BR112017022957B1 - Atuador eletromagnético - Google Patents

Abstract

ATUADOR ELETROMAGNÉTICO COM VARIAÇÃO DE DESEMPENHO REDUZIDA. Um atuador eletromagnético inclui um alojamento e uma bobina posicionados dentro do alojamento e presos em relação ao mesmo de modo a serem centralizados no mesmo, a bobina compreendendo uma bobina formada por um material não magnético. O atuador eletromagnético também inclui um espiral enrolado em torno da bobina e um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador posicionados dentro do alojamento e sobre ou adjacentes à bobina. Os componentes do atuador incluem um ímã permanente que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e uma armadura seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina responsiva à força magnética e à corrente fornecida seletivamente à bobina. A bobina localiza e centraliza os componentes do circuito magnético em torno do eixo central e fornece uma superfície de rolamento para a armadura à medida que se move dentro da abertura formada através da bobina.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0001] As modalidades da presente invenção se referem geralmente a atuadores eletromagnéticos e, mais particularmente, a um atuador eletromagnético com uma construção modular que fornece uma montagem fácil do atuador e permite a utilização de componentes no mesmo com tolerâncias dimensionais relaxadas, sem afetar o desempenho do atuador.

[0002] Os atuadores eletromagnéticos são dispositivos comumente encontrados em equipamentos de energia e fornecem delicadeza de movimento de trabalho de um campo eletromagnético interno, com o movimento do atuador fornecendo uma função de controle ou comutação em tal equipamento de energia. Os atuadores eletromagnéticos fornecem o movimento usado para atuação, expondo um êmbolo ou armadura de movimento livre para o campo magnético criado energizando um espiral de fio estático. O campo atrai o êmbolo ou a armadura que, por sua vez, se move, fornecendo assim a atuação necessária. Os níveis variáveis de funcionalidade de atuação podem ser alcançados com um atuador eletromagnético, variando de simples ações de um único ciclo e de velocidade única até um controle bastante sofisticado tanto do tempo de atuação quanto do posicionamento.

[0003] Um tipo de atuador eletromagnético de uso comum é um atuador de ímã permanente, que faz uso de um ou mais ímãs permanentes e energia elétrica para controlar o posicionamento de um êmbolo no mesmo. Os atuadores de ímã permanente podem ser configurados de modo que seu êmbolo seja mantido em uma posição de curso devido à energia magnética do ímã permanente, sendo a energia elétrica aplicada ao espiral de fio para mover o êmbolo para uma posição de curso diferente.

[0004] Uma desvantagem comum a muitos atuadores eletromagnéticos é o custo associado à fabricação e montagem do atuador. Ou seja, muitos atuadores existentes incluem um grande número de componentes usinados (por exemplo, placas, bobina, ímã permanente, anel de transferência de fluxo, placa de transferência de fluxo, armadura, espaçador, alojamento, etc.) de forma complexa que requer tolerâncias apertadas para fornecer uma força de retenção suficiente no atuador para alinhar/espaçar adequadamente os componentes - de modo que o atuador possa funcionar sem sofrer de desempenho reduzido. A usinagem desses componentes com tais tolerâncias apertadas leva ao aumento dos custos de fabricação. Além disso, a forma complexa desses componentes pode aumentar a dificuldade de montagem do atuador - levando a um maior tempo de montagem/produção para o atuador.

[0005] Portanto, é desejável fornecer um atuador eletromagnético montado a partir de componentes que tenham tolerâncias mais relaxadas do que as exigidas em atuadores existentes, com tais componentes que não afetam a força de retenção e outras características relacionadas ao desempenho do atuador. É ainda desejável que os componentes de um tal atuador sejam montados de uma maneira simples e menos demorada, de modo que os custos de montagem do atuador possam ser reduzidos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0006] De acordo com um aspecto da presente invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo, a bobina compreendendo uma bobina formada por um material não magnético. O atuador eletromagnético também inclui um espiral enrolado em torno da bobina e um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador que estão posicionados pelo menos parcialmente dentro do volume interno do alojamento e estão posicionados sobre ou adjacentes à bobina, a pluralidade de componentes do atuador incluindo um ímã permanente que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e uma armadura seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina responsiva à força magnética e a uma corrente fornecida seletivamente à bobina. A bobina localiza e centraliza a pluralidade de componentes do circuito magnético em torno do eixo central e fornece uma superfície de rolamento para a armadura à medida que se move dentro da abertura formada através da bobina.

[0007] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo. O atuador eletromagnético também inclui um ou mais espirais enrolados em torno da bobina e um circuito magnético posicionado sobre e adjacente à bobina, com o circuito magnético incluindo ainda uma placa de topo, um tubo posicionado adjacente à placa de topo, um ímã permanente posicionado em frente ao tubo a partir da placa de topo, uma placa de fundo posicionada adjacente ao ímã permanente em um lado do mesmo oposto ao tubo e uma armadura que se estende axialmente a partir da placa de topo e além da placa de fundo, sendo a armadura posicionada radialmente para dentro de cada uma das placas de topo, do tubo, do ímã permanente e da placa de fundo. A placa de topo, o tubo, o ímã permanente e a placa de fundo estão todos alinhados em um arranjo empilhado, de modo que o fluxo magnético induzido pelo ímã permanente atravessa o circuito magnético em uma direção axial.

