ES2301211T3 - Transductor de par sin aro imanado circularmente y procedimiento para medir el par usando el mismo. - Google Patents
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Abstract
SENSOR DE PAR MAGNETOELASTICO PARA GENERAR UNA SEÑAL DE SALIDA QUE INDIQUE EL PAR APLICADO A UNA PIEZA EN TORNO A UN EJE AXIALMENTE PROLONGADO DE LA PIEZA. CONSTA DE UNA PRIMERA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA EN LA PIEZA, ESTANDO LA REGION MAGNETICAMENTE POLARIZADA EN UNA SOLA DIRECCION CIRCULAR Y POSEYENDO SUFICIENTE ANISOTROPIA MAGNETICA PARA DEVOLVER LA MAGNETIZACION DE LA REGION, TRAS LA APLICACION DEL PAR A LA PIEZA, A LA DIRECCION UNICA CIRCULAR CUANDO EL PAR APLICADO SE REDUZCA A CERO, CON LO QUE LA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA PRODUCE UN CAMPO MAGNETICO QUE VARIA CON EL PAR. LOS SENSORES DEL CAMPO MAGNETICO SE MONTAN CERCA DE LA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA Y SE ORIENTAN CON RESPECTO A LA MISMA PARA QUE DETECTEN LA MAGNITUD DEL CAMPO MAGNETICO EN LOS SENSORES Y PROPORCIONEN LA SEÑAL DE SALIDA EN RESPUESTA. AL MENOS LA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA ESTA FORMADA A PARTIR DE UN MATERIAL POLICRISTALINO EN QUE AL MENOS EL 50% DE LA DISTRIBUCION DE MAGNETIZACIONES LOCALES ESTA EN UN CUADRANTE DE 90 C SIMETRICAMENTE DISPUESTO EN TORNO A LA DIRECCION CIRCULAR UNICA Y CON UNA COERCIVIDAD LO BASTANTE ELEVADA PARA QUE EL CAMPO NACIDO DE LA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA NO MAGNETICE LAS REGIONES DE LA PIEZA CERCANA A LA REGION MAGNETOELASTICAMENTE ACTIVA Y DE LUGAR A CAMPOS MAGNETICOS PARASITOS CON SUFICIENTE FUERZA PARA DESTRUIR LA UTILIDAD, A EFECTOS DEL PAR, DEL CAMPO MAGNETICO NETO DETECTADO POR EL SENSOR DE CAMPO MAGNETICO.
Description
Transductor de par sin aro imanado circularmente
y procedimiento para medir el par usando el mismo.
Esta solicitud reivindica la prioridad de la
solicitud provisional U.S. 60/064.831, presentada el 21 de octubre
de 1997.
La presente invención se refiere a sensores de
par y más en concreto a sensores de par magnetoelásticos sin
contacto para proporcionar una medida del par aplicado en un
árbol.
En el control de sistemas con árboles motores
giratorios, el par y la velocidad son los parámetros fundamentales
que nos interesan. Por tanto, la detección y medición del par de un
modo económico, fiable y exacto ha sido un objetivo principal para
los trabajadores durante varias décadas.
Anteriormente, la medición de par se realizaba
usando sensores de tipo contacto unidos directamente al árbol. Uno
de tales sensores es un aparato de detección de par de tipo
"indicador de tensión", en el que uno o más indicadores de
tensión están directamente unidos a la superficie periférica externa
del árbol y un circuito en puente u otro medio bien conocido mide
un cambio de resistencia producido por la tensión. Sin embargo, los
sensores de tipo contacto son relativamente inestables y su
fiabilidad es limitada debido al contacto directo con el árbol
giratorio. Además, resultan muy caros y por tanto no son prácticos
desde el punto de vista comercial y su uso no es competitivo en
muchas aplicaciones tales como en sistemas de dirección
automotrices, para los que ahora se buscan sensores de par.
Después, se desarrollaron sensores de par sin
contacto de tipo magnetoestrictivo para usar con árboles giratorios.
Por ejemplo, la patente U.S. 4.896.544 de Garshelis describe un
sensor que comprende un elemento que incluye un par, con una
superficie ferromagnética y magnetoestrictiva adecuada, dos bandas
circunferenciales diferentes dentro del elemento dotadas
respectivamente de anisotropía magnética simétrica inducida mediante
tensión residual dirigida helicoidamente y un dispositivo
discriminador magnético para detectar, sin ponerse en contacto con
el elemento sometido a un par, diferencias en la respuesta de dos
bandas a fin de igualar fuerzas imanantes axiales. Es más normal
que la imanación y la detección se realicen proporcionando un par de
bobinas de imanación o excitación que recubran y rodeen las bandas,
con las bobinas conectadas en serie y accionadas mediante una
corriente alterna. El par se detecta usando dos bobinas detectoras
conectadas de manera opuesta para medir una señal de diferencias
que resulta de los flujos de dos bandas. Lamentablemente,
proporcionar suficiente espacio para la excitación requerida y las
bobinas detectoras en y alrededor del dispositivo en el que se usa
el sensor, ha creado problemas prácticos en aplicaciones donde el
espacio no sobra. Además, tales sensores son caros, lo que resulta
poco práctico para usar en dispositivos competitivos de alto coste,
por ejemplo en aplicaciones automotrices.
Últimamente, se han desarrollado transductores
de par basados en medir el campo que proviene de la inclinación
inducida por el par de imanaciones remanentes inicialmente
circunferenciales. Estos transductores utilizan preferiblemente un
anillo de paredes delgadas ("aro") que sirve de elemento
generador de campo. Ver por ejemplo, las patentes U.S. 5.351.555,
5.465.627 y 5.520.059 de Garshelis. La tensión
"circunferencial" de tracción en el anillo, asociada con el
medio de su unión al árbol que incluye el par que se mide, establece
una anisotropía uniaxial dominante circunferencialmente dirigida.
Al aplicar esfuerzo torsional en el árbol, la imanación se
reorienta y se hace más helicoidal a medida que aumenta el
esfuerzo torsional. La imanación helicoidal que resulta de la
torsión tiene un componente circunferencial y un componente axial,
dependiendo la magnitud del componente axial enteramente de la
torsión. Uno o más sensores vectoriales de campo magnético detectan
la magnitud y polaridad del campo que se produce, como resultado del
par aplicado, en el espacio que rodea el transductor.
Otro propósito más de la invención es
proporcionar un procedimiento para hacer un transductor de par
magnetoelástico que incluya un árbol unitario con una composición
química normalmente homogénea de principio a fin, que comprenda
zonas activas y pasivas separadas con propiedades magnéticas
adecuadas para su función correspondiente sometiendo las zonas
adecuadas del árbol a procesos de transformación de fase térmica, a
procesos de transformación de fase mecánica o a combinaciones de
procesos de transformación de fase térmica y mecánica para obtener
la fase metalúrgica deseada correspondiente en cada una tales zonas
para dotar cada una de tales zonas de propiedades magnéticas
adecuadas para su función correspondiente.
Estos y otros propósitos se consiguen
proporcionando un sensor de par como el que se describe en la
reivindicación 1, un procedimiento para detectar un par como el que
se describe en la reivindicación 12 y un procedimiento para
producir un transductor de par magnetoelástico como el que se
describe en la reivindicación 17.
El sensor de par comprende una zona con
actividad magnetoelástica en un árbol sometido a un par, y un sensor
de campo magnético tal como un sensor de efecto Hall, responsable
del campo de la zona transductora que se produce como resultado de
la aplicación de par en la zona con actividad magnetoelástica. En la
realización preferida, la zona con actividad magnetoelástica se
polariza en una única dirección circunferencial y posee una
anisotropía magnética suficiente para devolver la imanación a la
zona, después de la aplicación del par en el elemento, en una única
dirección circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero,
estando el árbol sometido a un par formado por un material
policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de
imanaciones locales está situada dentro de un cuadrante de 90º
dispuesto simétricamente alrededor de la dirección de polarización
magnética y teniendo una coercitividad suficientemente alta para que
el campo de la zona transductora no cree campos magnéticos
parasitarios en zonas próximas al árbol con una intensidad
suficientemente grande como para destruir la utilidad, con fines de
detección del par, del campo magnético puro visto por el sensor de
campo magnético. En realizaciones particularmente preferidas, el
árbol está formado por un material policristalino orientado de
manera aleatoria que tiene simetría cúbica y la coercitividad es
superior a 15, de preferencia superior a 20 y, más preferiblemente,
superior a 35.
