ES2335388T3 - Accionador lineal electrico de carrera corta. - Google Patents

Abstract

Un actuador de carrera corta (10) que comprende una bobina de campo anular (21) y un pistón compuesto (11) para el recorrido relativo a través de él, comprendiendo el pistón compuesto dos imanes permanentes (16, 18) en línea axialmente pero separados entre sí con los polos iguales enfrentados, en el que la bobina experimenta un empuje durante la utilización, cuando se energiza, con relación al pistón mediante la interacción del campo magnético producido por la energización de la bobina con los campos magnéticos producidos por los imanes permanentes, y en el que en el centro de la carrera, el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con los campos magnéticos de ambos imanes permanentes, caracterizado por que la longitud de la bobina de campo anular, la separación correspondiente de los imanes permanentes y la citada carrera se seleccionan de forma que en cada extremo de la carrera el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con el campo magnético del imán permanente más cercano a dicha bobina de forma que dicho empuje sea sustancialmente constante a través de la carrera preseleccionada (I) independientemente del desplazamiento.

Description

Accionador lineal eléctrico de carrera corta.

Introducción

La presente invención se refiere a unos actuadores de carrera corta accionados eléctricamente, que tienen utilización en aplicaciones similares a las de los solenoides.

Antecedentes de la invención

La utilización de solenoides para proporcionar fuerza mecánica a través de una carrera limitada es bien conocida. Se utilizan en incontables aplicaciones en toda la industria. Se suministra una intensidad a través de una bobina anular y se tira de un pistón interior a la bobina formado de material ferromagnético cuando se energiza. Sin embargo está en la naturaleza del dispositivo que cuando se tira del pistón y alcanza su punto de descanso, la fuerza experimentada cae a cero, suponiendo una disposición simétrica de bobina y pistón. Para muchas aplicaciones esto no es satisfactorio, especialmente en donde se requiere una fuerza constante a lo largo de la carrera independientemente del desplazamiento físico del pistón.

Se han formulado numerosas variaciones de diseño para mitigar el efecto de la ley inversa al cuadrado que gobierna en su totalidad o en parte este efecto. Sin embargo, cualquier intento de hacer lineal las características del solenoide (fuerza en relación al desplazamiento) precisa de equilibrios en términos de simplicidad electromagnética en la construcción (por ejemplo, el uso de piezas polares cónicas y similares). Adicionalmente, el empuje experimentado por el pistón queda naturalmente limitado al campo producido por la bobina.

Para tener mayores fuerzas se requieren por lo tanto mayores intensidades, dando como resultado mayores pérdidas térmicas. De hecho, debido a que la pérdida térmica es igual al cuadrado de la intensidad multiplicado por la resistencia de la bobina, se deduce que la duplicación de la fuerza requiere el cuadruplicado de la capacidad de disipación térmica.

Los documentos DE 197 04 695 y JP 10-270243 describen un actuador de acuerdo con la sección de caracterización previa de la reivindicación 1.

El documento JP 63-129848 describe un actuador en el que un pistón se conecta a una bobina y se insertan imanes en una horquilla para aumentar el flujo magnético en los extremos de los imanes permanentes principales aumentando por ello la generación uniforme de la fuerza en la bobina.

Especificación de la invención

La presente invención proporciona un actuador de carrera corta que comprende una bobina de campo anular y un pistón compuesto para un movimiento relativo a través de él, comprendiendo el pistón compuesto dos imanes permanentes axialmente en línea pero separados entre sí y con los polos iguales enfrentados, en el que la bobina experimenta un empuje durante el uso, cuando se energiza, con relación al pistón mediante la interacción del campo magnético producido por la energización de la bobina con los campos magnéticos producidos por los imanes permanentes, y en el que en el centro de una carrera, el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con los campos magnéticos de ambos imanes permanentes, caracterizado por que la longitud de la bobina de campo anular, la correspondiente separación de los imanes permanentes y dicha carrera se seleccionan de forma que en cada extremo de la carrera el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con el campo magnético del imán permanente más cercano a dicha bobina de forma que dicho empuje sea sustancialmente constante a través de la carrera preseleccionada independientemente del desplazamiento.