[0008] De acordo com um ainda um outro aspecto da presente invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo. O atuador eletromagnético também inclui um ou mais espirais enrolados em torno da bobina e um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador que estão posicionados pelo menos parcialmente dentro do volume interno do alojamento e estão posicionados sobre ou adjacentes à bobina, com a pluralidade de componentes do atuador incluindo um ímã permanente que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e uma armadura seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina responsiva à força magnética gerada pelo fluxo magnético resultante do ímã permanente e uma corrente fornecida seletivamente para uma ou mais bobinas. O atuador eletromagnético inclui ainda uma haste central aparafusada em uma parede de fundo da armadura, de modo que uma posição da haste central em relação à armadura seja variável com base em uma quantidade pela qual a haste central é aparafusada na armadura, com um movimento da armadura dentro da abertura formada através da bobina está limitada pela quantidade pela qual a haste central é aparafusada na armadura.

[0009] Várias outras características e vantagens serão evidenciadas a partir da descrição detalhada a seguir e dos desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Os desenhos ilustram modalidades preferidas atualmente contempladas para a realização da invenção.

[0011] Nos desenhos:

[0012] A FIG. 1 é uma vista em perspectiva de um atuador eletromagnético de acordo com uma modalidade da invenção.

[0013] A FIG. 2 é uma vista em corte transversal do atuador eletromagnético da FIG. 1 tomada ao longo da linha 2-2, ilustrando a armadura e a haste central em uma primeira posição axial.

[0014] A FIG. 3 é uma vista em corte transversal do atuador eletromagnético da FIG. 1 tomada ao longo da linha 2-2, ilustrando a armadura e a haste central em uma segunda posição axial.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] Referindo-se às FIGS. 1 e 2, um atuador eletromagnético 10 é mostrado de acordo com uma modalidade da invenção. Os componentes primários que formam o atuador eletromagnético 10 incluem um alojamento 12, uma placa de topo 14, uma placa de fundo 16, um tubo 18, uma bobina 20 e um espiral 22, um ímã permanente 24, uma placa de transferência de fluxo 26, uma mola 28, uma armadura 30, uma haste central 32 e um espaçador opcional 34. Como será descrito mais detalhadamente abaixo, cada um desses componentes é construído especificamente para fornecer um atuador eletromagnético 10 que seja fácil de engatar e montar, sem que os componentes afetem as características relacionadas ao desempenho do atuador.

[0016] O alojamento 12 do atuador eletromagnético 10 é de uma construção oca com uma forma substancialmente cilíndrica e está posicionado em torno de um eixo 36 do atuador, sendo o alojamento 12 formado de um material não magnético facilmente viável, tal como uma liga de alumínio (por exemplo, 6061) ou material polimérico. Em uma modalidade exemplificativa 12, o alojamento 12 é fechado numa extremidade inferior por uma tampa ou cobertura inferior 38 e numa extremidade superior pela placa de topo 14. Em uma outra modalidade, uma cobertura superior (não mostrada) pode ser formada integralmente no alojamento 12 na sua extremidade superior. A cobertura inferior 38 pode ser presa ao alojamento 12 por quaisquer meios adequados bem conhecidos dos versados na técnica a que esta invenção pertence, tal como um engate por encaixe instantâneo. A cobertura inferior 38 pode ser formada a partir do mesmo material não magnético que o alojamento 12 (por exemplo, 6061) ou de um material não magnético diferente, adequado. Em uma modalidade, os diâmetros da cobertura inferior 38 e da placa de topo 14 podem se estender para serem maiores do que o alojamento 12, onde as hastes de ligação 40 podem ser utilizadas para prender a cobertura inferior 38 e a placa de topo 14 (de tal modo que nenhuma cobertura superior seja necessária) - com as hastes de ligação 40 sendo fixadas a um rebordo 42 do topo 14 que se estende radialmente para fora através do alojamento 12. Em uma modalidade alternativa onde é fornecida uma cobertura superior (não mostrada) no alojamento 12, é reconhecido que as hastes de ligação 40 não seriam necessárias.

[0017] A placa de topo 14 é formada por um material magnético macio facilmente usinável, tal como aço C12L14, por exemplo, e inclui uma abertura de haste 44 formada na mesma capaz de receber a haste central 32 do atuador 10. Em uma modalidade exemplificativa, a placa de topo 14 também inclui um ou mais orifícios ou elementos de localização 46 formados no mesmo que proporcionam o alinhamento e o posicionamento da bobina 20 em relação ao mesmo. Em uma modalidade, os orifícios ou elementos de localização 46 estão na forma de uma depressão cilíndrica ou orifício formado na placa de topo 14, embora também possa ser utilizada uma ranhura.