En otra realización de la invención, estos y
otros propósitos se consiguen proporcionando un sensor de par que
incluya un árbol unitario con una composición química normalmente
homogénea de principio a fin que comprenda zonas activas y pasivas
separadas con propiedades magnéticas adecuadas para su función
correspondiente. Tal sensor de par se hace sometiendo las zonas
adecuadas del árbol a procesos de transformación de fase térmica, a
procesos de transformación de fase mecánica o a combinaciones de
procesos de transformación de fase térmica y mecánica para obtener
la fase metalúrgica deseada correspondiente en cada una tales zonas
para dotar cada una de tales zonas de propiedades magnéticas
adecuadas para su función correspondiente.
La figura 1(a) es un dibujo de conjunto
que muestra el sensor de par de la presente invención que incluye
una zona activa ABC con zonas circunferenciales magnéticamente
contiguas y de polarización contraria formadas en un árbol
sólido.
La figura 1(b) muestra el sensor de la
figura 1(a) que utiliza un árbol hueco en vez de un árbol
sólido.
La figura 1(c) muestra el sensor de la
figura 1(a) con una parte del árbol de mayor diámetro en la
que está formada la zona activa.
La figura 1(d) muestra el sensor de la
figura 1(a) que incluye una zona activa AB con sólo una única
dirección de polarización.
La figura 1(e) muestra el sensor de la
figura 1(a) con una parte del árbol de menor diámetro en la
que está formada la zona activa.
La figura 1(f) muestra el sensor de la
figura 1(e) excepto que la zona activa con el diámetro
reducido está en un árbol separado.
La figura 1(g) muestra el sensor de la
figura 1(a) que incluye una zona activa ABCD con tres zonas
circunferenciales magnéticamente contiguas y de polarización
contraria.
La figura 2(a) es un gráfico que ilustra
un bucle de histéresis "principal" típico.
La figura 2(b) es un gráfico que ilustra
un bucle de histéresis "secundario" típico.
La figura 3 ilustra un alzado frontal y lateral
de una instalación típica de un árbol y de imanes polarizantes para
crear al mismo tiempo dos zonas polarizadas.
La figura 4 es un gráfico que representa la
relación entre la intensidad de los imanes polarizantes y la
sensibilidad del sensor resultante.
La figura 5 es un gráfico que representa la
relación entre la intensidad de campo radial correspondiente que
resulta de la aplicación de par y la posición axial por la zona
activa del árbol.
La figura 6 es un gráfico que representa la
función de transferencia de un sensor de par sin aro hecho con
material de acero de gran velocidad y muestra la relación entre el
par aplicado y la intensidad de campo radial.
La figura 7 es un dibujo de montaje de un sensor
de par de la presente invención que muestra, en el árbol, una zona
activa central formada con un material magnetoestrictivo
ferromagnético y zonas pasivas formadas con un material de baja
permeabilidad.
La figura 8 ilustra un procedimiento para hacer
el sensor de la figura 7.
La figura 9 es un gráfico que representa la
relación entre la separación de rodillos de labrado en frío y la
sensibilidad del sensor resultante.
La figura 10 es un gráfico que representa la
relación entre la duración del laminado del labrado en frío y la
sensibilidad del sensor resultante.
En los últimos años ha aumentado el interés por
un sensor de par magnetoelástico de tipo sin contacto que comprende
un árbol, un elemento con actividad magnetoelástica dotado de
anisotropía magnética uniaxial que tiene la dirección
circunferencial como el eje fácil y está magnéticamente polarizado
en una dirección circunferencial en la superficie del árbol y un
sensor de campo magnético para detectar la intensidad del campo
magnético que se produce como resultado de la aplicación del par en
el árbol. Hasta aquí es más conveniente utilizar una parte
físicamente separada, por ejemplo un anillo o "aro", para
realizar la función del elemento activo. En tal sensor, la
anisotropía magnética uniaxial se desarrolla normalmente como
resultado de una "tensión circunferencial" que proviene de un
ajuste con apriete entre el árbol y el anillo. Según la presente
invención, se ha descubierto que, en vez de crear una interfaz de
anillo/árbol, con sus problemas asociados, un árbol policristalino
en el que un predominio de la distribución de imanaciones locales se
limita dentro de un cuadrante de 90º dispuesto simétricamente
alrededor de la dirección de remanencia circular va a mostrar una
anisotropía magnética en la dirección circunferencial suficiente
para producir un campo magnético sensible a la aplicación del par
en el árbol. Por tanto, parece que si se selecciona con cuidado un
material de árbol ferromagnético, se puede crear una zona activa
directamente en el árbol simplemente mediante polarización
circunferencial. Queda claro, sin embargo, que no se pueden crear
zonas adecuadamente activas en cada árbol ferromagnético. Con
respecto a esto, los intereses principales son estabilidad,
linealidad e histéresis.
La estabilidad, la linealidad y la histéresis
son características que no son completamente independientes de un
transductor de par. Por ejemplo, la presencia de histéresis es un
factor que obviamente limita la linealidad. Además, como la
presencia de histéresis significa que están funcionando procesos de
alteración de imanación irreversible, la posibilidad de que la
función de transferencia asociada a una nueva carrera del par se
repita de manera precisa en la centésima repetición de la misma
carrera no se sabe hasta que se prueba. En general, el cambio de un
bucle de histéresis estable a otro es progresivo (un proceso
denominado "reptación"). Es claramente conveniente evitar o al
menos minimizar los procesos de imanación irreversible. La
alteración de imanación irreversible se produce, la mayoría de las
veces, mediante uno o dos procesos: movimiento de la pared del
dominio y/o rotación vectorial de un eje fácil a otro. Como las
anisotropías presentes en cualquier material práctico son
suficientemente grandes, y como los ejes fáciles van a tener
separaciones angulares sustancialmente más grandes que los ángulos
de inclinación que se producen con esfuerzos torsionales
experimentados de manera normal (por ejemplo 90º a diferencia de
<10º), la rotación vectorial no parece suponer una amenaza
significativa como causa potencial de irreversibilidad en la
función de transferencia aunque la rotación vectorial entre ángulos
fáciles que son casi equidistantes desde la dirección
circunferencial puede estar operativa durante el funcionamiento
cíclico inicial del par. De este modo, si hay una cantidad
significativa de histéresis o reptación en la función de
transferencia del transductor, es más probable encontrar culpable al
movimiento de la pared del dominio.
La influencia del movimiento de la pared del
dominio durante el funcionamiento del sensor y cómo evitar sus
efectos adversos va a quedar claro una vez identificadas y
examinadas aquellas características de un árbol que son activas
durante la operación, y al final durante el funcionamiento, de un
sensor de par sin aro. Estas características incluyen el tamaño y
la forma de las zonas activas y contiguas y varias propiedades del
material. Como puede verse, el funcionamiento del sensor de par
depende de las interrelaciones entre varias de estas
características y de la intensidad de determinadas propiedades
específicas. La ilustración esquemática de la estructura básica de
un sensor de par sin aro que se muestra en la figura 1(a),
junto con la descripción que viene a continuación, ayudan a aclarar
esto.
Refiriéndonos en primer lugar a la figura
1(a), un sensor de par según la presente invención se muestra
normalmente con el número 2. El sensor de par 2 comprende un
transductor 4 y un sensor vectorial de campo magnético 6. El
transductor 4 comprende una o más bandas o zonas circunferenciales
8, 10 de polarización contraria, magnéticamente contiguas y
axialmente distintas que definen únicamente la zona activa o
transductiva del árbol 12. La zona 14 del árbol a la izquierda de A
y la zona 16 a la derecha de B se diferencian de la zona activa
únicamente por la ausencia de cualquier imanación remanente
significativa. El árbol 12 está normalmente formado por un material
magnetoestrictivo ferromagnético que tiene una estructura cristalina
particularmente conveniente, como se describe con más detalle a
partir de aquí, de manera que la zona activa va a estar formada,
igualmente, por un material magnetoestrictivo ferromagnético con
una estructura cristalina. El par 20 se aplica en una parte del
árbol 12 y se transmite así a otra parte del árbol donde el
movimiento del árbol 12 que se debe al par 20 realiza una tarea
útil. El par 20 se muestra en el sentido de las agujas del reloj
mirando hacia el extremo visible del árbol 12, aunque obviamente
puede aplicarse para que gire o tienda a hacer girar el árbol en
una o en ambas direcciones dependiendo de la naturaleza del árbol 12
que incorpora la máquina.
El transductor 4 está polarizado magnéticamente
en una dirección pura y sustancialmente circunferencial, como se
enseña en las patentes U.S. 5.351.555 y 5.520.059, al menos hasta el
punto en el que, en ausencia del par 20 (en un estado de reposo),
no tiene ningún componente de imanación pura en la dirección del eje
11 y no tiene componentes de imanación radial pura. La forma
cilíndrica cerrada del transductor 4 mejora la estabilidad de la
polarización proporcionando un circuito completo.
