ES2263468T3 - Accionador lineal electromagnetico de captacion de posicion. - Google Patents

Abstract

Accionador electromagnético que tiene, en una caja, un circuito ferromagnético que define un intervalo de movimiento axial de un palet (22) de material ferromagnético de arrastre axial de una varilla, entre dos posiciones extremas de apoyo del palet sobre dos polos del circuito ferromagnético, medios de retroceso elástico (28a, 28b) previstos para mantener en reposo el palet, en una posición media entre las posiciones extremas, y por lo menos una bobina portada por el circuito y que permite llevar alternativamente el palet a las dos posiciones, caracterizado por el hecho de que la varilla o la caja portan una barra de imantación radial (54), de una longitud por lo menos igual al movimiento del palet y en donde, la caja (14) o la varilla, portan por lo menos un captador de flujo magnético (56), emplazado en una zona de exposición débil al campo creado por la bobina o las bobinas, de modo que constituya un detector de posición.

Description

Accionador lineal electromagnético de captación de posición.

La presente invención se refiere a accionadores electromagnéticos destinados a desplazar en movimiento de translación lineal un palet que porta una varilla de arrastre, siguiendo el eje de la varilla. Ésta encuentra una aplicación particularmente importante, aunque no exclusiva, en los accionadores permitiendo llevar una válvula de modo alternativo a una posición de apertura y a una posición de cierre y principalmente en aquellos destinados a válvulas de un motor de combustión interna, de encendido por chispeado o por compresión.

La solicitud de patente francesa nº 98 12489 (FR-A-2 784 222) describe un accionador electromagnético que tiene, en una caja, un circuito ferromagnético que define un intervalo de movimiento axial de un palet de material ferromagnético de arrastre de una varilla entre dos posiciones extremas de apoyo del palet sobre dos polos del circuito ferromagnético, medios de retroceso elástico previstos para mantener en reposo la válvula, en una posición media entre las posiciones extremas, y al menos una bobina portada por el circuito y que permite llevar alternativamente el palet a las dos posiciones extremas.

Los medios electromagnéticos pueden comportar dos bobinas emplazadas en una parte y en la otra del palet y en donde la excitación atrae respectivamente el palet en un sentido que tiende a cerrar una válvula y un segundo electroimán, emplazado al otro lado del palet, en donde la excitación tiende, por ejemplo, a llevar una válvula a la posición de plena apertura. El modo de realización descrito en la solicitud de patente nº 98 12489, a la cual podrá remitirse, tiene contrariamente una bobina única montada en un circuito ferromagnético de una construcción de una forma tal que presenta, en combinación con el palet, dos trayectorias estables de flujo magnético que corresponden, tanto la una como la otra, a un valor nulo del entrehierro entre el palet y un polo del circuito ferromagnético.

Un funcionamiento satisfactorio de un accionador de este tipo implica un ajuste inicial de una forma tal que el palet esté en reposo en una posición media entre sus posiciones extremas. Para ello se pueden prever órganos de ajuste de la compresión inicial de uno de los resortes, tales como los descritos en la solicitud francesa depositada el mismo día que la presente solicitud para "Dispositivo ajustable de accionamiento de válvulas y procedimiento de ajuste de un dispositivo de este tipo". Pero aún es necesario el disponer de un captador de posición del palet que permita determinar la posición de este palet en el intervalo o entrehierro definido por los polos. Un buen funcionamiento exige, además, que la energía suministrada a la bobina o a las bobinas sea suficiente para garantizar un recorrido completo del palet, pero no excesiva, con el propósito de evitar un choque terminal que provocaría ruido y desgaste.

Para resolver el segundo problema, la solicitud nº 98 12940 dosifica la energía aplicada durante la fase inicial del desplazamiento del palet, midiendo la reluctancia de las bobinas, hecho que implica un circuito ferromagnético de un tipo tal que tenga una relación casi lineal entre la reluctancia R (x) y el entrehierro x durante el transcurso de las últimas fracciones del recorrido anterior al encolado del palet contra los polos del circuito ferromagnético. Esta forma de abordar el problema no permite el medir la posición de reposo del palet. La solicitud nº 197 06106 también describe un accionador electromagnético que tiene un captador de posición.

La invención pretende principalmente el suministrar un accionador, del tipo definido anteriormente arriba, provisto de medios que permiten el determinar, de un modo preciso, la posición de reposo del palet.

