunto de pedaços de polo pressiona o elemento de borracha.
17. Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que o conjunto de flexão consiste de uma única parte.
(18) Válvula eletromagnética, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que o conjunto de flexão consiste de mais de uma parte.
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