Como puede verse, debido a la estructura,
selección de material y procesamiento del transductor 4, la
aplicación de un esfuerzo torsional 12 produce una reorientación de
la imanación polarizada en el transductor 4. La imanación
polarizada se va haciendo cada vez más helicoidal a medida que
aumenta el esfuerzo torsional. La helicoidalidad de la imanación en
el transductor 4 depende de la intensidad del par 20 transmitido y
la quiralidad depende de la direccionalidad del par transmitido y
de las características magnetoelásticas del transductor 4. La
imanación helicoidal que resulta de la torsión del transductor 4
tiene un componente circunferencial y un componente axial por el
eje 11. Es de particular importancia el hecho de que la intensidad
del componente axial dependa completamente de la torsión en el
transductor 4.
El sensor vectorial de campo magnético 6 es un
dispositivo detector de vectores de campo magnético situado y
orientado en correspondencia con el transductor 4 para detectar la
intensidad y polaridad del campo que proviene del espacio que rodea
el transductor 4 como resultado de la reorientación de la imanación
polarizada desde la dirección circunferencial estable a una
dirección helicoidal más o menos inclinada. El sensor vectorial de
campo magnético 6 proporciona una señal de salida que indica la
intensidad del par 20. En una realización preferida, el sensor
vectorial de campo magnético 6 es un sensor de efecto Hall con
circuito integrado. Unos cables 24 conectan el sensor vectorial de
campo magnético 6 a una fuente de energía directa, y transmiten la
señal de salida del sensor vectorial de campo magnético 6 a un
dispositivo receptor (no se muestra), tal como un circuito de
control o de monitorización para el árbol 12 que incorpora la
máquina o el sistema. Una descripción más detallada de los tipos,
características, colocaciones y funcionamiento de los sensores
vectoriales de campo magnético aparece en las patentes U.S.
5.351.555 columnas 6-9 y 5.520.059 columnas
7-11 y 25.
Las dos zonas polarizadas circunferencialmente
8, 10 juntas constituyen la zona activa del transductor 4. El
sensor de campo que se muestra está centrado en la "pared"
entre las dos zonas de polarización contraria y orientado para
detectar el campo radial en ese emplazamiento. Se pueden utilizar
uno o más sensores de campo magnético. En general, cada uno de
tales sensores estaría situado cerca de la zona activa y orientado
para tener la máxima efectividad a la hora de detectar el campo que
se crea cuando el árbol está transmitiendo un par. La similitud
entre este transductor y el diseño más convencional de las patentes
U.S. 5.351.555 y 5.520.059 que emplea una zona activa dotada de
anisotropía circunferencial uniaxial ("sensor de anillo") es
obvia. Algunas de las diferencias son también obvias y otras son más
sutiles:
- 1.
- La zona activa en este diseño sin aro básico se caracteriza únicamente por la existencia de las imanaciones remanentes que se indican. Partes del árbol a la izquierda de A y a la derecha de B se diferencian de la parte que está entre A y B únicamente por la ausencia (en tales partes) de cualquier imanación remanente apreciable. Así, exceptuando las razones secundarias asociadas a otras funciones de árbol, o para identificar visualmente la zona activa u optimizar alguna característica del funcionamiento del transductor, ni la composición química, ni el estado metalúrgico, ni el diámetro, ni el tratamiento de superficie ni el acabado del árbol entre A y C es diferente de las partes que están a la izquierda de A o a la derecha de C. Aunque la zona activa dual, es decir dos anillos circunferenciales de polarización contraria y magnéticamente contiguos, tiene la disposición preferida con respecto a la presente invención (si se compara con una única zona polarizada como en la patente U.S. 5.351.555), las razones para esta preferencia tienen más que ver con conseguir el gradiente de imanación claramente definido en B (y por tanto una fuerte divergencia cuando estas imanaciones se inclinan con la torsión) que con evitar los efectos ambiguos de los campos axiales ambientales en los límites definidos con menos claridad que hay entre zonas imanadas circularmente y zonas sin imanación remanente en A y C. Con respecto a esto, hay que observar que si A y C representan los extremos de una zona activa con una sola dirección de remanencia circular, cuando un campo axial inclina el componente axial, este más o menos coincide con el componente axial que se forma en el interior de las zonas no polarizadas que están a la izquierda de A y a la derecha de C. De este modo, a menos que la zona activa esté cerca de un extremo del árbol, los campos axiales producen poca divergencia en la imanación axial, y por esta razón un campo de la "señal". Por otro lado, el esfuerzo torsional aunque también hace que la remanencia circular cree un componente axial, no altera el componente axial de imanación de las zonas no imanadas del árbol. Por tanto, hay una divergencia de este componente y se crea por esta razón un campo externo. Esta divergencia se reduce con respecto a la que se produce en B en la configuración de zona dual, no solamente porque la polaridad de la remanencia se invierte en B, sino porque el proceso de polarización da como resultado un gradiente más difuso en la remanencia en A y C. Con respecto a esto, puede ser en realidad conveniente difundir deliberadamente los "bordes" de la remanencia circular de A y C con miras a reducir la intensidad del campo en estas zonas reduciendo así los efectos de estos campos sobre el material del árbol adyacente.
- 2.
- Como la zona del campo activo (generación de campo) forma parte integrante de un árbol homogéneo, el material del árbol puede ser ferromagnético. Cuanto mayor sea la imanación de saturación, mayor será la posibilidad de que se genere un campo magnético dependiente del par. Los aceros al carbono ordinarios e hipoaleados tienen imanaciones de saturación dentro del mismo campo que las del hierro elemental (4\piM_{s} = 21.600 Gauss = 2,16 Tesla). La aleación normalmente reduce el M_{s} más o menos en proporción al porcentaje de elementos de aleación no ferromagnéticos. El níquel en pequeñas cantidades tiene poco efecto, el cobalto aumenta el M_{s}. Algunos aceros de gran resistencia están hiperaleados, teniendo hasta un 30% de constituyentes combinados que no son de hierro. Sin embargo, cualquiera de los aceros ferromagnéticos que pueden usarse para árboles van a tener indudablemente un M_{s} dentro del 20% del que tiene el hierro. Por tanto, el valor real de M_{s} del material del árbol específico tiene un impacto independiente limitado sobre el funcionamiento del transductor de par.
- 3.
- La zona activa, y por tanto el mismo árbol pueden ser magnetoestrictivos. El producto de la magnetoestricción \lambda y el esfuerzo torsional principal \delta proporcionan la influencia anisótropa magnetoelástica fundamental para el funcionamiento del transductor. Al igual que el sensor de par de la patente U.S. 5.351.555, es esta anisotropía la que inclina el eje fácil en una dirección axial o en la otra, creando así la divergencia de imanación que es la fuente del campo de la señal. Los cristalitos individuales que forman los materiales policristalinos con los que se fabrican los árboles casi nunca tienen magnetoestricciones isotrópicas. En el hierro, \lambda es particularmente anisotrópo, incluso hasta el punto en que varía de señal según la dirección en la que se imane el cristal. Por ejemplo, cuando un único cristal de hierro desimanado de manera ideal se imana paralelo a una arista de un cubo, su longitud en esa dirección aumenta 20 ppm; cuando se imana en paralelo a una diagonal de un cubo, disminuye su longitud en esa dirección 21 ppm. En el lenguaje de los magnetistas, \lambda_{100} = -21 ppm. Pequeños porcentajes (\approx3%) de algunos elementos de aleación, por ejemplo Ni y Si, reducen el valor absoluto de \lambda_{111} dando como resultado una magnetoestricción más isótropa. Existen dos puntos que hay que recordar aquí. En primer lugar, se debe entender que no hay paredes de dominio en el estado de remanencia, o, si se ha formando alguna pared de 90º como resultado de los campos internos, que éstas se han fijado de manera eficaz. En segundo lugar, como la imanación estable se produce por los ejes easy (por ejemplo, en direcciones <100> en árboles de acero típicos), ésta debe girar alejada de estos ejes fáciles mediante la anisotropía \lambda\delta. Con el fin de obtener una función de transferencia lineal, es conveniente que la energía magnetoelástica permanezca en proporción directa con el par (es decir, con \delta). Por tanto, es conveniente que \lambda permanezca constante a medida que los vectores de imanación giran alejados de los ejes fáciles estables mediante \lambda\delta. En algunos cristales, dependiendo de su orientación, la rotación en la dirección +\delta va a acercar el vector a la dirección <111>, de aquí que, si \lambda_{111} es negativo, va a haber, entre las direcciones <100> y <111>, un punto de compensación donde \lambda\delta = 0 para cualquier valor de \delta. En hierro y aceros puros con un contenido de aleación muy bajo, incluso <110> es negativo con lo cual no es posible evitar con estos materiales este estado no deseable para cualquier orientación cristalina. Esta es la razón por la cual Ni y Si son elementos de aleación convenientes.