Con este objetivo, la invención propone principalmente un accionador en el que la varilla o la caja llevan una barra de imantación radial de longitud al menos igual al movimiento del palet y en donde, la caja o la varilla, portan por lo menos un captador de flujo magnético emplazado en una zona de exposición débil al campo inducido por la corriente que pasa dentro de una bobina. Principalmente, este captador puede ser un captador de Hall.

Un captador de efecto Hall tiene una respuesta sensiblemente lineal en función del campo, hecho que permite el seguir el desplazamiento del imán por mediación de una señal de salida. Además, la deriva de este captador, térmico o por envejecimiento, es lenta y esto permite el no poder efectuar más que reajustes periódicos para localizar la señal que corresponde a la posición media del palet.

La barra puede fijarse a la varilla, facilitando las necesidades del captador. Para reducir la sensibilidad a las aceleraciones alternas, se puede invertir la disposición.

Para reducir los efectos eventuales de los componentes perturbantes externos al mismo tiempo que aumentar la señal útil, el detector puede comportar dos captadores en donde se oponen las direcciones sensibles, emplazados en una parte y en la otra de la varilla, y un sustractor que recibe las salidas de los dos captadores. Así, de este modo, se anulan los efectos exteriores equivalentes sobre los dos captadores.

Cuando los dos captadores se aportan por parte de la caja, éstos pueden emplazarse lado a lado sobre un mismo substrato de silicio, volviendo a llevar, los circuitos ferromagnéticos, cada uno de los flujos tomados en una parte y en la otra de la varilla, a un captador respectivo y recibiendo, un sustractor, las salidas de los dos captadores.

La invención propone igualmente un procedimiento de ajuste del accionador según el cual:

- se lleva el palet hacia una de sus posiciones extremas para la alimentación de una bobina o de las bobinas y se mide la señal de salida del captador,

- se lleva el palet hacia la otra posición extrema y se mide la señal de salida del captador, y

- se determina la señal de salida correspondiente a la posición media del palet, a partir de las señales que se han medido.

La barra puede estar sobre la varilla y el captador sobre la caja. Con objeto de tener en cuenta la fragilidad de los imanes, la disposición puede invertirse.

En el caso de un accionador de una sola bobina, del tipo descrito en la solicitud nº 98 12489 (FR-A-2 784 222), la intensidad del campo magnético, en el plano de simetría del circuito magnético que pasa por el eje del palet, es suficientemente débil para que el captador pueda ser emplazado sin precauciones particulares. Se emplaza la normal respecto al plano del elemento sensible de la sonda, en este plano de simetría. Contrariamente, en un montaje de dos bobinas, en donde éstas se orientan en planos ortogonales respecto al eje de desplazamiento, generalmente será necesario el blindar los "moños" de las bobinas, por ejemplo fabricando la culata del accionador en material ferromagnético.

Las características definidas anteriormente arriba, así como otras, y que son utilizables de una forma ventajosa en combinación con las precedentes, pero que pueden ser independientes, se comprenderán mejor con la lectura de la descripción que sigue, de una forma particular de realización, la cual se proporciona a título de ejemplo no limitativo.

La descripción se refiere a los dibujos que la acompañan, en los cuales:

- la figura 1 muestra un accionador de válvula, en sección, según un plano que pasa por el eje de la válvula, al cual se puede aplicar la invención;

- la figura 2 es una vista en detalle destinada a mostrar la constitución de los medios de medición de posición según un modo de realización;

- la figura 3 muestra una fracción de una variante de la figura 2;

- la figura 4 es un esquema de un montaje del tipo de dos captadores.

El accionador 10, mostrado en la figura 1, es del tipo descrito en la solicitud FR 98 12940 y se destina para poner en funcionamiento una válvula de motor. Éste comporta una caja destinada para montarse sobre la culata 12 de un motor, constituida por diversas piezas apiladas y ensambladas mediante medios no representados, tales como tornillos. Estas piezas son de material no ferromagnético, por ejemplo de aleación ligera. La caja puede fijarse sobre la culata 12 por mediación de una cuña 20, igualmente de material no ferromagnético.

El accionador comporta un palet móvil 22 de material ferromagnético, de modo ventajoso, laminado, para reducir las pérdidas. Éste se fija sobre una varilla 24 de arrastre de la válvula 25. El palet tiene una forma rectangular y no puede dar vueltas en la caja. La varilla 24 puede guiarse con un casquillo 26 fijado a un prolongamiento anular o progresivo de la caja.

