BRPI0704947B1

BRPI0704947B1 - conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro e compressor de motor linear

Info

Publication number: BRPI0704947B1
Application number: BRPI0704947A
Authority: BR
Inventors: Erich Bernhard Lilie Dietmar; Knies Marcelo; Fernando Ferreira Nerian; Sergio Dainez Paulo
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2018-07-17
Also published as: US8944785B2; JP2014132174A; KR101576696B1; EP2232071B1; US20110008191A1; CN101960141A; JP2011509063A; JP5592268B2; EP2232071A1; JP5745123B2; KR20100107020A; WO2009082800A1; ES2608607T3; BRPI0704947A2; CN101960141B

Abstract

conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro e compressor de motor linear, e um sensor indutivo. a presente invenção refere-se a conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro, compreendendo uma estrutura de suporte (4) formando um espaço de entreferro (12); uma bobina de motor (6) gerando um fluxo magnético variável pelo menos ao longo de parte do espaço de entreferro (12); um cilindro (2) dotado de um cabeçote em uma das suas extremidades; um pistão (1) conectado a um imã (5), o imã sendo acionado pelo fluxo magnético da bobina de motor (6) para se deslocar dentro de um percurso de deslocamento incluindo pelo menos parcialmente o espaço de entreferro (12); o deslocamento do imã fazendo o pistão (1) se deslocar reciprocantemente dentro do cilindro (2); e um sensor indutivo (8) disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã (5), tal que, quando o pistão (1) atinge uma posição mais próxima possível do cabeçote do cilindro, o sensor indutivo detecta uma variação de campo magnético resultante da posição correspondente do imã, e gera um sinal de tensão decorrente desta variação de campo magnético. a invenção refere-se ainda a um compressor de motor linear, o qual compreende um conjunto de pistão e cilindro do tipo da presente invenção, e é capaz de realizar o reconhecimento de posição do cilindro.

Description

(54) Título: CONJUNTO DE PISTÃO E CILINDRO ACIONADO POR MOTOR LINEAR COM SISTEMA DE RECONHECIMENTO DE POSIÇÃO DE CILINDRO E COMPRESSOR DE MOTOR LINEAR (51) Int.CI.: F25B 9/00; F04B 17/03; F04B 35/04; F04B 39/00; F04B 49/00 (73) Titular(es): WHIRLPOOL S.A.

(72) Inventor(es): DIETMAR ERICH BERNHARD LILIE; PAULO SÉRGIO DAINEZ; NERIAN FERNANDO FERREIRA; MARCELO KNIES

1/19

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONJUNTO DE PISTÃO E CILINDRO ACIONADO POR MOTOR LINEAR COM SISTEMA DE RECONHECIMENTO DE POSIÇÃO DE CILINDRO E COMPRESSOR DE MOTOR LINEAR.

[001] A presente invenção refere-se a um conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear, com sistema de reconhecimento de posição de cilindro, o qual é capaz de detectar a amplitude de operação do pistão e maximizar a capacidade de compressão do pistão. A invenção refere-se ainda a um compressor de motor linear ao qual é aplicado um conjunto de pistão e cilindro deste tipo, bem como a um sensor indutivo aplicável ao compressor objeto da presente invenção. Descrição do Estado da Técnica [002] Atualmente, é comum o uso de conjuntos de pistão e cilindro acionados por motor linear. Este tipo de conjunto de pistão e cilindro é vantajosamente aplicado, por exemplo, a compressores lineares, em sistemas de refrigeração, tais como refrigeradores e aparelhos de ar condicionado. Os compressores lineares apresentam um baixo consumo de energia e, portanto, são bastante eficientes para a aplicação em questão.

[003] O compressor linear é normalmente constituído por um pistão que se desloca no interior de um cilindro. No cabeçote deste cilindro, estão posicionadas válvulas de sucção e de descarga de gás, as quais regulam a entrada de gás em baixa pressão e a saída de gás em alta pressão de dentro do cilindro. O movimento axial do pistão dentro do cilindro do compressor linear realiza a compressão do gás admitido pela válvula de sucção, aumentando a pressão do mesmo, e descarregando-o pela válvula de descarga para uma zona de alta pressão. [004] O compressor linear deve ser capaz de identificar a posição e controlar o deslocamento do pistão dentro do cilindro, para evitar que o pistão colida com o cabeçote do cilindro, ou com outros componenPetição 870180038229, de 09/05/2018, pág. 12/37

2/19 tes dispostos no outro extremo do percurso do pistão, o que causa um forte ruído e barulho desagradável, assim como desgaste do equipamento.

[005] Mesmo assim, para otimizar a eficiência e o desempenho do compressor linear e minimizar o consumo de energia do compressor, é desejável que o pistão realize o maior deslocamento possível dentro do cilindro, se aproximando o máximo possível do cabeçote do pistão, porém sem colidir com o mesmo. Para que isto seja possível, a amplitude do deslocamento do cilindro quando o compressor está em operação deve ser conhecida com precisão, sendo que quanto maior o erro estimado desta amplitude, maior terá que ser a distância de segurança entre o ponto máximo de deslocamento do pistão e o cabeçote do cilindro, para evitar a colisão entre os mesmos. Esta distância de segurança proporciona uma perda de eficiência do compressor.