Otras características opcionales de la invención se definen en las reivindicaciones subordinadas.

Otras características de la invención

Debería tenerse en cuenta que el pistón puede incluir componentes para el alojamiento de los imanes, tales como un tubo de paredes delgadas. Además, de acuerdo con una primera característica opcional de la invención, pueden introducirse piezas polares ferromagnéticas adicionales entre los imanes enfrentados para el aumento del efecto de los mismos, dependiendo de la carrera precisa que se va a producir y de la fuerza característica deseada.

Se apreciará a partir de la disposición anteriormente descrita, que se eliminan en gran medida las dificultades presentadas por la construcción de solenoides clásica, dado que se obtiene un perfil de empuje virtualmente constante a través de la carrera deseada.

Una ventaja adicional importante de la utilización de imanes permanentes es que está presente un fuerte campo magnético en las espiras de la bobina de campo. Se obtiene por lo tanto una fuerza mucho mayor en comparación con una construcción de solenoide clásica de las mismas dimensiones. El uso de imanes potentes de tierras raras (por ejemplo hierro boro neodimio) puede dar como resultado casi la duplicación de la fuerza para la misma disipación.

De acuerdo con una segunda característica opcional de la invención, la disposición del número de espiras por unidad de longitud de la bobina de campo a lo largo de la longitud de la bobina de campo, puede variarse para proporcionar una envoltura magnética de forma específica para mejorar adicionalmente el perfil de empuje constante experimentado por la bobina con relación al pistón cuando se recorre la carrera seleccionada.

Es bien conocido que cuando se calienta una bobina también se eleva su resistencia. De ese modo, si se alimenta la bobina con una fuente de tensión constante, el empuje disminuirá debido a una reducción en el paso de intensidad a través de ella. Para compensar este efecto, se utiliza frecuentemente un circuito de accionamiento de intensidad constante. Sin embargo, en el caso del actuador de la invención, surge una dificultad adicional puesto que el campo magnético que emana de los imanes permanentes también disminuye con el calor. (Esto es recuperable, siempre que no se trabaje más allá de su punto de recuperación para cualquier temperatura dada).

De acuerdo con una tercera característica opcional de la intención, se proporcionan medios para detectar, durante el uso, la temperatura de los imanes dentro del pistón, y se suministra una señal proporcionada por los medios antes mencionados a los circuitos que alimentan las bobinas de campo de forma que se compense la intensidad alimentada por ellos con relación a cualquier cambio en la fuerza del campo magnético de los imanes resultante de cambios en la temperatura de los mismos.

Mediante estos medios, utilizando tanto los circuitos que compensan el incremento de la resistencia óhmica de la bobina de campo cuando aumenta su temperatura, como los que también compensan los cambios en la fuerza del campo magnético de los imanes de modo similar, puede mantenerse el rendimiento del actuador constante independientemente de su propia temperatura o la del medio del entorno en el que está funcionando.

Para algunas aplicaciones, la fuerza requerida del actuador puede ser bastante considerable y más de la que se obtiene sin un calentamiento indebido de la disposición descrita hasta el momento. De acuerdo con una cuarta característica opcional de la invención, se sitúan casquillos terminales compuestos totalmente o en parte de material ferromagnético en línea y sobre cada cara exterior de cada imán y los medios utilizados para separar centralmente los imanes se componen totalmente o en parte de material ferromagnético. El efecto de la combinación de casquillos de extremo exterior ferromagnéticos con los separadores ferromagnéticos centrales es extender y aumentar el flujo que enlaza los imanes con la bobina y por ello aumentar el empuje disponible. Los casquillos del extremo y los espaciadores centrales pueden realizarse de tubos para reducir el peso sin reducir de un modo significativo el efecto de los mismos.

La invención se describirá ahora con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra las partes componentes de un actuador construido de acuerdo con la invención.

La Figura 2 muestra los patrones de campo magnético que emanan del pistón magnético del actuador.