Se prevén dos resortes de retroceso 28a y 28b para mantener la válvula en reposo en una posición sensiblemente media entre la posición de cierre y la posición de plena apertura de la válvula. El resorte 28a está comprimido entre una bandeja 30 fijada a la varilla 24 y medios no representados de ajuste de la compresión del resorte. El otro resorte 28b está comprimido entre una bandeja 31, fijada en la cola de la válvula, y el fondo del hueco de la válvula colocada en la culata. El accionador también se puede utilizar con un resorte único que trabaja en tracción/compresión y complementado con un amortiguador elástico, asegurando la estanquidad durante el cierre de la válvula, tal y como se indica en la solicitud de patente francesa nº 98 11 670, hecho que permite el constituir la varilla y la cola de la válvula en una sola pieza.

La caja contiene un circuito de material ferromagnético 36, laminado de modo ventajoso, que delimita un circuito ferromagnético con el palet, y una bobina 38 emplazada en el núcleo. El circuito representado puede ser en dos partes complementarias, la una en apoyo contra la otra, o de una sola pieza. Las chapas que constituyen cada mitad del núcleo tienen forma de E. Los ramales superiores 42 de E se colocan en la bobina 36, que éstas soportan por mediación de un mandril 44.

Los dos otros ramales de cada mitad delimitan un volumen de movimiento del palet. El apoyo del palet contra el fondo 46 del volumen define la posición de plena apertura de la válvula. La zona superior o techo 48 del volumen se encuentra en un emplazamiento con relación al asiento de la válvula, de tal forma que el apoyo del armazón no impida que se cierre la válvula.

El conjunto formado por el palet, la válvula y el resorte constituye un sistema oscilante que tiene una frecuencia propia. En régimen permanente, se alimenta la bobina para llevar el equipo móvil hacia una posición extrema, y a continuación bajo una corriente de mantenimiento más débil; a continuación, se provoca el desplazamiento del equipo móvil en el otro sentido, hasta que se apoya, por supresión de la corriente, y a continuación ésta se restablece en el momento en que el palet alcanza una posición tal que es atraído hacia el otro polo.

La corriente en la bobina se puede controlar con la ayuda de un bucle de regulación, mediante el procedimiento descrito en la solicitud nº 98 12940, al final de la carrera del palet.

La disimetría natural del circuito de flujo superior, con relación al circuito de flujo inferior, puede acentuarse dando inclinaciones diferentes a las superficies polares superior e inferior y a las superficies situadas en frente del palet.

El accionador, del cual se muestra una parte en la figura 2, comporta un dispositivo de ajuste de la posición de reposo del palet mediante la acción sobre la compresión del resorte 28a. Este dispositivo está constituido por una rueda dentada 50 en apoyo contra la caja, y por un casquillo perforado 52 retenido en rotación mediante un claveteado deslizable sobre la caja, y que recibe la fuerza de compresión del resorte 28a. Por rotación de la rueda desde el exterior, mediante la ayuda de medios los cuales pueden estar descritos en la solicitud de patente FR 99 05206, es posible el ajustar la posición de reposo del palet con relación a la caja.

Un detector de medición de posición de la varilla, y por lo tanto del palet, con relación a la caja, comprende una barra imantada 54 fijada a la varilla 24 y emplazada en frente de un captador de flujo magnético 56, que generalmente será un captador de efecto Hall, fijado al recorrido de la caja.

La barra tiene una longitud axial L1 al menos igual al movimiento del palet y presenta una alimentación radial, de tal forma que las líneas de fuerza de campo que ésta crea en el momento en que el captador está frente al centro de la barra presentan el aspecto indicado en la figura 2. Si la varilla es magnética, la parte metálica de la varilla puede separarse de la barra mediante un relleno 58 de material ferromagnético de guiado de las líneas de fuerza. El captador 56 está encuadrado por dos plaquetas 60 de material ferromagnético que canalizan axialmente el flujo. La longitud axial de la placa en una parte y en la otra del captador es del mismo orden que la longitud L1 de la barra. Los hilos 62 de salida del captador 56 pueden emplazarse en una ranura del recorrido.

Si la varilla es de material ferromagnético, la barra puede fijarse directamente en el plano de la
varilla.

El plano azimutal en el cual se emplaza el detector se elige para que el sentido que induce la bobina sea débil. La simetría del circuito magnético hace que este campo sea prácticamente nulo en el plano de la figura 1.

En el caso de un montaje de dos bobinas no existe un plano de este tipo y, en consecuencia, es necesario el proteger el captador contra el efecto del campo magnético de las partes de las bobinas que están fuera del hierro. Por este motivo, estas partes, a menudo denominadas moños, pueden blindarse mediante envolturas delgadas de material ferromagnético que canalizan el flujo.