[006] Já são conhecidos do estado da técnica alguns mecanismos e sistemas que controlam o deslocamento axial do pistão dentro do cilindro de um compressor linear. Dentre eles, o pedido de patente US 5342176 propõe um método que prevê a amplitude de operação do pistão pelo monitoramento de variáveis do motor, tais como corrente e tensão aplicadas ao motor linear de imã permanente. Ou seja, o próprio motor linear é o transdutor de posição do pistão. Esta solução apresenta a vantagem de dispensar o uso de um transdutor adicional, tal como um sensor, dentro do compressor. Porém, o método proposto possui a grande desvantagem de apresentar uma precisão muito baixa, o que provoca uma perda considerável no desempenho do compressor, pois exige que a distância de segurança entre o pistão e o cabeçote de cilindro seja bastante grande, para evitar colisão.

[007] O pedido de patente JP 11336661 descreve uma unidade de controle da posição do pistão, que usa sinais discretos de posição medidos por um sensor de posição e posteriormente os interpola para

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3/19 determinar a posição de avanço máximo do pistão. Com esta solução, é possível atingir um grau elevado de precisão da amplitude de deslocamento do pistão. Todavia, a medição da amplitude de deslocamento do pistão não é feita no local de interesse que mede a distância entre o pistão e o cabeçote do cilindro. Por conta disso, o sistema desta invenção fica sujeito às tolerâncias da posição de montagem do sensor de posição.

[008] O pedido de patente BR 0001404-4 descreve um sensor de posição particularmente aplicável à detecção da posição de um pistão de um compressor deslocável axialmente. O compressor compreende uma lâmina de válvula que fica posicionada entre um cabeçote e um corpo vazado onde o pistão se desloca. O sensor compreende uma sonda eletricamente conectada a um circuito de controle, a sonda sendo capaz de captar a passagem do pistão por um ponto do corpo vazado e sinalizar para o circuito de controle. Este sistema é, portanto, capaz de medir a distância entre o pistão e o cabeçote do cilindro, porém a arquitetura do circuito elétrico utilizado como transdutor de posição do cilindro gera um ruído elétrico indesejável, devido às falhas de contato elétrico, o que gera imprecisão na medição.

[009] O pedido de patente BR 0203724-6 propõe uma outra forma de detecção da posição do pistão em um compressor linear, para evitar que ele venha a colidir com a placa de transferência de fluidos, por ocasião de variações nas condições de operação do compressor, ou mesmo variações na tensão de alimentação. A solução proposta neste pedido de patente mede a distância entre o pistão e a placa de fluido diretamente no topo do pistão, sendo, portanto, uma solução de alta precisão. Porém, esta arquitetura necessita de um espaço para a instalação do sensor na placa de válvulas e apresenta um custo mais elevado.

[0010] Nenhum dos documentos do estado da técnica é, portanto,

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4/19 capaz de aliar boa precisão de controle e determinação da posição do pistão e baixo custo em um sistema de medição de deslocamento de pistão que mede a distância diretamente entre o pistão e o cabeçote do cilindro onde está a placa de válvulas.

Objetivos da Invenção [0011] Um primeiro objetivo da invenção é proporcionar uma forma de medição da amplitude de deslocamento do pistão dentro do cilindro que proporcione um sinal isento de ruídos elétricos e apresente alta precisão e definição.

[0012] Um outro objetivo da invenção é proporcionar um conjunto de pistão e cilindro capaz de realizar a detecção da amplitude do deslocamento do pistão dentro do cilindro que dispense o uso de circuitos eletrônicos para tratar um sinal de um sensor de posição, por meio de um equipamento simples e de baixo custo.

[0013] É também objetivo da invenção prevenir o impacto do pistão com o cabeçote do cilindro e com a placa de válvulas, bem como com algum outro elemento que possa estar disposto na outra extremidade do percurso do pistão.

Breve Descrição da Invenção [0014] Os objetivos da invenção são alcançados por meio de um conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro, compreendendo uma estrutura de suporte formando um espaço de entreferro; uma bobina de motor gerando um fluxo magnético variável pelo menos ao longo de parte do espaço de entreferro; um cilindro dotado de um cabeçote em uma das suas extremidades; um pistão conectado a um imã, o imã sendo acionado pelo fluxo magnético da bobina de motor para se deslocar dentro de um percurso de deslocamento incluindo pelo menos parcialmente o espaço de entreferro; o deslocamento do imã fazendo o pistão se deslocar reciprocamente dentro do cilindro; e um sensor indutivo disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã, tal que, quando o pistão atinge pelo menos uma posição pré-selecionada, o sensor induPetição 870180038229, de 09/05/2018, pág. 15/37

5/19 tivo detecta uma variação de campo magnético resultante da posição correspondente do imã, e gera um sinal de tensão decorrente desta variação de campo magnético.

[0015] A posição pré-selecionada que o pistão atinge é preferivelmente uma posição do percurso de deslocamento mais próxima possível do cabeçote do cilindro. Uma outra posição pré-selecionada que o pistão atinge é uma posição do percurso de deslocamento mais distante possível do cabeçote do cilindro.