La Figura 3 muestra las características fuerza/desplazamiento del actuador.

La Figura 4 muestra los medios sensores para la detección de la temperatura del pistón del actuador y los circuitos de control para la alimentación de las bobinas de campo del mismo.

Descripción específica

Con referencia a la Figura 1, se describe un actuador de la invención en 10. El pistón del actuador se muestra en 11 y comprende un tubo de paredes delgadas 12 que aloja una secuencia de componentes. El primero de estos es un casquillo de extremo no ferromagnético 13, equipado con un agujero 14 para acomodar un sensor de temperatura 15. (La utilización de éste se describirá en detalle a continuación). El siguiente componente es un imán permanente 16, de polaridad como la indicada, es decir magnetizado axialmente. El siguiente componente 17 es un separador central que puede fabricarse de un material no ferromagnético, o comprende parcialmente algún material ferromagnético, dependiendo de las características deseadas. El componente 18 es un imán permanente adicional, polarizado como se indica, es decir con los polos de los imanes 16 y 18 enfrentados entre sí. El tubo se completa con el componente 19, que es un casquillo final no ferromagnético para el cierre del tubo. El casquillo puede suministrarse con un roscado de tornillo central 20 para la conexión a un mecanismo.

Una bobina de campo anular corrediza 21 se monta para su movimiento deslizante a lo largo del tubo de paredes delgadas 12. Se guía a lo largo de él mediante cojinetes 22 y 23 en cada extremo, conteniéndose dichos cojinetes dentro de un tubo adicional de paredes delgadas 24, tal como lo es la bobina.

La acción del actuador es como sigue. Cuando se suministra intensidad de la polaridad apropiada a la bobina, las líneas de fuerza producidas de ese modo interactúan con el patrón de campo que emana del pistón. Esto se ilustra con referencia a la Figura 2 en la que se ve que las líneas de fuerza producidas por los imanes se fuerzan a radiar hacia el exterior por virtud del hecho de que sus polos están en repulsión. Como resultado de esta interacción, la bobina experimenta una fuerza de acuerdo con la regla de Fleming. La bobina se permite mover a través de una longitud preseleccionada -carrera- indicada por "I" en las Figuras 1 y 2. La fuerza producida es ampliamente independiente del desplazamiento por las siguientes razones. Cuando la bobina está en la posición izquierda, experimenta en su centro los potentes campos que emanan del polo sur del imán. En su posición central, el campo efectivo del primer imán que corta las espiras se debilita, pero se dobla globalmente debido al efecto del imán derecho. Cuando la bobina se desplaza a la derecha, el campo completo del imán derecho corta las espiras, tal como lo hizo el imán izquierdo.

Mediante la juiciosa separación de los imanes, y seleccionando la longitud apropiada de la bobina de campo 21, se obtiene un perfil de empuje sustancialmente uniforme. Esto se ilustra en la Figura 3.

Cuando se requiere un rendimiento mejorado, los casquillos de los extremos 13 y 19 pueden fabricarse cada uno en parte o totalmente de material ferromagnético, y de modo similar el separador central 17. El efecto de esto es extender y aumentar el campo de enlace con la bobina 21 y de ese modo aumentar el rendimiento del actuador. Para ahorrar peso, los casquillos del extremo y el espaciador central pueden realizarse de tubos, de grosor de pared razonable, sin reducción significativa del empuje obtenido. Una penalización de esta disposición es que el perfil de la fuerza con relación al desplazamiento puede no ser tan constante como cuando se usan componentes no ferromagnéticos, pero no obstante permanecen dentro de límites aceptables para la mayor parte de las aplicaciones que requieren un empuje constante.

Un manguito 25 adicional ferromagnético, véase la Figura 1, puede situarse alrededor del conjunto total, para ayudar a alargar las líneas de fuerza de los imanes y así aumentar la fuerza proporcionada. Alternativamente, el tubo 24 puede ser ferromagnético en donde la fuerza se considere más importante que un perfil de empuje uniforme. En este caso, la longitud puede elegirse cuidadosamente para reducir los efectos del dentado y de ese modo la perturbación de la característica de fuerza constante.