[0018] Como mostrado na FIG. 2, a bobina 20 do atuador 10 é estruturada de modo a permitir o enrolamento de um espiral 2 nas suas proximidades e também permitir a colocação de outros componentes do atuador em relação a ela na posição desejada (isto é, guia/alinhamento dos componentes). A bobina 20 é formada de modo a ter uma parede 48 que forma uma abertura cilíndrica através da bobina 20, com um número de formações sendo moldadas/formadas na parede 48 que se estendem radialmente para fora a partir da parede 48. Embora estas formações na bobina 20 resultem numa bobina 20 com uma forma um tanto complexa, a bobina 20 é formada como um componente moldado de tal modo que a fabricação da bobina 20 é facilitado. Em uma modalidade exemplificativa, a bobina 20 é formada por um material de nylon, embora seja reconhecido que outros materiais não magnéticos moldáveis com uma permeabilidade magnética muito baixa também podem ser adequados para formar a bobina 20.

[0019] A bobina 20 é aqui descrita como geralmente incluindo uma porção de espiral 50 e uma porção de alinhamento 52 sobre ela. A porção de espiral 50 da bobina 20 é definida por um par de flanges 54, 56 formados na parede 48 que se estendem radialmente para fora a partir da mesma, com um espiral 22 (ou espirais) do atuador 10 enrolado em torno da parede 48 no espaço definido pelos flanges. Os flanges 54, 56 podem ser identificados como um flange de topo 54 e um flange central 56 e o flange de topo 54 da bobina 20 está posicionado na placa de topo 14 e é preso à ela. Em uma modalidade, é formada uma protrusão 58 (por exemplo, protusão cilíndrica) no flange de topo 54 da bobina 20 que se encaixa com o orifício 46 (ou ranhura) formado na placa de topo 14 para alinhar a bobina 20 em relação à placa de topo 14, de modo que a bobina 20 seja alinhada axialmente com o eixo 36. No entanto, enquanto a placa de topo 14 é descrita como incluindo os orifícios de localização 46 que se unem com a protusão 58, é reconhecido que tais orifícios de localização e protrusões não são necessários para prender a bobina 20 dentro do atuador 10 e/ou para que o atuador 10 funcione adequadamente, uma vez que só podem ser utilizados no processo de fabricação para segurar e localizar a bobina 20 durante uma operação de enrolamento do espiral.

[0020] Como indicado acima, cada um dos flanges 54, 56 da bobina 20 se estende radialmente para fora a partir da parede 48 e os flanges 54, 56 são formados de tal modo que uma folga esteja presente entre uma extremidade dos flanges 54, 56 e uma superfície interna do alojamento 12. O tubo 18 do atuador 10 está posicionado nessa folga, com o tubo 18 com uma espessura essencialmente igual a uma largura do espaço formado entre os flanges 54, 56 e o alojamento 12. Em uma modalidade, o tubo 18 é formado por um material magnético macio facilmente usinável, tal como o aço C12L14, por exemplo, e funciona para prender ainda a bobina 20 dentro do alojamento 12, ao mesmo tempo em que prende o espiral 22 em torno da porção de espiral 50 da bobina 20 e evita qualquer desenrolamento do mesmo.

[0021] A porção de alinhamento 52 da bobina 20 é definida pelo flange central 56 e por uma configuração escalonada da parede 48 na extremidade da bobina 20 oposta à porção de espiral 50. A parede 48 da bobina 20 inclui uma seção 60 (flange central adjacente) com espessura aumentada, com um degrau 62 sendo formado na porção de alinhamento 52 onde esta seção de parede 60 de espessura aumentada é reduzida para uma menor espessura. A porção de alinhamento 52, portanto, inclui um número de elementos nos/com quais componentes do atuador 10 podem ser colocados e alinhados.

[0022] Como mostrado na FIG. 2, a placa de transferência de fluxo 26 e o ímã permanente 24 do atuador 10 estão posicionados em torno da seção de parede 60 com a espessura aumentada, com cada uma da placa de transferência de fluxo 26 e o ímã permanente 24 tendo uma construção em forma de anel (formada como uma peça singular ou composta de segmentos de arco separados ou segmentos de polígonos regulares (por exemplo, segmentos hexagonais) reunidos para formar um anel) com uma largura essencialmente igual à largura de um espaço formado entre a seção de parede 60 da bobina 20 e do alojamento 12 - de modo que a placa de transferência de fluxo 26 e o ímã permanente 24 sejam geralmente mantidos no lugar pela bobina 20 de modo a serem alinhados axialmente com o eixo 36 do alojamento 12. A placa de transferência de fluxo 26 encosta em uma superfície inferior do flange central 56, sendo o ímã permanente 24 empilhado sobre a placa de transferência de fluxo 26. A placa de transferência de fluxo 26 é formada por um material magnético macio facilmente usinável, tal como o aço C12L14, por exemplo, enquanto o ímã permanente 24 é de preferência formado de um material com uma remanência magnética elevada, tal como neodimínio-boro-ferro, samário-cobalto ou ferrite, ou Alnico, ou qualquer outro material de remanência magnética elevada.