[0016] O sensor indutivo compreende preferivelmente uma bobina de sensor disposta na direção de deslocamento do imã, sendo que a bobina de sensor é alongada na direção transversal ao deslocamento do imã, e estreita na direção de deslocamento do imã.

[0017] O sensor indutivo está preferivelmente disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã que coincide com a posição do imã, quando o pistão atinge uma posição mais próxima possível do cabeçote. Ainda mais preferivelmente, quando o pistão atinge uma posição mais próxima possível do cabeçote do cilindro, a posição da extremidade inferior do imã coincide com a posição do sensor, e a variação do campo magnético aplicado pelo imã sobre o sensor indutivo produz uma diferença de tensão entre os terminais do sensor indutivo.

[0018] Alternativamente, o sensor indutivo pode estar disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã que coincide com a posição do imã, quando o pistão atinge uma posição mais distante possível do cabeçote. Quando o pistão atinge uma posição mais distante possível do cabeçote do cilindro, a posição da extremidade superior do imã coincide com a posição do sensor, e a variação do campo magnético aplicado pelo imã sobre o sensor indutivo produz uma diferença de tensão entre os terminais do sensor indutivo.

[0019] O sensor indutivo pode estar disposto dentro do espaço de entreferro ou fora do espaço de entreferro. O cabeçote do cilindro pode ser dotado de uma válvula de sucção e uma válvula de descarga que

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6/19 se comunicam com o interior do cilindro.

[0020] Os objetivos da invenção são ainda alcançados por meio de um compressor de motor linear compreendendo uma estrutura de suporte formando um espaço de entreferro; uma bobina de motor gerando um fluxo magnético variável pelo menos ao longo de parte do espaço de entreferro; um cilindro que apresenta uma placa de válvulas na sua extremidade superior, a qual admite ar em baixa pressão no cilindro, a partir de uma câmara de ar em baixa pressão, e descarrega ar em alta pressão para fora do cilindro; um pistão conectado a um imã, o imã sendo acionado pelo fluxo magnético da bobina de motor para se deslocar dentro de um percurso de deslocamento incluindo pelo menos parcialmente o espaço de entreferro; o deslocamento do imã fazendo o pistão se deslocar reciprocamente dentro do cilindro; um sensor indutivo disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã, tal que, quando o pistão atinge pelo menos uma posição préselecionada da placa de válvulas, o sensor indutivo detecta uma variação de campo magnético resultante da posição correspondente do imã, e gera um sinal de tensão decorrente desta variação de campo magnético.

[0021] No compressor de acordo com a invenção, a posição préselecionada que o pistão atinge é preferivelmente uma posição do percurso de deslocamento mais próxima possível do cabeçote do cilindro. Uma outra posição pré-selecionada que o pistão atinge é uma posição do percurso de deslocamento mais distante possível do cabeçote do cilindro.

[0022] O compressor de acordo com a invenção é preferivelmente dotado de um conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro do tipo anteriormente descrito.

[0023] Ainda os objetivos da presente invenção são traduzidos por um sensor indutivo aplicável a um compressor de motor linear, o sensor indutivo compreendendo uma bobina de sensor disposta na direPetição 870180038229, de 09/05/2018, pág. 17/37

7/19 ção de deslocamento do imã, sendo a bobina de sensor substancialmente alongada na direção transversal ao deslocamento do imã, e substancialmente estreita na direção de deslocamento do imã. Descrição Resumida dos Desenhos [0024] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0025] Figura 1 - é uma vista em seção transversal de um compressor de motor linear comum;

[0026] Figura 2 - é uma vista em perspectiva de uma bobina associável a um conjunto de pistão e cilindro da presente invenção, e à qual está acoplado o sensor indutivo;

[0027] Figura 2A - é uma vista em seção transversal esquemática do conjunto de pistão e cilindro com o sistema de reconhecimento de posição de cilindro da presente invenção, com o pistão em uma primeira posição;

[0028] Figura 2B - é uma vista esquemática do corte A-A do conjunto de pistão e cilindro ilustrado na figura 2A, com o pistão na primeira posição;

[0029] Figura 3A - é uma vista em seção transversal esquemática do conjunto de pistão e cilindro ilustrado na figura 2A, com o pistão em uma segunda posição;

[0030] Figura 3B - é uma vista esquemática do corte A-A do conjunto de pistão e cilindro ilustrado na figura 3A, com o pistão na segunda posição;

[0031] Figura 4A - é uma vista em seção transversal esquemática do mecanismo de pistão e cilindro do compressor da presente invenção em uma primeira posição;

[0032] Figura 4B - é uma vista em seção transversal esquemática do mecanismo de pistão e cilindro do compressor da presente invenção em uma primeira posição;

[0033] Figura 5 - é um gráfico que representa a variação do

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8/19 fluxo magnético do sinal gerado pelo sensor em função da variação da posição do imã dentro do seu percurso de deslocamento;

[0034] Figura 6 - é um gráfico que representa o sinal de tensão gerado pelo sensor ao longo do tempo, durante alguns ciclos de deslocamento do pistão.

Descrição Detalhada das Figuras [0035] A figura 1 ilustra um compressor com motor linear ao qual pode ser aplicado o conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro de acordo com a presente invenção.