- 4.
- La zona activa, y por tanto el mismo árbol deben poseer alguna fuente de anisotropía para devolver la imanación a la dirección circunferencial establecida (durante el proceso de polarización) cuando el par se reduce a cero. Para asegurar una respuesta simétrica a los pares CW y CCW, la distribución de esta anisotropía estable debe ser simétrica alrededor de la dirección circunferencial. Para asegurar que la anisotropía magnetoelástica asociada con el par haga que todas las partes imanadas de manera remanente del árbol contribuyan conjuntamente al desarrollo de un componente axial, la anisotropía estable no debe desviarse más de 45º de la dirección circunferencial. Dicho de otro modo, la necesidad de anisotropía es una expresión de la necesidad de limitar la remanencia circular al interior del cuadrante de 90º orientado circunferencialmente. Se puede obtener un funcionamiento satisfactorio si al menos un 50% de la imanación local se encuentra dentro del cuadrante de 90º que está simétricamente dispuesto por la dirección de la remanencia circular. Si la anisotropía estable tiene como fuente principal la anisotropía magnetocristalina asociada con las instalaciones atómicas de una estructura de celosía que posee simetría multiaxial, por ejemplo un material policristalino orientado aleatoriamente en el que cada cristalito tiene simetría cúbica (incluida la simetría cúbica distorsionada, por ejemplo tetragonal) con <100> o <111> ejes fáciles, la remanencia circunferencial estable en más de un 50% de los cristalitos va a cumplir automáticamente el requisito de los "45º". La anisotropía magnetocristalina en hierro y en todos los aceros comunes tiene tal simetría cúbica y por esta razón (en base únicamente a este requisito) son todos materiales candidatos a transductores de par sin aro. La intensidad de la anisotropía del hierro puro se reduce generalmente mediante elementos de aleación comunes, aunque el tungsteno y, en menor medida, el manganeso hacen que aumente. El molibdeno, el vanadio y el estaño hacen que descienda un poco, mientras que el cromo es un poco menos lento a la hora de hacer que la anisotropía disminuya con respecto a la del Fe puro. Unas cantidades suficientes de Ni, Co o Al pueden hacer que la anisotropía descienda a cero (y por debajo de cero). En transductores de par sin aro, nos preocupa que la intensidad absoluta de la anisotropía cristalina (abreviatura de magnetocristalina) sea demasiado baja, ya que ésta es el "resorte" que devuelve la imanación a su dirección circunferencial estable cuando se retira el par. Así, por ejemplo, si la anisotropía cristalina (K_{1}) es menor que \lambda\delta_{r}, donde \delta_{r} es la intensidad de esfuerzos residuales asociados con el procesamiento anterior del árbol, entonces K_{1} ya no es la anisotropía principal y más del 50% de la remanencia estable ya no puede cumplir el requisito de distribución de 45º. Este es el primer indicio de la importancia de las interrelaciones entre las propiedades de los diferentes materiales que son importantes por separado para el funcionamiento del transductor. Mientras que K_{1} y \lambda son propiedades que dependen de su composición (intrínsecas), \delta_{r} y otras propiedades que dependen de su estructura (por ejemplo, texturas, y disposición química o estructural) actúan de acuerdo con las propiedades intrínsecas para determinar la intensidad, orientación y simetría de las anisotropías estables. Además, aunque pequeñas cantidades de Ni o Si aumentan de manera efectiva \lambda, también tienden a reducir K_{1}. Por tanto, al seleccionar la aleación adecuada para el árbol, tenemos que moderar con cuidado el contenido de la aleación.
- 5.
- Aunque ahora se debe entender que en la presente invención el mismo árbol tiene que ser ferromagnético, magnetoestrictivo y proporcionar la intensidad y distribución de orientación necesarias de anisotropía magnética, hasta ahora, no se ha considerado la respuesta de la imanación del árbol a los campos magnéticos. Los materiales ferromagnéticos se caracterizan perfectamente por la intensidad de los cambios de imanación inducidos por los campos magnéticos y por la intensidad de los campos necesaria para inducir cambios de imanación significativos. Como estas características no son funciones de una variable valoradas por separado, se describen de manera conveniente mediante un gráfico de imanación M frente al campo H ya que H varía cíclicamente dentro de una gama bipolar simétrica. Las características más notables de tal bucle de histéresis principal se indican en la figura 2(a), que se describe con más detalle a partir de ahora, en donde las diferentes pendientes y ordenadas varían de un material a otro, las pendientes representan susceptibilidades locales, las ordenadas del eje y son la imanación remanente y las del eje x, la fuerza coercitiva.
Las pendientes que cambian por las diferentes
partes del bucle de histéresis reflejan los diferentes procesos
implicados en los cambios de imanación que se producen en campos de
diferentes intensidades. Nuestro interés por estos detalles no es
únicamente académico ya que, durante el funcionamiento del
transductor de par sin aro, provienen campos magnéticos de la zona
activa y estos campos se extienden no sólo por el espacio en el que
está situado el sensor o los sensores de campo sino también por el
espacio que ocupa el mismo árbol. Los cambios de imanación
generados en las partes no activas del árbol se producen en otros
campos que surgen y estos campos (parasitarios) también se
extienden por las zonas del espacio en el que está situado nuestro
sensor o sensores de campo. Por tanto, con miras a no perturbar la
función de transferencia de la zona activa, es importante que los
campos parasitarios sean muy pequeños, idealmente cero, en
comparación con el campo de la zona activa o, si existe una
intensidad significativa, que cambien linealmente y
anhisterésicamente (o que no cambien en absoluto) con par aplicado,
y que se estabilicen con el tiempo y en cualquiera de las
condiciones de funcionamiento y medioambientales a las que se puede
someter el árbol. Dicho de otro modo, cualquier campo parasitario
que se produzca tiene que ser lo suficientemente pequeño en
comparación con el campo de zona activa para que el campo neto
visto por los sensores de campo sea útil con fines de detección de
par. Como los campos parasitarios tienen como fuente la imanación en
las partes no activas del árbol, es claramente conveniente que tal
imanación se mantenga pequeña, o, si tiene una intensidad
significativa, que cambie poco bajo la acción de los campos
generados por la zona activa (y otros campos ambientales o
accidentalmente impuestos). Se pueden asegurar pequeñas imanaciones
si M_{s} es pequeño o si la susceptibilidad (X =
\DeltaM/\DeltaH), o su pariente cercano, permeabilidad (\mu =
X + 1) es pequeña. Es claramente imposible (en este diseño sin aro
básico) que M_{s} sea pequeño ya que es preferible un M_{s}
grande para la zona activa. De este modo, para minimizar la
influencia perturbadora de los campos parasitarios, es importante
utilizar un material de árbol con una X pequeña en cualquier valor
de campo al que pueda exponerse. El valor de X depende de si el
cambio de imanación se debe principalmente a la rotación vectorial o
al movimiento de las paredes de dominio. La anisotropía soporta la
rotación vectorial, mientras que el movimiento de las paredes de
dominio lo soporta la heterogeneidad. La coercitividad proporciona
una medida de la dificultad experimentada por el campo para alterar
la imanación. El campo coercitivo H_{c} se define como la
intensidad de campo necesaria para reducir la imanación remanente
(la imanación que permanece después de haber sido expuesto a un
campo saturante) a cero. De este modo, en H_{c}, se ha invertido
el 50% de la imanación. Si la inversión de imanación la produce
únicamente la rotación vectorial, H_{c} (para tales procesos
H_{c} también se denomina campo crítico), en materiales
compuestos de cristalitos orientados de manera aleatoria que tienen
una simetría cúbica con K_{1} > 0, es igual a
2K_{1}/M_{s}. Para hierro, K_{1} = 45.000 ergs/cm^{3} y
4\piM_{s} = 21.600 Gauss, H_{c} para rotación vectorial es
524 Oe. Los valores medidos de H_{c} para carbono ordinario y
aceros hipoaleados oscilan normalmente entre 5 y 50 Oe (incluso más
bajos para hierro recocido) dependiendo del contenido de aleación y
de los tratamientos térmico o mecánico. Por tanto queda claro que el
proceso principal mediante el cual se altera la imanación en estos
materiales no es la rotación vectorial sino que más bien es el
movimiento de paredes de dominio. También queda claro que un
material que tiene H_{c} = 50 Oe es mejor para usarlo en un
sensor de par sin aro que un material que tiene H_{c} = 5 Oe. En
consecuencia, serían aún mejores valores todavía más altos de
H_{c}, por ejemplo 524 Oe. En cualquier acero, Hc puede aumentarse
mediante un factor de 5 o más mediante labrado en frío o
termotratamiento. H_{c} es normalmente más alto en el estado
mecánicamente más duro (más fuerte). Esto se deduce del hecho de que
la intensidad refleja la presencia de impedimentos al flujo
(deslizamiento) de una capa de átomos sobre otra dentro del cristal
(dislocaciones, huecos, inclusiones, precipitados, distorsiones
reticulares debidas a átomos intersticiales, esfuerzos, etc.) y
H_{c} refleja el efecto de sujeción en paredes de dominio de estas
mismas heterogeneidades en la estructura cristalina.