[0023] Referindo-se ainda à FIG. 2, vê-se que a placa de fundo 16 do atuador 10 está posicionada de modo a encostar no ímã permanente 24 e no degrau 62 formado na porção de alinhamento 52 da bobina 20. A placa de fundo 16 inclui uma superfície plana 64 que encosta no ímã permanente 24 e a etapa 62 da bobina 20 e é paralela à ela, bem como uma protrusão cilíndrica 66 formada adjacente à parede 48 da bobina 20 - com a protrusão cilíndrica 66 que se estende axialmente para baixo (isto é, longe do degrau 62) em direção à cobertura inferior 38 do atuador 10. A placa de fundo 16 está posicionada em torno da bobina 20 e tem um diâmetro externo essencialmente igual a um diâmetro interno do alojamento 12, de modo que a placa de fundo 16 é geralmente mantida no lugar pela bobina 20 e pelo alojamento 12 para ser alinhada axialmente com o eixo 36 do alojamento 12. De acordo com uma modalidade exemplificativa, a placa de fundo 16 é formada por um material magnético macio facilmente usinável, tal como o aço C12L14, por exemplo.

[0024] Com base na descrição fornecida acima e naquilo que é mostrado na FIG. 2, entende-se que a placa de topo 14, o tubo 18, a placa de transferência de fluxo 26, o ímã permanente 24 e a placa de fundo 16 são fornecidos num arranjo empilhado. De acordo com uma modalidade exemplificativa, um componente de fixação 68 (tal como um material ou mola compatível) está posicionado adjacente à placa de fundo 16 - em torno da protrusão cilíndrica 66 do mesmo - com o componente de fixação 68 comprimindo e segurando o arranjo empilhado dos componentes no lugar e em contato entre si dentro o alojamento 12. De acordo com uma modalidade exemplificativa, o componente de fixação 68 pode ser formado por um anel de pressão, uma mola de onda e/ou uma arruela que coletivamente fornecem tal segurança dos componentes empilhados. A cobertura inferior 38 do atuador 10 é formada de modo a encaixar com e pressionar o componente de fixação 68, fechando desse modo o atuador 10 na sua extremidade inferior. De modo beneficiário, o método de fixação descrito acima (utilizando o componente de fixação 68) pode acomodar grandes variações na tolerância empilhada a partir dos componentes do atuador 10.

[0025] Conforme ilustrado adicionalmente na FIG. 2, a armadura 30 e a haste central 32 do atuador 10 estão dispostas ao longo do eixo 36 do alojamento 12, sendo a haste central 32 formada por um material estruturalmente adequado tal como aço inoxidável não magnético de muito baixa permeabilidade magnética e a armadura 30 sendo formada de um material magnético macio estruturalmente adequado, tal como o aço C12L14, por exemplo. A armadura 30 está posicionada de modo a passar através de um furo 70 (figura 3) formado na cobertura inferior 38 e é recebido dentro da abertura cilíndrica oca da bobina 20 definida pela parede 48, com a armadura 30 engatando de forma deslizável a bobina 20, como o nylon (ou outro material adequado) a partir do qual a bobina 20 é formada fornece um material apropriado para facilitar o movimento de deslizamento da armadura 30. A haste central 32 é recebida dentro da armadura 30 através de um orifício 72 formado numa parede de fundo 74 da armadura 30, com a haste central 32 se estendendo através da armadura 30 e para fora através da abertura de haste 44 formada na placa de fundo 14 do atuador 10. A haste central 32 inclui uma cabeça 76 ou formada sobre ela ou ligada a ela (por exemplo, uma porca separada) que serve como batente de extremidade para a haste central 32 quando se desloca axialmente em relação ao alojamento 12, com a cabeça 76 também proporcionando o engate do atuador 10 para um acoplador de haste de operação 78. Em uma modalidade exemplificativa, a haste central 32 se aparafusa diretamente na armadura 30 através de um rosqueamento (não mostrado) formado sobre ela e no orifício 72, de modo que um posicionamento da haste 32 em relação à armadura 30 pode ser variado conforme desejado aparafusando a haste dentro ou fora da armadura 30 - com a haste central 32 funcionando assim como uma "cavilha de controle de curso". Em uma modalidade alternativa, a haste central 32 utiliza um ressalto que está em conformidade com a armadura 30 e fixa o curso até um comprimento constante.

[0026] A mola 28 do atuador 10 é proporcionada como uma mola de compressão helicoidal 28 de material não magnético que está posicionada em torno da haste central 32 e dentro da armadura 30, com a mola 28 engatando a parede de fundo 74 da armadura 30. De acordo com uma modalidade, é proporcionado um espaçador 34 na extremidade da mola 28 oposta à parede de fundo da armadura 74 e se estende entre a mola 28 e a placa de topo 14 para manter a mola 28 em posição na haste central 32 - com o espaçador sendo formado por um material não magnético (por exemplo, nylon). O espaçador 34 é utilizado quando a mola 28 é feita de um material magnético para evitar a redução da força magnética quando o fluxo magnético é transportado na mola 28. A haste central 32 passa através do espaçador 34 e engata de forma deslizável o espaçador 34, com o nylon (ou outro material adequado) a partir do qual o espaçador 34 é formado proporcionando um material apropriado para facilitar o movimento de deslizamento da haste central 32 em relação ao mesmo. Uma configuração alternativa do atuador 10 elimina o espaçador 34 quando a mola 28 é feita a partir de um material não magnético tal como aço inoxidável, com a mola 28 que se estende até a placa de topo 14.