[0036] O conjunto de pistão e cilindro de acordo com a invenção, e como ilustrado, em uma modalidade preferida, na figura 1, compreende um cilindro 2, o qual apresenta uma placa de válvulas na sua extremidade superior, também chamada de cabeçote de válvula. Esta placa de válvulas compreende uma válvula de sucção de ar 3a que admite ar em baixa pressão para o interior do cilindro 2, e uma válvula de descarga de ar 3b que descarrega ar em alta pressão para fora do cilindro, caso o conjunto de pistão e cilindro seja aplicado a um compressor de ar.

[0037] Em outras aplicações do conjunto de pistão e cilindro de acordo com a presente invenção, as válvulas de sucção e descarga 3a e 3b, que se comunicam com o interior do cilindro 2, podem operar com outros tipos de fluido. Por exemplo, caso o conjunto de pistão e cilindro seja aplicado a uma bomba, as válvulas 3a e 3b podem admitir e descarregar outro tipo de fluido, tal como água.

[0038] O conjunto de pistão e cilindro compreende ainda um pistão 1 que se desloca no interior do cilindro 2, constituindo com este um conjunto ressonante. O pistão realiza, dentro do cilindro 2, um movimento alternativo linear, exercendo uma ação de compressão do gás admitido dentro do cilindro pela válvula de sucção 3a, até o ponto em que este gás pode ser descarregado para o lado de alta pressão, através da válvula de descarga 3b.

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9/19 [0039] O pistão é acoplado a pelo menos um imã 5, de modo que o deslocamento do pistão provoca um deslocamento correspondente do imã e vice-versa. O imã 5 é preferivelmente disposto ao redor da superfície externa do pistão, como pode ser visto na figura 1. Em formas alternativas da invenção, o imã pode estar conectado de maneiras distintas ao pistão, por exemplo sendo fixado a uma haste que está ligada ao pistão.

[0040] O conjunto de pistão e cilindro é ainda dotado de uma estrutura de suporte 4 que pode servir de apoio para o pistão 1 e/ou de guia para o deslocamento do pistão e/ou do imã 5. Ao longo de pelo menos uma parte da estrutura de suporte 4, é formado um espaço de entreferro 12 onde o imã se desloca.

[0041] Em uma modalidade preferida da invenção mostrada na figura 1, duas molas helicoidais 7a e 7b são montadas contra o pistão, em cada um de seus lados, sendo que tais molas encontram-se preferivelmente sempre comprimidas. O pistão, juntamente com as partes móveis do atuador e as molas helicoidais, formam o conjunto ressonante do compressor.

[0042] O atuador do conjunto de pistão e cilindro é composto por pelo menos uma bobina de motor 6 alimentada eletricamente, a fim de produzir um campo magnético. A bobina de motor deve ficar disposta de tal forma que o campo magnético gerado por ela atue sobre o percurso de deslocamento do imã 5 do pistão 1. Em uma forma preferida da invenção ilustrada nas figuras 2, 2A, 2B, 3A e 3, a estrutura de suporte 4 do conjunto de pistão e cilindro é constituída por duas peças metálicas em forma de E, sendo que, na perna central de cada uma destas peças, fica acoplada uma bobina de motor 6. O espaço formado entre as duas peças metálicas acopladas às bobinas de motor constitui o espaço de entreferro 12 que integra o percurso de deslocamento do imã 5.

[0043] Assim, quando a bobina de motor é alimentada eletricamente, ela gera um fluxo magnético pelo menos ao longo de parte do

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10/19 espaço de entreferro 12, e que pode ser variável e controlado, em função da tensão de alimentação aplicada à bobina de motor. Conseqüentemente, a variação do campo magnético gerado pela bobina de motor em decorrência da tensão aplicada a ela induz o imã 5 a se deslocar reciprocamente ao longo do espaço de entreferro 12, fazendo o pistão se afastar e se aproximar da placa de válvulas 3a e 3b do cilindro, comprimindo, assim, o gás admitido dentro do cilindro 2. A amplitude de operação do pistão corresponde à amplitude total de deslocamento do pistão 1 dentro do cilindro 2.

[0044] A amplitude de operação do pistão é regulada com o equilíbrio da potência gerada pelo atuador e a potência consumida pelo mecanismo na compressão do gás e demais perdas. Para extrair a máxima capacidade de bombeamento do conjunto de pistão e cilindro, é necessário operar a uma amplitude em que o pistão 1 se aproxime o máximo possível da placa de válvulas 3a, 3b, mas sem que haja colisão. Para que isto seja possível, a amplitude de operação do pistão deve ser conhecida com precisão. Quanto maior o erro estimado desta amplitude de deslocamento, maior deverá ser a distância de segurança entre o pistão e a placa de válvulas, para evitar a colisão. Esta colisão não é desejável, por causar forte ruído, e pelo fato de poder danificar o equipamento.

[0045] Por isso, o conjunto de pistão e cilindro da presente invenção é dotado de um sistema de acionamento por motor linear e que realiza o reconhecimento da posição do pistão 1, a fim de possibilitar que o conjunto opere com a maior amplitude de operação possível, otimizando a capacidade de bombeamento do pistão 1 e do cilindro 2. [0046] Uma forma preferida do mecanismo de atuação do pistão e de reconhecimento de posição de cilindro no conjunto de pistão e cilindro é mais detalhadamente ilustrado nas figuras 2A, 2B, 3A e 3B.