Los efectos contradictorios, a menudo opuestos,
de los diferentes materiales y parámetros magnéticos, como se
ilustra antes, presentan un dilema en el diseño de transductores de
par sin aro. Con el fin de tener dispositivos de detección de campo
económicos que detecten fácilmente campos magnéticos de desarrollo
de par y para que sean mayores que los campos ambientales que
normalmente se encuentran, es conveniente que la zona activa
produzca campos lo más grandes posible (favorece \lambda/K_{1}
alto, M_{s} alto). Aún si estos campos tienen suficiente
intensidad para producir cambios en la imanación dentro de la zona
activa, la función de transferencia no va a ser estable con niveles
de par altos (favorece K_{1}/\lambda alto, M_{s} bajo). Si
estos campos tienen suficiente intensidad en partes del árbol que
están cerca de la zona activa, los campos parasitarios resultantes
no pueden perturbar la función de transferencia del transductor en
modos (histéresis, inestabilidad y no linealidad) que disminuyan o
destruyan la utilidad del dispositivo (favorece M_{s}, \lambda
y X bajos, H_{c} y K_{1}altos). Los problemas se pueden mitigar
inmediatamente si las paredes de dominio se pueden sujetar de
manera suficientemente segura para elevar el Hc real hasta cerca del
límite establecido por la anisotropía. Aunque principalmente es un
problema de materiales, la selección de un material de árbol, los
procesos usados para fabricar el árbol y sus posteriores
tratamientos mecánicos y térmicos se hacen normalmente y ante todo
para desempeñar de la mejor manera la función de árbol principal, es
decir, la transmisión de par, con poca preocupación de si estos
factores cumplen las preferencias para la detección de par.
Se debe hacer hincapié en que la descripción
anterior se refiere al diseño sin aro más simple o básico que se
ilustra en la figura 1(a). Como se aclara después en otras
realizaciones de la presente invención, que se describen después,
no hay nada en el concepto de un diseño sin aro que prohíba la
alteración de la zona activa (o las partes no activas del árbol)
para obtener mejores combinaciones de las propiedades significativas
que existen en otras partes del árbol. Así, no es esencial para el
concepto de un transductor sin aro que la presencia de una
imanación remanente sea la única característica que diferencie la
zona activa de zonas contiguas al árbol. En la patente 5.391.555,
columnas 4-15 se describen varios tratamientos
locales y otras modificaciones y se incorporan aquí como
referencia.
Parece que otras variantes del diseño sin aro
básico, en base a la presente interpretación, nos llevan a mejorar
el funcionamiento. Por ejemplo, con referencia a la figura
1(C), si se aumenta el diámetro del árbol una extensión
axial limitada, éste se imanaría circunferencialmente (es decir, la
zona activa está sobre un escalón), la intensidad del campo de la
señal en las partes (ahora no muy) próximas del árbol se reducirían
incluso si la zona activa produjera el mismo campo por par unitario
como el diseño básico de diámetro de la figura 1(a). Además,
el sensor o sensores de campo estarían ahora más lejos de la fuente
de campos parasitarios.
Como ya se ha mencionado, se demuestra que es
conveniente "inclinar" la imanación circunferencial,
difundiendo así los bordes A y C de la zona activa que se muestra
en la figura 1(a). La finalidad aquí es reducir los campos
parasitarios de las partes inactivas del árbol, tanto reduciendo la
intensidad del campo de la señal en estas partes (que reduce la
imanación de estas partes) como reduciendo la intensidad de los
campos que dependen del par que surgirían de estas partes cuando el
campo de la señal los imanara. Este enfoque puede aplicarse
fácilmente inclinando los alrededores de la zona activa o la
intensidad de los imanes usados para crear las polarizaciones que
forman la zona activa.
Por varias razones, parece que los árboles
huecos templados en toda su masa, como se muestra en la figura
1(b), son mejores que los árboles cementados o sólidos. Un
árbol hueco se somete a esfuerzo de manera más uniforme mediante
torsión que un árbol sólido, por tanto toda la sección transversal
puede intervenir en el campo de la señal. No es posible crear una
remanencia circular a través de un árbol sólido. Incluso si se
aplica esto a un árbol de mayor diámetro llega a ser poco práctico.
Incluso aunque se pudiera conseguir una imanación circular, las
zonas centrales del árbol ayudarían poco al campo de la señal ya que
éstas se someten a poco esfuerzo. Además, estas zonas centrales se
convierten en "material permeable aproximado" y bien podrían
ser una fuente de los campos parasitarios, disminuyendo así el
funcionamiento del transductor de par en vez de ayudarlo. Esta
propiedad potencialmente negativa de los árboles sólidos, en
general, empeoraría ya que, incluso en árboles templados en toda su
masa (en donde la dureza se obtiene como resultado del templado),
las zonas centrales no son normalmente tan duras como las zonas
superficiales y por esta razón van a tener un H_{c} menor. Por
estas razones, parece que el temple en toda su masa es más
conveniente que el cementado. Por otro lado, el temple superficial
mediante nitruración puede ser beneficioso ya que puede aumentar más
la dureza de algunos aceros elevando así probablemente el H_{c}.
También se sabe que los tratamientos criogénicos aumentan
sustancialmente la dureza de los materiales de árbol usados
normalmente (cementados) (por ejemplo, entre Rockwell 60 a 64 para
8620 y entre R55 y R62 para 4320). Tales tratamientos también pueden
elevar el H_{c}.
La figura 1(d) ilustra el mismo sensor
que el de la figura 1(a) excepto en que la zona activa está
polarizada en una sola dirección. Esta estructura es adecuada para
árboles sólidos o huecos aunque no es buena para árboles
escalonados ya que las zonas extremas (A y B) desarrollan polos en
un campo magnético axial. Se ha encontrado que la colocación de un
segundo sensor en el extremo derecho de la zona activa (se muestra
con líneas de trazos) ayuda a reducir la sensibilidad a los campos
ambientales en la dirección diametral.
La figura 1(e) ilustra el mismo sensor
que el de la figura 1(a) excepto en que el diámetro del árbol
en la zona activa es más reducido que el del árbol principal. En
esta configuración, los "polos" magnéticos que se forman en A
y C cuando el árbol incluye par, son menos efectivos para imanar el
mayor volumen de material en las zonas contiguas. Esto va a reducir
la intensidad de los campos parasitarios que ayudan a estas zonas.
Esta estructura también permite colocar el sensor o sensores de
campo radialmente hacia dentro desde las superficies de las
secciones de diámetro más grande, hasta emplazamientos donde se
reduce la intensidad de los campos parasitarios. Al igual que con
el diseño escalonado de la figura 1(d), esta estructura no es
adecuada para usar con una única zona polarizada.
La figura 1(f) ilustra el mismo sensor
que el de la figura 1(e) excepto en que la zona activa está
ahora formada en un árbol separado. Aunque se muestra con un
diámetro reducido por toda su longitud, la sección entre A y C de
este árbol magnetoelásticamente activo puede de hecho tener el mismo
diámetro o un diámetro mayor que las secciones de diámetro del
árbol principal al que está unido (que no necesita tener el mismo
diámetro en cada extremo). El árbol activo puede unirse de manera
rígida a los árboles principales mediante ajustes con apriete,
clavamiento, soldadura, hilos de rosca o equivalentes. Los árboles
principales están hechos preferiblemente con un material no
ferromagnético, por ejemplo acero inoxidable, latón de aluminio,
fibra de vidrio, plástico, etc., aunque también pueden hacerse con
un material ferromagnético poco permeable, de preferencia con una
magnetoestricción baja, por ejemplo acero al carbono ordinario
templado, y no pueden crear campos parasitarios significativos. El
árbol activo puede ser hueco o sólido y está circunferencialmente
polarizado únicamente entre AB y BC. Como las zonas AA' y CC'
también incluyen porcentajes menores del par, sus ayudas a los
campos parasitarios son mínimas. También aquellas partes del árbol
activo que no están en la zona activa no pueden acceder fácilmente
a fuentes locales de campos posiblemente perturbadores tales como
herramientas imanadas (destornilladores, llaves inglesas, etc.).