[0027] Em operação, a armadura 30 é mantida na posição mostrada na FIG. 2 sob a influência da força magnética gerada pelo fluxo magnético induzido pelo ímã permanente 24, depois que esse ímã é devidamente magnetizado. Este fluxo magnético passa do ímã 24 através do arranjo empilhado da placa de topo 14, do tubo 18, da placa de transferência de fluxo 26, da placa de fundo 16 e da armadura 30 e retorna ao ímã (que forma coletivamente um circuito magnético) - com o fluxo magnético que se desloca axialmente através de cada componente em vez de radialmente. A força exercida pela mola 28 e pelo acoplador da haste de operação 78 na parede 74 da armadura 30 é insuficiente para superar a força magnética na armadura 30 resultante deste fluxo de fluxo magnético através da armadura 30 induzida pelo ímã permanente 24 . Este fluxo de fluxo magnético é maximizado pela presença neste circuito magnético apenas materiais altamente magnéticos permeáveis e de saturação magnética elevada.

[0028] A armadura 30 pode ser movida axialmente para uma segunda posição por aplicação de um impulso de corrente apropriado para o espiral 22, conforme indicado na FIG. 3. No caso de aplicação de um impulso desse tipo ao espiral 22 numa direção de modo a reduzir o fluxo líquido de fluxo magnético através da armadura 30, a força magnética sobre a armadura 30 torna-se inferior à força aplicada pela mola 28 e o acoplador de haste de operação 78 e a armadura 30 são movidos axialmente, com a bobina 20 servindo como uma superfície de rolamento para a armadura 30 de modo a permitir a transferência axial no mesmo. A haste central 32 se move com a armadura 30, assim como qualquer ligação externa (não mostrada) que pode ser conectada à ela, com a quantidade de translação da armadura 30 e da haste central 32 sendo controláveis com base na maneira/profundidade que a haste central 32 é aparafusada na armadura 30 - ou seja, a translação da armadura 30 irá parar quando a cabeça 76 da haste central 32 encostar na placa de topo 14. Em seguida, com a armadura 30 na sua segunda posição, uma folga de ar 80 assim formada por baixo da armadura 30 é suficientemente maior que um espaço radial 82 entre a armadura 30 e a placa de fundo 16 através da qual a massa do fluxo magnético flui . Como resultado, o fluxo magnético que flui através da armadura 30 está a um nível suficientemente reduzido tal que a força magnética líquida na armadura 30 é menor que a força da mola 28. Consequentemente, a armadura 30 é estável na segunda posição.

[0029] Em uma configuração apropriada do atuador 10 com enrolamentos de espiral adequados e corrente adequada aplicada de modo a aumentar suficientemente o fluxo de fluxo magnético líquido através da armadura 30, poderia ser desenvolvida uma força magnética que superaria a força da mola 28 e do acoplador da haste de operação 78 e retornaria a armadura 30 da sua segunda posição estável para a sua primeira posição estável. Posteriormente, a terminação do impulso de corrente através do espiral 22 deixaria a armadura 30 firmemente mantida na primeira posição estável sob a influência da força magnética desenvolvida pelo fluxo de fluxo magnético induzido pelo ímã 24 sozinho.

[0030] De modo beneficiário, a construção do atuador eletromagnético 10 mostrado e descrito nas FIGS. 1-3 fornece um atuador com uma construção modular que é facilmente montada e permite o uso de componentes no mesmo com tolerâncias dimensionais relaxadas. O arranjo empilhado em coluna da placa de topo 14, o tubo 18, a placa de transferência de fluxo 26, o ímã permanente 24 e a placa de fundo 16 - que são construídos cada um como componentes simples em forma de anel que se empilham facilmente em conjunto ao redor da bobina através de um processo de montagem curto/fácil - fornece um trajeto de fluxo axial através de cada componente para o fluxo magnético em vez de um trajeto de fluxo radial, de modo que os diâmetros interno e externo de cada um desses componentes em forma de anel não precisam ser bem controlados como fazem em muitos projetos de atuadores. Por exemplo, as tolerâncias desses componentes podem variar de 0,010 a 0,015 polegada ou mais, sem afetar a força de retenção ou outras características relacionadas ao desempenho do atuador. O atuador funcionará de forma eficiente, eficaz e consistente, desde que o diâmetro externo da armadura e o diâmetro interno da bobina sejam tolerados de forma precisa e apertada e enquanto a tolerância entre o diâmetro externo da armadura 30 e o diâmetro interno da placa de fundo 16 for tolerado de forma apertada, sendo reconhecido que a construção da bobina como um componente moldado e a construção da armadura como um componente cilíndrico simples proporcionam uma tolerância apertada do mesmo de forma simples e barata. A seção transversal em forma de "L" da placa de fundo 16 aumenta a área de transferência de fluxo entre a placa de fundo 16 e a armadura 30, sendo reconhecido que a protrusão cilíndrica 66 da placa ide fundo pode ser dimensionada para manter a força de bloqueio, mesmo que a espessura da parede da bobina aumente ou o diâmetro externo da armadura diminua.