[0047] Um sensor indutivo 8 é disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã 5 conectado ao pistão 1. Segundo os princípios de eletromagnetismo, os dispositivos indutivos, tais como indutoPetição 870180038229, de 09/05/2018, pág. 21/37

11/19 res ou bobinas, transformam uma variação de um campo magnético em tensão, vista nos terminais da bobina. Assim sendo, como o sensor indutivo 8 fica disposto no percurso de deslocamento do imã, ele é submetido às variações de campo magnético produzidas pelo imã 5 resultantes de seu deslocamento dentro do espaço de entreferro 12, ou em outros pontos de seu percurso de deslocamento. Desta forma, o sensor indutivo é capaz de identificar o posicionamento do pistão pelo monitoramento do campo magnético produzido pelo imã 5, e emite um sinal de tensão em resposta à variação de campo magnético observado.

[0048] Porém, de acordo com a presente invenção, a finalidade principal do sensor indutivo é de identificar quando o pistão atingiu um ponto máximo da sua amplitude de operação, sem que ocorra a colisão com o cilindro, sendo que este ponto máximo é considerado a posição de controle do pistão, ou o ponto morto superior. Portanto, o sensor deve ser configurado de tal forma que a velocidade de deslocamento do imã não interfira na determinação da posição de controle. [0049] Em uma forma preferida da invenção, o sensor indutivo 8 é preferivelmente concretizado na forma de uma simples bobina, aqui chamada de bobina de sensor. Além disso, para que se obtenha uma maior independência da velocidade na determinação da posição de controle, a bobina de sensor é preferivelmente construída de forma estreita no sentido do deslocamento do imã, e com formato alongado no sentido transversal ao deslocamento do imã. A forma alongada permite que se obtenha uma maior tensão de saída da bobina de sensor sem interferir na resolução de posição do sensor 8. Em vista disso, há uma maior variação do sinal gerado pelo sensor em função de um deslocamento bastante reduzido do pistão dentro do cilindro, o que aumenta a resolução do sensor e diminui a suscetibilidade do sistema a erros devido a ruídos. Esta configuração do sensor 8 também apresenta uma baixa impedância, o que proporciona um sinal isento de ruído elétrico, contribuindo ainda mais para uma boa precisão do sensor.

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12/19 [0050] Em uma modalidade alternativa da invenção, o sensor 8 pode ser configurado como uma bobina com um formato mais largo. Isto permite que o sensor possa medir uma distância maior do deslocamento do pistão, podendo assim detectar que o pistão 1 está se aproximando com uma maior antecedência. Ou ainda, este formato mais largo permite que o sensor possa medir dois pontos distintos do pistão dentro do cilindro. Porém, o aumento da largura do sensor causa uma perda de resolução, pois o sinal gerado é mais suave, e varia menos em função do deslocamento do pistão dentro do cilindro, o que torna a medição da posição menos precisa.

[0051] Para que o sensor 8 detecte exatamente a posição de controle do pistão, ele deve preferivelmente ficar posicionado dentro do percurso de deslocamento do imã, exatamente na posição atingida pela borda inferior do ou de pelo menos um dos imãs 5, quando o pistão atinge a posição de controle. Assim, quando a borda do imã 5 passa sobre o sensor, este emite um sinal indicativo de que o pistão atingiu sua posição de controle, ou ponto morto superior.

[0052] Como pode ser visto na figura 2, em uma modalidade preferida da invenção, o sensor 8 é acoplado à bobina do motor 6, estando fixado à bobina de motor 6 por meio de uma perna, sendo que a parte da bobina de sensor 8 fica voltada para o espaço de entreferro onde o imã 5 se desloca. Neste caso, o conjunto de pistão e cilindro de acordo com a invenção foi previamente ajustado para que esta posição em que o sensor está disposto coincida exatamente com a posição do imã, quando o pistão 1 estiver em ponto morto superior (posição de controle).

[0053] As figuras 2a, 2b, 3a e 3b ilustram um exemplo de concretização do conjunto de pistão e cilindro em dois momentos diferentes do ciclo de compressão, a fim de mostrar como funciona o sistema de reconhecimento de posição de cilindro. Nestas figuras, o sensor está posicionado na mesma posição ilustrada na figura 2.

[0054] As figuras 2a e 2b mostram a situação em que o cilindro

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13/19 está afastado da placa de válvulas, e os imãs 5 deslocam-se ao longo do entreferro, sendo que um dos imãs 5 se move diante do sensor indutivo 8. A figura 2b mostra a vista resultante do corte AA da figura 2a. As figuras 3a e 3b ilustram um segundo momento do ciclo de compressão, em que o pistão atingiu sua posição de controle, ou seja, o mais próximo possível do cabeçote do cilindro e da placa de válvulas 3a e 3b. Neste instante, a borda inferior de um dos imãs 5 coincide com a posição da extremidade superior do sensor 8, como pode ser visto em detalhe na figura 3b. Como conseqüência, ocorre uma variação do campo magnético gerado pelo imã 5 sobre o sensor indutivo 8, o que produz uma variação maior de tensão entre os terminais do sensor, gerando um sinal elétrico indicativo de que o pistão 1 atingiu a posição de controle.