La figura 1(g) ilustra el mismo sensor
que el de la figura 1(a) excepto en que tiene tres (3) zonas
circunferencialmente polarizadas y dos (2) "paredes de
dominio" con una fuerte divergencia (en B y C). La intensidad de
campo aumentada entre medias también permite el uso de un solo
sensor de campo axialmente orientado (se muestra en líneas
discontinuas) en vez de dos sensores de campo, uno en cada pared del
dominio.
La figura 2(a) ilustra la forma y las
características más notables de un bucle de histéresis
"principal", es decir uno en el que los campos restrictivos
son suficientes para que la imanación muestre signos de saturación
cercana. Esto se demuestra por el achatamiento de los extremos del
bucle y la reducción de la diferencia de imanaciones entre
"curvas" ascendentes y descendentes del bucle. Los bucles de
histéresis representan de manera efectiva fenómenos dinámicos; son
atravesados en el sentido contrario al de las agujas del reloj -
hacia arriba y hacia la derecha, hacia abajo y hacia la izquierda,
etc. Para el bucle principal que se muestra aquí, debe quedar claro
que más aumentos en el campo que sobrepasen \pm 100 Oe no van a
elevar las imanaciones máximas significativamente por encima de
\pm 18 kG. Cuando el campo se reduce a cero una vez alcanzados
estos valores de "saturación técnica", la imanación
"retrocede" a un valor que se indica como R (o R' para campos
de polaridad contraria). R y R' representan la imanación
"remanente". El valor de R en el bucle que se muestra es de
15,8 kG. La "relación de remanencia", es decir, la relación
entre la imanación remanente y la imanación máxima, para este bucle
es (15,8/18) = 0,878. En un material con anisotropía uniaxial en la
dirección de campo, la relación de remanencia sería igual a 1,00,
su valor más alto posible. Si la dirección de campo es perpendicular
a la anisotropía en tal material, la relación de remanencia sería
cero, su valor más bajo posible. En un material que tiene una
orientación aleatoria de cristalitos cúbicos con ejes fáciles por
las aristas del cubo, este ratio sería de 0,8312. Si los ejes
fáciles estuvieran por diagonales de cubo, la relación de remanencia
sería de 0,866. La relación de remanencia relativamente alta del
bucle que se muestra en la figura 2(a) indica que los
cristalitos no están orientados aleatoriamente o que está presente
alguna otra influencia anisotrópica. En cualquier caso, bucles de
histéresis para otras direcciones de campo mostrarían normalmente
relaciones de remanencia mayores o menores (diferentes).
El valor del campo en el que la imanación se
reduce a cero (puntos C y C'), es el "campo coercitivo". El
campo coercitivo normalmente aumenta al aumentar las carreras de
campo máximas, llegando a un valor máximo (denominado la "fuerza
coercitiva") en el punto de saturación. El campo coercitivo en el
bucle que se muestra es de 30 Oe, un valor únicamente un poco menor
que la fuerza coercitiva del material hipotético que muestra el
bucle que se indica. Si la inversión de imanación entre R y C se
hiciese mediante rotación coherente (en cada dominio) de los
momentos locales frente a una anisotropía cristalina de 400.000
ergs/cm^{3} (un valor típico para aceros hipoaleados), la fuerza
coercitiva sería 2 x 400.000/(18.000/4\pi) = 559 Oem cerca de 19
veces el valor observado. De este modo, si el bucle mostrado es
para un material de este tipo (por ejemplo acero hipoaleado), la
inversión de imanación se produce principalmente y de forma clara
mediante el desplazamiento de la pared del dominio en vez de
mediante rotación coherente.
A y A' en la figura 2(a) indican los
extremos de un bucle de histéresis "secundario", es decir, un
bucle en el que las carreras de campo máximas son
significativamente menores que la fuerza coercitiva. Una vista
aumentada de este bucle secundario se muestra en la figura
2(b). Aunque la remanencia y el campo coercitivo de este
bucle se ven bastante pequeños, estos no son cero. Por tanto,
incluso para carreras de un campo aplicado, se ve que las
alteraciones de imanación incluyen un poco de irreversibilidad.
Cuanto más pequeña es la carrera de campo de un bucle secundario,
con respecto a la fuerza coercitiva, más pequeñas son estas
características irreversibles. Para carreras de campo muy pequeñas
(relativas), el "bucle" se reduce a una línea recta a través
de AA'. En cualquier caso, la pendiente de la línea recta a través
de AA' de bucles secundarios se conoce como susceptibilidad
reversible (X_{rev}). En un espécimen imanado, el valor de
(X_{rev}) cambia poco (quizás \pm 15%) en cualquier punto del
bucle principal dentro del campo coercitivo. Aunque los bucles
secundarios para material uniaxial no muestran ni remanencia ni
coercitividad, normalmente muestran un (X_{rev}) finito en campos
perpendiculares a la anisotropía y (X_{rev}) cero (para
anisotropía perfectamente uniforme y coherente) en campos paralelos
al eje de anisotropía.
El hecho de que la mayoría de los materiales
muestren una remanencia X_{rev} y una coercitividad finitas,
incluso en campos pequeños, es claramente apropiado para el
funcionamiento de transductores de par sin aro. Debido a su
(X_{rev}) finita, la zonas del árbol expuestas a los campos
generados por la zona activa cuando se aplica el par en el árbol
desarrollan una imanación. Dentro de la misma zona activa, estos
campos se denominan campos "desimanantes" ya que actúan en una
dirección que tiende a oponerse a la inclinación de la imanación
circular estable. Como tales campos nunca pueden ser más fuertes
que sus agentes causativos, su acción consiste simplemente en
reducir el efecto del par, es decir, reducen la sensibilidad
potencial del transductor. Debido a la remanencia y coercitividad
finitas del material del árbol, la imanación reactiva en las zonas
no activas varía en un modo histerésico con el par aplicado. Como
los campos causativos también se desprenden con la distancia de la
zona activa, estas imanaciones reactivas no son uniformes. Tampoco
se dirigen circunferencialmente. Además, como el material de árbol
es magnetoestrictivo, la imanación en las zonas imanadas
reactivamente va a variar según el par aplicado. Por consiguiente,
estas mismas zonas anteriormente pasivas y recientemente imanadas
aportan componentes de campo en el espacio interno del árbol y en el
espacio que lo rodea. El campo neto visto por los sensores de campo
(es decir el campo de la señal) es así el resultado del campo
propuesto desde la zona activa y los campos parasitarios desde las
zonas reactivas. Como era de esperar, la función de transferencia
lineal y no histerésica ideal del transductor puede verse perturbada
por la inevitable presencia, en diseños sin aro, de material
imanable próximo. La conveniencia de mantener la coercitividad alta
debe quedar ahora clara.
El funcionamiento del transductor requiere que
la "superficie" del árbol esté imanada de manera remanente en
una dirección circunferencial. El material que no esté imanado
circunferencialmente puede llegar a imanarse de manera reactiva y
convertirse así en una fuente de campos parasitarios. Aunque, en lo
que se refiere a profundidad de imanación, parece, por tanto, que
es mejor cuanto más profunda, dos factores reducen la necesidad de
imanar circunferencialmente toda la sección transversal del árbol.
En primer lugar, la reducción del esfuerzo cortante torsional a
medida que aumenta la distancia desde la superficie, reduce la
aportación potencial relativa al campo de la señal desde las zonas
más centrales de la sección transversal de árbol. En segundo lugar,
aunque estas zonas más profundas desarrollaran intensidades de
campo útiles en su emplazamiento, su aportación a la intensidad del
campo en el emplazamiento del sensor de campo (un poco alejado
radialmente hacia fuera de la superficie del árbol) se reduciría
sustancialmente. Estos mismos factores reducen la posibilidad de que
zonas profundas interiores imanadas no circunferencialmente
produzcan campos parasitarios significativamente molestos en
sensores de campo "alejados". El primer factor limita la
profundidad de la imanación circunferencial requerida en árboles
pequeños a quizás el 50% del radio. El segundo factor indica que
incluso en árboles muy largos, una imanación circunferencial más
profunda de entre 10 y 20 mm proporcionaría muy pocos beneficios.
En muchos árboles huecos, las penetraciones a tales profundidades
llegarían a la superficie interior. Este estado sería conveniente
para árboles huecos, especialmente para árboles huecos de paredes
delgadas, ya que se hacen huecos para usar de manera más eficaz la
resistencia del material disponible y reducir peso. Si toda la
sección transversal del árbol transmite un par útil, tendría sentido
que toda la sección transversal aportara el campo de la señal en
vez de tener parte de la misma separada del campo de la señal y
después aportara los campos parasitarios. En la práctica, sin
embargo, es extremadamente difícil imanar a una profundidad mayor
de aproximadamente entre 1 y 2 mm, incluso en árboles con un
diámetro grande, ya que ahora es difícil generar un campo magnético
suficientemente intenso desde la fuente de campo magnético.