[0031] Além disso, o arranjo empilhado da placa de topo 14, do tubo 18, da placa de transferência de fluxo 26 e da placa de fundo 16 são firmemente mantidos juntos pelo componente de fixação 68 e pelo fluxo magnético a partir do ímã permanente 24. Isso significa que, independentemente da espessura dos componentes, eles são firmemente mantidos juntos para manter o desempenho consistente do atuador.

[0032] No atuador eletromagnético 10, a bobina 20 não é usada apenas para segurar o espiral 22, mas também é usada como uma superfície de rolamento para a armadura 30 e uma ferramenta de localização/alinhamento para todos os outros componentes no circuito magnético ( isto é, a placa de topo 14, o tubo 18, a placa de transferência de fluxo 26, o ímã permanente 24 e a placa de fundo 16). Para criar movimento de fluido em um atuador típico à medida que ele opera, é necessário ter finos acabamentos de superfície na armadura 30 e o componente de aço que ele traduz em relação a; no entanto, no atuador eletromagnético 10, apenas uma superfície usinada (ou seja, a armadura 30) deve ser controlada de forma apertada para obter movimento de fluido, à medida que a bobina 20 é usada como o segundo componente liso - sendo a bobina 20 uma peça moldada sobre a qual é muito mais fácil controlar o acabamento da superfície.

[0033] Além disso, localizando a mola 28 dentro do atuador (isto é, protegida pela armadura 30, a placa de topo 14 e o alojamento 12), a mola 28 é protegida de detritos metálicos que podem ser atraídos para o ímã permanente 24. Assim, de forma benéfica, nenhum detrito deve poder interferir com a operação do atuador 10.

[0034] Além disso, à medida que a haste central 32 se aparafusa diretamente na armadura 30 e é ajustável em relação a ela, aparafusar a haste central 32 dentro e fora da armadura 30, conforme desejado, permite diferentes comprimentos de deslocamento (isto é, a haste central 32 funciona como uma cavilha de controle de curso). Consequentemente, o atuador 10 é estruturado como um atuador "modular" que é facilmente adaptável para múltiplos cursos diferentes, de modo que o atuador é capaz de acomodar qualquer um de vários mecanismos diferentes conectados ao mesmo. Uma modalidade alternativa do atuador 10 é estruturada como um atuador modular com um curso constante.

[0035] Portanto, de acordo com uma modalidade da invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo, a bobina compreendendo uma bobina formada por um material não magnético. O atuador eletromagnético também inclui um espiral enrolado em torno da bobina e um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador que estão posicionados pelo menos parcialmente dentro do volume interno do alojamento e estão posicionados sobre ou adjacentes à bobina, a pluralidade de componentes do atuador incluindo um ímã permanente que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e uma armadura seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina responsiva à força magnética e a uma corrente fornecida seletivamente à bobina. A bobina localiza e centraliza a pluralidade de componentes do circuito magnético em torno do eixo central e fornece uma superfície de rolamento para a armadura à medida que se move dentro da abertura formada através da bobina.

[0036] De acordo com uma outra modalidade da invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo. O atuador eletromagnético também inclui um ou mais espirais enrolados em torno da bobina e um circuito magnético posicionado sobre e adjacente à bobina, com o circuito magnético incluindo ainda uma placa de topo, um tubo posicionado adjacente à placa de topo, um ímã permanente posicionado em frente ao tubo a partir da placa de topo, uma placa de fundo posicionada adjacente ao ímã permanente em um lado do mesmo oposto ao tubo e uma armadura que se estende axialmente a partir da placa de topo e além da placa de fundo, sendo a armadura posicionada radialmente para dentro de cada uma das placas de topo, do tubo, do ímã permanente e da placa de fundo. A placa de topo, o tubo, o ímã permanente e a placa de fundo estão todos alinhados em um arranjo empilhado, de modo que o fluxo magnético induzido pelo ímã permanente atravessa o circuito magnético em uma direção axial.