[0055] No exemplo das figuras 2 e 3, os imãs 5 sempre permanecem dentro do espaço de entreferro 12 formado entre as estruturas de suporte 4 acopladas às bobinas de motor 6. Neste caso, o espaço de entreferro 12 coincide com o percurso de deslocamento do imã 5. [0056] As figuras 4a e 4b mostram uma segunda modalidade do sistema de acionamento conjunto de pistão e cilindro da presente invenção. Estas duas figuras ilustram uma vista em corte ao longo do comprimento do sistema de acionamento do pistão de formato cilíndrico. O sistema de acionamento é dotado de um estator 10 cilíndrico, no interior do qual é formada uma cavidade, onde é acoplada a bobina de motor 6 que gera o campo elétrico que induz o deslocamento do imã 5. Um ferro de retorno 9, o qual realiza função correspondente à estrutura de suporte 4, também cilíndrico circunda o estator 10, de modo que entre a superfície interna do ferro de retorno 9 e a superfície externa do estator 10 é formado um espaço de entreferro 12 ao longo do qual o imã 5 do pistão se desloca de maneira reciprocamente. O sensor indutivo 8 é disposto dentro do espaço de entreferro, no ponto que coincide com a extremidade inferior do imã 5, quando o pistão atinge sua posição mais próxima do cabeçote de cilindro, sem haver colisão.

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Preferivelmente, o estator 10 pode ser provido com uma pequena reentrância onde é encaixado o sensor.

[0057] Este sensor 8 também é preferivelmente constituído por uma bobina de sensor que apresenta uma configuração estreita no sentido de deslocamento do imã 5, e um formato alongado no sentido transversal ao deslocamento do imã, mas a bobina de sensor precisa ser curvada, para que acompanhe a curvatura do local do seu alojamento.

[0058] A figura 4a ilustra um momento em que o pistão 1 está afastado do cabeçote do cilindro 2, e o imã 5 se desloca em frente ao sensor indutivo 8. Já a figura 4b mostra o instante em que o pistão 1 atingiu sua posição de controle dentro da amplitude de operação do conjunto de pistão e cilindro e, conseqüentemente, a borda inferior do imã 5 fica localizado à mesma altura que a borda superior do sensor indutivo 8, dentro do seu percurso de deslocamento. Neste instante, haverá uma maior variação de campo magnético sobre o sensor 8, produzindo assim uma diferença de tensão entre os terminais do sensor, e gerando um sinal elétrico de tensão correspondente, indicativo de que o pistão 1 atingiu a posição de controle.

[0059] O compressor linear dotado do conjunto de pistão e cilindro aqui descrito é igualmente capaz de realizar a detecção de posição do pistão dentro do cilindro, segundo os mesmos princípios também aqui descritos, proporcionando assim um melhor desempenho para o compressor em termos de consumo de energia e capacidade de bombeamento. Voltando à figura 1, o pistão 1 do conjunto de pistão e cilindro de acordo com a invenção é conectado ao imã 5, o qual se move em um percurso de deslocamento que compreende um espaço de entreferro 12 formado entre a peça de suporte 4, e a bobina de motor 6 acoplada ao estator 10. Este movimento do imã induz o movimento alternativo do pistão 1 dentro do cilindro 2, de maneira a comprimir o gás admitido dentro do cilindro pela válvula de sucção 3a, e a descarregar o gás em alta pressão através da válvula de descarga 3b.

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15/19 [0060] O compressor linear é montado no interior de uma carcaça

11. O espaço formado entre o compressor e a carcaça constitui uma câmara de baixa pressão 13, onde está contido o gás à baixa pressão. A válvula de sucção 3a do cilindro se comunica com a câmara de baixa pressão 13 e admite ar dentro do cilindro 2. A válvula de descarga 3b do cilindro descarrega o ar em alta pressão, o qual foi comprimido dentro do cilindro pelo movimento de compressão do pistão, para uma região de alta pressão hermeticamente isolada da câmara de baixa pressão.

[0061] Um sensor indutivo 8 (não ilustrado na figura 1), tal como uma bobina de sensor alongada na direção transversal ao deslocamento do imã, e estreita na direção de deslocamento do imã, é disposta no percurso de deslocamento do imã 5, podendo estar dentro ou fora do espaço de entreferro 12, em um ponto correspondente à posição atingida pelo imã 5 quando o pistão estiver na posição de controle, mais próxima possível do cabeçote de cilindro sem que haja colisão. A variação do campo magnético emitido pelo imã sobre o sensor indutivo, causada pelo fato de o imã 5 se distanciar deste sensor 8, produz uma diferença de tensão entre os terminais do sensor indutivo, gerando um sinal de tensão indicativo de que o pistão atingiu a posição de controle.

[0062] Assim, a amplitude de deslocamento do pistão 2 dentro do cilindro pode ser controlada, pelo fato de que o sistema de reconhecimento detecta quando o cilindro atingiu a posição de controle. Conseqüentemente, o compressor de acordo com a invenção é capaz de operar de maneira a otimizar sua capacidade de compressão, pois pode dispor de uma distância de segurança anticolisão bastante reduzida, e conseqüentemente otimizando também o consumo de energia do equipamento.