En la variante de realización que se muestra en la figura 3, la barra imantada 54 se compone de tres tramos sucesivos que tienen imantaciones radiales inversas en el momento en que se pasa de un tramo al siguiente, hecho que permite el seguir de un modo más preciso el desplazamiento del palet debido al flujo más importante generado por el imán. Aún en otra variante, la barra tiene tres zonas imantadas de forma diferente.

La utilización de imanes cuyo campo remanente permanece fuerte (superior a 1 Tesla), incluso a temperaturas elevadas (tales como los de tipo samario-cobalto o neodimio-hierro-boro), permite aún el aumentar el flujo en la sonda y la relación señal útil/perturbaciones que proviene de las bobinas.

En ciertos casos, y principalmente en el momento en el que varios accionadores se montan lado a lado con fracciones de circuito de campo comunes (solicitud FR 99 05206), cada accionador es susceptible de perturbar el captador de un accionador adyacente, que está en una orientación alrededor del eje de la varilla, favorable desde el punto de vista de las perturbaciones internas, pero desfavorable desde el punto de vista de las perturbaciones provocadas por un accionador adyacente. El efecto de un accionador de este tipo puede ser prácticamente eliminado mediante un montaje diferencial del tipo que se muestra en la figura 4, que comporta captadores emplazados simétricamente con relación a la varilla, que recibe sensiblemente el mismo flujo del mismo accionador o de un accionador adyacente y polarizados de modo que suministran señales útiles de polaridades opuestas. Los dos captadores 56a y 56b tienen polaridades opuestas. Sus señales de salida se aplican en las dos entradas de un sustractor analógico 66, cuya salida 5 suministra una señal útil duplicada, cuando el error residual debido a las perturbaciones externas ya no contiene el error, de una forma común, en el momento en el que los dos captadores reciben el mismo campo
perturbante.

Claims (12)

1. Accionador electromagnético que tiene, en una caja, un circuito ferromagnético que define un intervalo de movimiento axial de un palet (22) de material ferromagnético de arrastre axial de una varilla, entre dos posiciones extremas de apoyo del palet sobre dos polos del circuito ferromagnético, medios de retroceso elástico (28a, 28b) previstos para mantener en reposo el palet, en una posición media entre las posiciones extremas, y por lo menos una bobina portada por el circuito y que permite llevar alternativamente el palet a las dos posiciones, caracterizado por el hecho de que la varilla o la caja portan una barra de imantación radial (54), de una longitud por lo menos igual al movimiento del palet y en donde, la caja (14) o la varilla, portan por lo menos un captador de flujo magnético (56), emplazado en una zona de exposición débil al campo creado por la bobina o las bobinas, de modo que constituya un detector de posición.

2. Accionador según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que, el captador, es un captador de Hall.

3. Accionador según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que hay una bobina única (38) montada en un circuito ferromagnético de un tipo de construcción que presenta, en combinación con el palet, dos trayectorias estables de flujo magnético que corresponden, tanto la una como la otra, a un valor nulo del entrehierro entre el palet y el circuito ferromagnético.

4. Accionador según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el captador (56) está emplazado en el plano de simetría del circuito magnético que pasa por el eje del palet.

5. Accionador según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado por el hecho de que éste es del tipo de una sola bobina, de palet laminado y de superficies polares biselares y paralelas a las superficies situadas en frente del palet.

6. Accionador según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que éste es del tipo de dos bobinas orientadas en planos ortogonales respecto al eje de desplazamiento, y por el hecho de que los moños de las bobinas están blindados magnéticamente.

7. Accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la barra imantada (54) se compone de tres tramos sucesivos que tienen imantaciones radiales invertidas en el momento en que se pasa de un tramo al siguiente.

8. Accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que, la barra, comporta tres zonas imantadas de forma diferente.

9. Accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que el material de la barra es de un campo remanente superior a 1 Tesla a temperatura elevada.

10. Accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que la varilla es de material magnético y la barra imantada (54) está fijada sobre un relleno (58) de retorno del flujo magnético.

11. Accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que la varilla es ferromagnética y la barra imantada está fijada sobre el plano de la varilla.

12. Procedimiento de calibrado del accionador según la reivindicación 1, en el cual:

- se lleva el palet hacia una de sus posiciones extremas mediante la alimentación de una bobina o de las bobinas, y se mide la señal de salida del cap-
tador,

- se lleva el palet hacia la otra posición extrema y se mide la señal de salida del captador, y

- se determina la señal de salida que corresponde a la posición media del palet a partir de las señales medidas.