[0037] De acordo com ainda uma outra modalidade da invenção, um atuador eletromagnético inclui um alojamento que define um volume interno e que possui um eixo central que se estende axialmente através do mesmo e uma bobina posicionada dentro do volume interno do alojamento e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo. O atuador eletromagnético também inclui um ou mais espirais enrolados em torno da bobina e um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador que estão posicionados pelo menos parcialmente dentro do volume interno do alojamento e estão posicionados sobre ou adjacentes à bobina, com a pluralidade de componentes do atuador incluindo um ímã permanente que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e uma armadura seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina responsiva à força magnética gerada pelo fluxo magnético resultante do ímã permanente e uma corrente fornecida seletivamente para uma ou mais bobinas. O atuador eletromagnético inclui ainda uma haste central aparafusada em uma parede de fundo da armadura, de modo que uma posição da haste central em relação à armadura seja variável com base em uma quantidade pela qual a haste central é aparafusada na armadura, com um movimento da armadura dentro da abertura formada através da bobina está limitada pela quantidade pela qual a haste central é aparafusada na armadura.

[0038] Esta descrição escrita utiliza exemplos para divulgar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer versado na técnica pratique a invenção, incluindo fazer e usar qualquer dispositivo ou sistema e executar quaisquer métodos incorporados. O âmbito patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem para os versados na técnica. Tais outros exemplos pretendem estar dentro do escopo das reivindicações se tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims (20)

1. Atuador eletromagnético, compreendendo: - um alojamento (12) que define um volume interno e que tem um eixo central (36) que se prolonga axialmente através do mesmo; - uma bobina (20) posicionada dentro do volume interno do alojamento (12) e presa em relação ao mesmo de modo a ser centralizada em torno do eixo, a bobina (20) compreendendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade e sendo formada por um material não magnético; - um espiral (22) enrolado em torno da bobina (20); e - um circuito magnético que compreende uma pluralidade de componentes do atuador que estão posicionados pelo menos parcialmente dentro do volume interno do alojamento (12) e estão posicionados sobre ou adjacentes à bobina (20), a pluralidade de componentes do atuador incluindo: - um ímã permanente (24) que induz um fluxo de fluxo magnético através do circuito magnético de modo a gerar uma força magnética e; - uma armadura (30) seletivamente móvel dentro de uma abertura formada através da bobina (20) que responde à força magnética e a uma corrente fornecida seletivamente ao espiral (22); sendo o atuador caracterizado pelo fato de a bobina (20) localizar e centralizar a pluralidade de componentes do circuito magnético em torno do eixo central (36); a bobina (24) fornecer uma superfície de rolamento para a armadura (30) à medida que se move dentro da abertura formada através da bobina (20); e o ímã permanente (24) compreender um ímã em formato de anel que é posicionado sobre a bobina de modo a envolver a bobina (20) e de modo a ser localizado entre a primeira extremidade e a segunda extremidade da bobina (20).

2. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a bobina (20) compreender: - uma parede (48) que define a abertura formada através da bobina (20); - um par de flanges (54, 56) que se estendem radialmente para fora da parede (48) em uma relação espaçada, com o espiral (22) enrolado em torno da parede (48) numa localização entre o par de flanges (54, 56); e - um elemento de degrau (62) posicionado adjacente a uma flange central (56) do par de flanges (54, 56), sendo degrau (62) definido por uma seção (60) da parede (48) com uma espessura aumentada em comparação com um restante da parede (48).

3. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a pluralidade de componentes do atuador incluir ainda: - uma placa de topo (14) posicionada sobre o alojamento (12) adjacente a uma extremidade superior do alojamento (12); - um tubo (18) posicionado adjacente à placa de topo (14) e radialmente para fora a partir da bobina (20) em uma folga formada entre uma extremidade de cada um dos pares de flanges (54, 56) e o alojamento (12); - uma placa de transferência de fluxo (26) colocada adjacente ao tubo (18) e em uma superfície da flange central (56) oposta da bobina (22), com o ímã permanente (24) posicionado adjacente à placa de transferência de fluxo (26) em um lado do mesmo oposto ao tubo (18) e à flange central (56); e - uma placa de fundo (16) colocada adjacente a uma extremidade inferior do alojamento (12) e adjacente ao ímã permanente (24) em um lado do mesmo oposto à placa de transferência de fluxo (26); - sendo que a placa de topo (14), o tubo (18), a placa de transferência de fluxo(26), o ímã permanente (24) e a placa de fundo (16) estão alinhados em um arranjo empilhado, de modo que o fluxo magnético flui axialmente através da pluralidade de componentes do atuador do circuito magnético.

4. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma haste central (32) presa a uma parede de fundo (74) da armadura (30), de modo que a haste central (32) se move com a armadura (30) quando a armadura (30) se move dentro da abertura formada através da bobina (20).

5. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a haste central (32) ser aparafusada na parede de fundo (74) da armadura (30), de modo que uma posição da haste central (32) em relação à armadura (30) é variável com base em uma quantidade pela qual a haste central (32) é aparafusada na armadura (30); e - sendo que a haste central (32) compreende uma cabeça (76) ou porca formada sobre ela ou fixada à ela, e em que um movimento da armadura (30) dentro da abertura formada através da bobina (20) é limitado pela cabeça (76) ou a porca, com uma localização da cabeça (76) ou porca sendo determinada com base na distância pela qual a haste central (32) é aparafusada na armadura (30) ou por uma distância pela qual a porca é aparafusada na haste central (32).

6. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a haste central (32) compreender um ressalto que está em conformidade com a armadura (30) e fixa um movimento de curso da haste central (32) para um comprimento constante.

7. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma mola (28) posicionada em torno da haste central (32), a mola (28) sendo também posicionada dentro da armadura (30) para engatar a parede de fundo (74) da armadura (30).

8. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender ainda um espaçador (34) posicionado sobre uma extremidade da mola (28) oposta à parede de fundo (74) da armadura (30) para manter a mola (28) em posição na haste central (32).

9. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender ainda um componente de fixação (68) posicionado adjacente à placa de fundo (16) e em torno de uma protrusão (66) do mesmo, o componente de fixação (68) mantendo o arranjo empilhado no lugar e em contato um com o outro dentro do alojamento (12).

10. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a placa de topo (14) incluir uma abertura formada no mesmo que recebe uma protrusão (58) formada na bobina (20), de modo a alinhar a bobina (20) com a placa de topo (14) e dentro do alojamento (12) de modo a ser centralizada em torno do eixo (36).

11. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a bobina (20) ser formada por um material de nylon ou outro material não magnético e eletricamente não condutor.

12. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato a pluralidade de componente atuador compreender adicionalmente:- uma placa de topo (14); - um tubo (18) posicionado adjacente à placa de topo (14); - uma placa de fundo (16) colocada adjacente ao ímã permanente (24) em um lado do mesmo oposto ao tubo (18), de modo que o ímã permanente (24) é posicionado entre o tubo (18) e a placa inferior (16); e - a armadura (30) se estender axialmente a partir da placa de topo (14) e ultrapassar a placa de fundo (16), sendo a armadura (30) posicionada radialmente para dentro de cada uma das placas de topo (14), do tubo (18), do ímã permanente (24) e da placa de fundo (16); e sendo que a placa de topo (14), o tubo (18), o ímã permanente (24) e a placa de fundo (16) estão todos alinhados em um arranjo empilhado.

13. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a bobina compreender: - um par de flanges (54, 56) que se estendem radialmente para fora de uma parede (48) em uma relação espaçada, com a espira (22) enrolada em torno da parede (48) numa localização entre o par de flanges (54, 56); e - um elemento de degrau (62) posicionado adjacente a uma flange central (56) do par de flanges (54, 56), sendo o degrau (62) definido por uma seção (60) da parede (48) tendo uma espessura aumentada em comparação com um restante da parede (48); - sendo que a parede (48), o par de flanges (54, 56) e o elemento de degrau (62) da bobina (20) localizarem e centralizarem o tubo (18), o ímã permanente (24) e a placa de fundo (16) em torno do eixo central (36).

14. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a pluralidade de componentes atuadores compreender ainda uma placa de transferência de fluxo (26) posicionada entre o tubo (18) e o ímã permanente (24), com o ímã permanente (24) posicionado adjacente à placa de transferência de fluxo (26) em um lado do mesmo oposto ao tubo (18).

15. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a parede (48) definir uma abertura formada através da bobina (20) que é centralizada em torno do eixo central (36).

16. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma haste central (32) presa a uma parede de fundo (74) da armadura (30), sendo a haste central (32) aparafusada na parede de fundo (74) da armadura (30) de modo que uma posição da haste central (32) em relação à armadura (30) seja variável com base em uma quantidade pela qual a haste central (32) é aparafusada na armadura (30); sendo que a haste central (32) compreende uma cabeça (76) ou porca formada sobre ela ou ligada à ela, e em que um movimento da armadura (30) dentro da abertura formada através da bobina (20) é limitado pela cabeça (76) ou porca da haste central (32).

17. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma haste central (32) presa a uma parede de fundo (74) da armadura (30), em que a haste central (32) compreende um ressalto que está em conformidade com a armadura (30) e fixa um movimento de curso da haste central (32) para um comprimento constante.

18. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma mola (28) posicionada em torno da haste central (32) e dentro da armadura (30) de modo a ser protegida de um ambiente externo.

19. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - uma haste central (32) presa a uma parede de fundo (74) da armadura (30), sendo a haste central (32) aparafusada na parede de fundo (74) da armadura (30) de modo que uma posição da haste central (32) em relação à armadura (30) seja variável com base em uma quantidade pela qual a haste central (32) é aparafusada na armadura (30); e sendo que um movimento da armadura (30) dentro da abertura formada através da bobina (20) é limitado pela quantidade pela qual a haste central (32) é aparafusada na armadura. (30)

20. Atuador eletromagnético, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a pluralidade de componentes do atuador incluir ainda: - uma placa de topo (14); - um tubo (18) posicionado adjacente à placa de topo (14); - uma placa de transferência de fluxo (26) colocada adjacente ao tubo (18) em um lado do mesmo oposto à placa de topo (14), com o ímã permanente (24) posicionado adjacente à placa de transferência de fluxo (26) em um lado do mesmo oposto ao tubo (18); e - uma placa de fundo (16) colocada adjacente ao ímã permanente (24) em um lado do mesmo oposto à placa de transferência de fluxo (26).