Teniendo en cuenta el medio disponible para
crear imanación circunferencial, el no tener que polarizar toda la
sección transversal es casual. En las patentes U.S. 5.351.555,
columnas 13 a 14 y 5.520.059, columnas 15 a 16 y 26 a 28 y en la J.
Appl. Phys. 79 (8), 4756.1996, se describen métodos y procedimientos
de polarización. La creación de la zona activa en transductores de
par sin aro necesita otros dos factores a tener en cuenta. En
primer lugar, como la zona activa tiene normalmente una extensión
axial limitada y se va a colocar en una posición axial deseada por
el árbol, no son adecuados los procedimientos que implican la
conducción de corrientes eléctricas a través de todo el árbol o a
través de conductores coaxiales que atraviesan árboles huecos.
Aunque son posibles varias configuraciones para hacer pasar
corrientes eléctricas a través de longitudes axiales limitadas y
bien definidas, éstas tendrían una aplicabilidad restringida y no
ofrecerían ninguna ventaja conocida. La polarización mediante
rotación a través del campo con una intensidad fuerte, de imanes
permanentes o electroimanes próximos es el procedimiento preferido
ya que puede usarse el mismo equipo y proceso de polarización para
una amplia gama de diámetros y material de árbol. Con este
procedimiento, la longitud axial de la zona activa y su
emplazamiento axial pueden controlarse de manera exacta. En segundo
lugar, la polarización de transductores de par sin aro va a
necesitar campos imanantes más intensos que la polarización de
diseños de "anillo sobre árbol" convencionales. Esto deriva
directamente de las comparaciones de los bucles de histéresis
principales de materiales que son respectivamente adecuados para
cada diseño y de considerar que la penetración del campo imanante
en diseños sin aro va a ser en general mayor que en diseños de
anillo delgado para el mismo tamaño de árbol y que las zonas
internas de los árboles usados en diseños sin aro tienen de manera
inherente mayores permeabilidades que los árboles usados con
diseños de anillo. El material permeable próximo tiende a
"cortocircuitar" el flujo procedente de los imanes
polarizantes, disminuyendo así la intensidad de campo que se puede
realmente obtener. Sin embargo como ya se ha comentado, el
resultado es el mismo - el material permeable que está entre el
imán generador y el seleccionado protege al seleccionado del campo
del imán. En este caso, las zonas superficiales protegen las zonas
internas limitando así la profundidad de polarización. Como se
muestra en la IEEE Trans. Mag 28(5), 2202, 1992 (figura 5) y
en la figura 5 del citado documento J. Appl. Phys., los bucles
principales de anillos que están bajo tensión circunferencial son
cuadrados (anisotropía axial) y normalmente muestran campos
coercitivos de solamente unos cuantos oersted. Por otro lado, los
bucles principales de materiales de árbol de transductores de par
van a mostrar rasgos más redondeados (anisotropía cúbica aleatoria)
y coercitividades superiores a aproximadamente 15 Oersted. Se
prefieren coercitividades de 35 o más. Como los "lóbulos" de
campo inverso del campo procedente del imán imanante son los que
llevan a cabo la polarización y como la intensidad de estos lóbulos
es de únicamente más o menos el 20% del lóbulo de campo directo, y
también como la "saturación técnica" (necesaria para maximizar
la remanencia) requiere campos de al menos dos veces la fuerza
coercitiva del material de árbol, y finalmente, como es mejor una
fuerza coercitiva grande para minimizar campos parasitarios y
maximizar la estabilidad, queda clara la necesidad de imanes
polarizantes fuertes para diseños sin aro. Con árboles huecos que
tengan un diámetro suficientemente grande, puede ser ventajoso, en
lo que se refiere a obtener una polarización profunda uniforme de
la zona activa, emplear imanes polarizantes internos y externos que
cooperen entre sí. Una instalación típica de árbol e imanes
polarizantes se ilustra en la figura 3 que muestra una instalación
de imanes polarizantes y un árbol para crear al mismo tiempo dos (2)
zonas contiguas magnéticamente polarizadas, como en el diseño sin
aro que se ilustra en la figura 1(a). El número de fuentes
de campos polarizantes va a ser en general el mismo que el número de
zonas polarizadas que se crean.
En la realización más sencilla, los imanes
polarizantes consisten normalmente en imanes permanentes de alta
energía (por ejemplo, samario-cobalto o
neodimio-hierro-boro) que se
retienen cerca la superficie del árbol mientras el árbol gira
alrededor de su eje en cualquier dirección. Con árboles de mayor
coercitividad, se pueden asegurar "piezas de polo" magnéticas
suaves en cada imán permanente y conformarlas y separarlas de
manera adecuada para usar de la manera más efectiva el imán
disponible mmf (para dirigir flujo magnético a través del árbol).
La figura 3 muestra dos de tales imanes polarizantes "1" y
"2", con polaridades contrarias respectivamente y un poco
separadas axialmente. Las flechas en negrita en el árbol indican las
direcciones de las imanaciones remanentes circunferenciales
resultantes, es decir, las zonas polarizadas, que juntas constituyen
la zona activa del transductor. Las líneas perpendiculares al eje
del árbol son los salientes de los límites de estas zonas
polarizadas. Se puede observar que la anchura (la extensión axial)
de estas zonas sobrepasa un poco la anchura de los imanes
polarizantes. La parte sombreada que está entre dos zonas de
polarización contraria representa una subzona dentro de la cual la
imanación remanente realiza una transición de una dirección
circular a la otra. La anchura de esta zona de transición puede
hacerse más grande según se desee simplemente aumentando la
separación de los dos imanes polarizantes. Aunque la anchura de la
zona de transición puede disminuirse disminuyendo esta distancia de
separación, existe una distancia de separación mínima más allá de
la cual la zona de transición no va a disminuir. Debe quedar claro
que a medida que los imanes 1 y 2 se acercan entre sí, sus campos
correspondientes se debilitan entre sí. Cuando se acercan lo
suficiente para tocarse, ya no va a haber más polo Norte ni polo
Sur en su interfaz, por tanto va a haber una distancia determinada
por los mismos imanes antes de que haya una intensidad de campo
adecuada en la dirección circunferencial para polarizar el árbol.
La anchura mínima de esta zona de transición depende de la
intensidad efectiva de los imanes polarizantes y de la fuerza
coercitiva del material de árbol, que disminuye cuando aumenta la
primera y aumenta cuando aumenta la segunda. La anchura óptima de
la zona de transición va a depender del tipo, tamaño y orientación
del sensor o sensores de campo usados para detectar el campo que
depende del par. En el caso de que se desee obtener una zona de
transición más estrecha que la que se puede obtener con los imanes
polarizantes 1 y 2 cuando están en sus posiciones paralelas, un
desplazamiento angular alrededor del eje del árbol, de un imán con
respecto al otro, va a proporcionar la separación necesaria para
reducir su interacción mutuamente debilitante. En la figura 3, se
ilustra la máxima separación de 180º por motivos de conveniencia. En
vez de estar el imán 2 al lado del imán 1, ahora está girado hasta
la posición que se ilustra en líneas discontinuas y que se indica
como imán 2'. También sería posible imanar una zona cada vez, es
decir, girar el árbol sólo con el imán 1 en su lugar, después
retirar el imán 1 y girar el árbol con el imán 2 en su lugar. En
todos los esquemas que usan imanes permanentes, es necesario
apartar los imanes de sus posiciones cercanas al árbol (como
alternativa, se puede deslizar una "armadura magnética" entre
los polos de cada uno) antes de que termine el giro del árbol. Se
pueden usar de manera conveniente electroimanes para polarizar ya
que se puede ajustar su "intensidad" y éstos pueden
"desconectarse" de manera efectiva sin movimiento físico de los
imanes o de las
armaduras magnéticas.
armaduras magnéticas.
En la figura 4 se muestra un ejemplo de la
dependencia del funcionamiento del transductor de par (medido
mediante la sensibilidad, es decir, campo por par unitario) sobre
la "intensidad" de los imanes polarizantes (medida mediante la
fuerza magnetomotriz (mmf) y la reluctancia de circuito magnético).