Con referencia ahora a la Figura 4, los medios de sensor de temperatura se montan dentro del casquillo extremo, como se muestra en 15. Éste se conecta con el circuito de control 26 utilizado para alimentar la bobina de campo 21 del actuador.

La acción del sensor es como sigue. Durante su utilización, o simplemente debido a la temperatura ambiente en la que se utiliza el actuador, el pistón puede llegar a estar más caliente. Esto afecta de modo adverso la fuerza del campo que emana de los imanes. De ese modo los medios sensores proporcionan por medio de la señal 27, la información necesaria que permite a los circuitos 26, aumentar la intensidad de modo directo de acuerdo con la caída en la fuerza del campo y de ese modo mantener una fuerza constante independiente del aumento de la temperatura del pistón. También dispuesto dentro del circuito de control está un accionador de intensidad constante (suplementado por la señal de los medios sensores de temperatura), para compensar el aumento óhmico de la bobina de campo con la temperatura.

De ese modo, mediante la combinación de la acción del sensor de temperatura 15 y de la compensación óhmica de la intensidad, la fuerza proporcionada por el actuador se mantiene sin afectar por la temperatura, dentro de un intervalo de funcionamiento razonable y depende solamente de la señal de accionamiento suministrada al circuito de control en 28.

Claims (9)

1. Un actuador de carrera corta (10) que comprende una bobina de campo anular (21) y un pistón compuesto (11) para el recorrido relativo a través de él, comprendiendo el pistón compuesto dos imanes permanentes (16, 18) en línea axialmente pero separados entre sí con los polos iguales enfrentados, en el que la bobina experimenta un empuje durante la utilización, cuando se energiza, con relación al pistón mediante la interacción del campo magnético producido por la energización de la bobina con los campos magnéticos producidos por los imanes permanentes, y en el que en el centro de la carrera, el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con los campos magnéticos de ambos imanes permanentes, caracterizado por que la longitud de la bobina de campo anular, la separación correspondiente de los imanes permanentes y la citada carrera se seleccionan de forma que en cada extremo de la carrera el empuje se produce por la interacción del campo magnético de la bobina con el campo magnético del imán permanente más cercano a dicha bobina de forma que dicho empuje sea sustancialmente constante a través de la carrera preseleccionada (I) independientemente del desplazamiento.

2. Un actuador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el pistón comprende un tubo de paredes delgadas (12) para el alojamiento de los imanes permanentes y de los medios utilizados para separarlos.

3. Un actuador de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, en el que la bobina del actuador se aloja dentro de un tubo (24), que también sirve para alojar a ambos lados de la bobina, cojinetes anulares (22, 23) para el guiado de la bobina a lo largo del pistón.

4. Un actuador de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el tubo que aloja la bobina es ferromagnético.

5. Un actuador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se colocan casquillos de extremo adicionales (13, 19), fabricados totalmente o en parte de material ferromagnético, sobre la cara exterior de cada uno de los imanes permanentes y los medios (17) utilizados para separar los imanes se fabrican también totalmente o en parte de material ferromagnético.

6. Un actuador de acuerdo con la reivindicación 5, en el que los casquillos del extremo (13, 19) y/o los medios de separación central (17) se fabrican de tubos ferromagnéticos.

7. Un actuador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se sitúa un sensor de temperatura (15) para detectar la temperatura de funcionamiento de los imanes permanentes para proporcionar una señal correctora a los circuitos electrónicos que accionan la bobina del actuador para compensar cualquier reducción en la fuerza del campo de los imanes permanentes.

8. Un actuador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que con el pistón en su posición central axial con relación a la bobina, la región del pistón alineada con la bobina de campo consiste sustancialmente en una región entre los polos opuestos de los dos imanes permanentes.

9. Un actuador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que con el pistón en su posición central axial los imanes permanentes quedan debajo y se proyectan parcialmente de modo axial más allá de la bobina.