[0063] O gráfico da figura 5 mostra a variação do fluxo magnético do sinal gerado pelo sensor 8 em função da variação da posição do imã 5 mostrada em milímetros. A linha vertical designada como A (à

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16/19 esquerda) corresponde ao ponto máximo inferior de deslocamento do pistão (ou ponto morto inferior), e a linha vertical designada como B (à direita) corresponde ao ponto morto superior ou posição de controle do pistão. Preferivelmente, imã não deve se deslocar além destas linhas verticais A e B, a fim de guardar uma distância de segurança em relação à placa de válvula, ou a algum outro elemento com o qual ele possa colidir na extremidade inferior do percurso.

[0064] O sensor deve indicar proporcionalmente a aproximação do pistão. Em vista disso, em uma forma preferida da invenção e com a finalidade de se obter um resultado o mais preciso possível do sensor, as linhas verticais A e B de ponto morto superior e ponto morto inferior devem ser posicionadas relativamente ao sinal do sensor, nas porções deste sinal em que se formam a rampa ascendente (ponto morto superior) e a rampa descendente (ponto morto inferior), que são as regiões em que o sinal do sensor é o mais linear possível. Mais à direita do que isso, há um ponto de inflexão, e a partir disso, a variação do sinal começa a diminuir, o que diminui a resolução do sensor.

[0065] Caso seja utilizado um sensor com uma bobina mais larga, a curva de variação do fluxo magnético do sinal torna-se mais plana e suave. Assim, ao invés de conseguir medir a variação de posição do sensor entre aproximadamente 6 a 7,5 mm, seria possível de medir entre aproximadamente 4 a 8 mm, mas a resolução do sensor seria menor, pois a variação do sinal seria também menor em função de uma mesma variação de posição. Assim, o sensor ficaria mais sujeito a erros devido à interferência de ruídos.

[0066] O gráfico da figura 6 representa o sinal de tensão gerado pelo sensor ao longo do tempo, durante alguns ciclos de deslocamento do pistão. Novamente, as linhas verticais designadas como A correspondem às posições de ponto morto superior e as linhas verticais designada como B correspondem às posições de ponto morto inferior do pistão. O sinal de tensão emitido pelo sensor é gerado pela seguinte equação:

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Vsensor = f (x)x v _ imã sendo que [0067] Vsensor é a tensão do sinal gerado pelo sensor;

[0068] f(x) é o sinal mostrado no gráfico da figura 5, ou seja, a variação do fluxo magnético do sinal gerado pelo sensor; e [0069] v_imã é a velocidade de deslocamento do imã.

[0070] Motores com imã permanente geram um sinal relativo à sua força contra-eletromotriz que é proporcional à velocidade de deslocamento do imã e do pistão (sinal v_imã). Como o motor é ressonante, há um ponto máximo no centro do percurso de deslocamento, onde a velocidade é máxima, e dois cruzamentos em zero, nos dois extremos do percurso, que são os pontos mortos superior e inferior. A velocidade do imã é praticamente uma senóide. Como, nos pontos mortos superior e inferior, a velocidade do imã é igual zero, então multiplicandose o sinal f(x) pelo sinal v_imã, o resultado, que é Vsensor, é igual a zero nesses pontos. Por isso, no gráfico da figura 6, em todas as linhas tracejadas verticais A e B, o sinal de tensão do sensor é zero. [0071] Assim, com base neste sinal, pode-se reconhecer quando o pistão está chegando em um extremo ou no outro do percurso. No caso da presente invenção, pode-se usar este cruzamento para saber que o pistão atingiu seu ponto máximo e que poderia, então, colidir com a placa de válvula.

[0072] O sensor atual gera, portanto, dois sinais, um para ponto morto superior e outro para o inferior, mas a posição está otimizada para ter melhor sinal no ponto morto superior, porque nesta concretização, o sensor está localizado na posição que a borda do imã atinge, quando o pistão está na posição de ponto morto superior. Poderia-se, então, fazer também análise do ponto morto inferior, mas com menos precisão pela posição atual do sensor.

[0073] De acordo com a presente invenção, o sistema de reconhecimento de posição de cilindro pode ser usado também para detectar o morto inferior do pistão dentro do cilindro, o que pode ser importante,

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18/19 caso haja o risco de colisão do pistão com algum outro componente, quando estiver recusando. Esta modalidade da invenção pode ser implementada usando-se o mesmo sensor indutivo 8, porém alocado em uma outra posição, para detectar quando a borda do imã 5 está na posição correspondente do ponto morto inferior. Ou seja, neste caso, o sensor 8 deve ficar disposto no local que a borda superior do ou de pelo menos um dos imãs 5 atinge, quando o pistão chega à posição de ponto morto inferior. Assim, quando a borda do imã 5 passa sobre o sensor, este emite um sinal indicativo de que o pistão atingiu sua posição de ponto morto inferior.

[0074] Portanto, de acordo com a presente invenção, pode-se utilizar apenas um sensor indutivo 8 para medir simultaneamente o ponto morto superior e o ponto morto inferior, ou ainda usar dois sensores 8, sendo cada um deles posicionado adequadamente para exercer uma destas funções.

[0075] Como pode ser entendido claramente da descrição precedente, a presente invenção é capaz de proporcionar uma forma de medição da amplitude de deslocamento do pistão dentro do cilindro apresentando alta precisão. Além disso, o sinal indicativo de que o pistão alcançou sua posição de controle, ou ponto morto inferior, é isento de ruídos elétricos, o que também contribui para a precisão do sistema.

[0076] Além disso, o equipamento para a detecção da amplitude do deslocamento do pistão dentro do cilindro é bastante simples, pois consiste essencialmente em um sensor colocado em uma posição estratégica para a identificação da posição do cilindro, e o sinal gerado por este sensor, ou uma variação específica sofrida por este sinal, é suficiente para indicar que o pistão alcançou a posição de controle. Assim, o equipamento dispensa o uso de circuitos eletrônicos para tratar o sinal do sensor de posição.

[0077] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange

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19/19 outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Conjunto de pistão e cilindro acionado por motor linear com sistema de reconhecimento de posição de cilindro, o sistema sendo configurado para proporcionar uma capacidade máxima de operação do conjunto de pistão e cilindro e evitar uma colisão do pistão com um cabeçote do cilindro, o referido conjunto de pistão e cilindro compreendendo uma estrutura de suporte (4) configurada para formar um espaço de entreferro (12);

uma bobina de motor (6) configurada para gerar um fluxo magnético variável pelo menos ao longo de parte do espaço de entreferro (12);

um cilindro (2) dotado de um cabeçote em uma das suas extremidades;

um pistão (1) conectado a um imã (5), o imã sendo configurado para ser acionado pelo fluxo magnético da bobina de motor (6) para se deslocar dentro de um percurso de deslocamento incluindo pelo menos parcialmente o espaço de entreferro (12); o deslocamento do imã fazendo o pistão (1) se deslocar reciprocamente dentro do cilindro (2);

o conjunto de pistão e cilindro sendo caracterizado pelo fato de compreender ainda um sensor indutivo (8) disposto em um ponto do percurso de deslocamento do imã (5) coincidindo com a posição do imã (5), tal que, quando o pistão (1) atinge pelo menos uma posição de maior aproximação do cabeçote do cilindro (2) sem colidir, de tal forma que quando o pistão (1) alcança esta posição no percurso de deslocamento, a posição de uma borda do ímã (5) mais distante do cabeçote do cilindro (2) coincide com a posição de uma extremidade do sensor (8) mais próxima do cabeçote e é induzida uma variação em um campo magnético aplicado pelo imã (5) no sensor indutivo (8) resultante da posição correspondente do imã (5), em que o sensor indutivo (8) é

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2/3 configurado para gerar um sinal de tensão decorrente desta variação de campo magnético.

2. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) compreende uma bobina de sensor disposta ao longo da direção de deslocamento do imã (5).
3. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a bobina de sensor é alongada na direção transversal ao deslocamento do imã, e estreita na direção de deslocamento do imã.
4. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um segundo sensor indutivo (8) disposto num ponto do deslocamento do imã (5) coincidindo com a posição do imã (5), tal como quando o pistão (1) atinge uma posição mais distante do cabeçote do cilindro (2) tal que, quando o pistão (1) atinge uma posição mais distante do cabeçote do cilindro (2), a posição de uma extremidade do imã (5) mais próxima do cabeçote do cilindro (2) coincide com a posição da extremidade do sensor (8) mais distante do cabeçote do cilindro (2), em que a variação do campo magnético aplicado pelo imã (5) no segundo sensor indutivo (8) produz uma diferença de tensão entre os terminais do segundo sensor indutivo (8).
5. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) é disposto dentro do espaço de entreferro (12).
6. Conjunto de pistão e cilindro de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) é disposto fora do espaço de entreferro (12).
7. Compressor de motor linear em um conjunto de pistão e cilindro, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa de válvulas é disposta em uma extremidade superior do cilindro (2) a qual admite ar em baixa pressão no cilindro, a partir de

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3/3 uma câmara de ar em baixa pressão (13), e descarrega ar em alta pressão para fora do cilindro (2).
8. Compressor de motor linear, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) compreende uma bobina de sensor disposta na direção de deslocamento do imã.
9. Compressor de motor linear, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a bobina de sensor (8) é alongada na direção transversal ao deslocamento do imã (5), e estreita na direção de deslocamento do imã (5).
10. Compressor de motor linear, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um segundo sensor indutivo (8) disposto num ponto do deslocamento do imã (5) coincidindo com a posição do imã (5), quando o pistão (1) atinge uma posição mais distante da placa de válvulas, tal que, quando o pistão (1) atinge uma posição mais distante da placa de válvulas, a posição de uma extremidade do imã (5) mais próxima do cabeçote do cilindro (2) coincide com a posição da extremidade do segundo sensor indutivo (8) mais distante do cabeçote do cilindro (2), em que a variação do campo magnético aplicado pelo imã (5) no segundo sensor indutivo (8) produz uma diferença de tensão entre os terminais do segundo sensor indutivo (8).
11. Compressor de motor linear, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) é disposto dentro do espaço de entreferro (12).
12. Compressor de motor linear, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o sensor indutivo (8) é disposto fora do espaço de entreferro (12).

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