En esta figura se puede apreciar directamente la completa ausencia
de un campo dependiente del par para corrientes imanantes por debajo
de aproximadamente 1,5 A. Esto demuestra que el campo efectivo
tiene que alcanzar una intensidad crítica antes de que el material
de árbol desarrolle cualquier remanencia circunferencial
significativa. Esta intensidad crítica está relacionada con la
fuerza coercitiva del material de árbol ya que la intensidad de los
lóbulos de campo inverso debe aproximarse a la coercitividad del
material de árbol, en este caso 44 Oe, para desarrollar una
remanencia significativa. Dicho de otro modo, el campo debe obtener
suficiente intensidad para una "propagación" a gran escala de
las paredes de dominio. A medida que la corriente imanante aumenta
por encima de un valor umbral (en este caso por encima de 1,5 A),
se ve que la sensibilidad aumenta continuamente. Aunque el aumento
de sensibilidad a medida que aumenta la corriente es rápido al
principio, pronto disminuye, mostrando signos de alcanzar al final
un valor máximo. Un examen de los puntos de datos en 12 y 15 A con
espacio cero entre los imanes y el árbol, muestra que la saturación
anticipada de la sensibilidad que se puede obtener con el hueco de
0,25 mm es más una estratagema del aparato que de la saturación
verdadera de la remanencia de árbol. Estos dos puntos de datos
ilustran la dificultad de obtener un valor saturado de sensibilidad
y la importancia de minimizar la reluctancia en el circuito
imanante. La función de transferencia que se muestra aquí es el
resultado combinado de las siguientes propiedades y fenómenos:
- 1.
- el crecimiento en el campo coercitivo con imanación máxima;
- 2.
- la fuerza coercitiva del material de árbol;
- 3.
- la penetración radialmente hacia dentro de la amplitud de campo crítico con mmf;
- 4.
- la disminución del esfuerzo cortante lejos de la superficie;
- 5.
- la disminución de la imanación axial lejos de la superficie;
- 6.
- la disminución del campo por par unitario lejos de estas zonas internas;
- 7.
- el aumento de la distancia del sensor de campo desde fuentes de campo incluso más internas;
- 8.
- la reducción de anchura de la zona de transición a medida que aumenta la intensidad de campo polarizante;
- 9.
- la no linealidad (saturación) del campo polarizante con corriente cada vez mayor.
\vskip1.000000\baselineskip
Una vez creada una zona activa mediante
polarización o polarizaciones circunferenciales locales, el árbol
puede identificarse de manera adecuada como un transductor de par.
La zona activa está preferiblemente formada por polarizaciones
duales. Aunque en realizaciones normales, la inclinación de la
imanación remanente que resulta de la aplicación del par se detecta
mediante un dispositivo próximo responsable de la intensidad de
algún componente del campo magnético que resulta de tal inclinación
de imanación, también se pueden detectar cambios en el componente
axial de la imanación remanente asociada con tal inclinación
mediante el voltaje (emf) inducido en una bobina que rodea el árbol
y está centrado en una zona polarizada circunferencialmente. El
componente axial de imanación (proporcional al par) puede
recuperarse integrando el emf inducido con el tiempo. En el
presente estado de la tecnología electrónica no existe ningún
integrador sin variación, aunque se puede conseguir una variación
pequeña en el periodo de tiempo corto - en el orden de entre varios
segundos y varios minutos. Sin embargo, en aplicaciones en las que
el par que nos interesa sólo existe durante cortos periodos de
tiempo, por ejemplo, en herramientas de pulsiones y de impulsos,
este es un dispositivo de detección viable, en concreto en
estructuras que tienen sólo una única polarización en la zona
activa.
La figura 5 ilustra el modo en el que la
intensidad de campo radial correspondiente (surge con la aplicación
de par) varía según la posición axial en la zona activa de un árbol
polarizado con la polarización en la sensibilidad más alta que se
puede obtener mostrada en la figura 4. La forma normal de esta
distribución de campo concuerda con el campo aproximadamente
cuadripolar que se espera de dos zonas adyacentes con imanaciones
axiales directamente opuestas. Por ejemplo, esta es la forma de la
distribución de campo que se vería en el espacio que rodea dos
imanes rectos coaxiales colocados con polos similares en contacto.
Un examen detallado de esta figura muestra características que
reflejan tanto la distribución física del aparato polarizante como
las propiedades magnéticas del material de árbol. Por ejemplo, se
puede observar que el pico central es en realidad dos picos con un
pequeño valle entre medias. Este es el tipo de distribución de campo
que uno espera de dos imanes rectos si sus polos similares están
algo separados. Es, por tanto, una clara indicación de la presencia
de una zona de transición con una anchura significativa. La
desigualdad de altura de los dos picos probablemente representa
pequeñas diferencias en los dos imanes polarizantes. Como puede
verse en la figura 4, pequeños cambios de distancia entre los
trozos de polo magnético y el árbol pueden afectar de manera
significativa a la sensibilidad. Una pequeña falta de paralelismo
entre las superficies de imán y el árbol evitaría que los dos imanes
usados para obtener estos datos estuvieran exactamente a la misma
distancia del árbol o tuvieran toda su anchura rozando el árbol.
Como la anchura del espacio que hay entre los imanes usados para
obtener estos datos es de 2,5 mm, más o menos la misma que la
separación axial de los picos, la anchura correspondiente de la zona
de transición y la separación de los imanes que se indica en la
figura 3 (en donde la zona de transición es más estrecha que la
separación entre imanes) no es claramente un resultado normal. Con
lo que ya se ha descrito, debe quedar claro que la zona de
transición puede ser más ancha que esta separación. Por otro lado,
cuando nos damos cuenta de que la distancia entre los picos más
pequeños (polaridad inversa) que es inferior a \pm 15 mm cubre
toda la dimensión de los imanes de 27,5 mm, debe quedar claro que
para imanes muy separados (en donde la zona polarizada va a cubrir
la anchura de los imanes por ambos extremos), es posible que la zona
de transición sea más estrecha que la separación entre imanes. Con
esta interpretación del proceso de polarización, ahora puede
apreciarse la ayuda del punto 8, anterior, a la lenta aproximación a
un valor saturado de sensibilidad. Un sensor de campo situado en el
centro geométrico del espacio que hay entre los imanes va a indicar
un aumento de sensibilidad a medida que disminuye la profundidad
del valle que hay entre los picos.
Los picos duales y la simetría imperfecta de la
curva que se muestra en la figura 5, representan únicamente un
resultado experimental. En algunas aplicaciones puede ser
conveniente tener un único pico central afilado, mientras que en
otras aplicaciones, sería conveniente un pico central relativamente
plano y redondeado (por ejemplo para reducir la variación de
sensibilidad al "movimiento" axial por el árbol). En general, y
también para simplificar las explicaciones del dispositivo, sería
preferible una curva simétrica con un solo pico central. Por otro
lado, puede haber aplicaciones específicas en las que se podrían
distribuir de manera ventajosa dos, varias o más zonas polarizadas
individuales por un árbol. En efecto, tal árbol contendría más de
una zona activa, teniendo para varios fines especiales, las mismas
polarizaciones circunferenciales o directamente contrarias. Las
características distintivas de tales distribuciones múltiples de
zona son que los campos que provienen de cada una de tales zonas
son, en un espacio próximo, independientes entre sí. Un trazado tal
como el que se muestra en la figura 5 muestra entonces picos
positivos y negativos simétricos (de igual amplitud) en los
extremos de cada zona polarizada o cerca de los mismos. Debe quedar
claro que, en transductores con más de una zona polarizada, es la
anchura de la zona de transición la que establece la diferencia de
características de las zonas activas como zonas polarizadas
múltiples individuales o individuales múltiples.
Una cuestión relacionada que hay que tratar
brevemente es la influencia de la extensión axial de la zona activa
en el funcionamiento del transductor de par. Hay que examinar las
dimensiones de la zona activa desde dos puntos de vista. En primer
lugar, naturalmente, está la cuestión de cuánto espacio hay
disponible en el árbol para aplicar la función de detección de par.
Si en una aplicación específica este espacio está estrictamente
limitado, debido a la proximidad de material imanable no asociado,
por ejemplo: cojinetes de bolas, engranajes, etc., esto se
convierte en una cuestión fundamental. Si se dispone del espacio
deseado, las dimensiones de la zona activa se van a elegir de
manera normal para obtener la sensibilidad deseada (es decir, campo
de la señal por par unitario). El objetivo aquí no consiste
simplemente en maximizar la intensidad del campo en el valor de
pico del par aplicado sino más bien consiste en obtener una
intensidad de campo conforme al tipo y orientación preferidos de
sensor o sensores de campo magnético (o componente de imanación
axial). Un campo de señal demasiado alto no solo puede saturar
algunos tipos de sensores de campo, sino que también puede imanar
material ferromagnético cercano en partes de máquinas que desempeñan
funciones no relacionadas con la detección de par. Como la
intensidad del campo de la señal es el producto de un factor de
desimanación (que disminuye según aumenta la longitud de la zona
activa) y el componente axial de imanación (que aumenta según
aumenta la longitud de la zona activa), la longitud de la zona
activa no es un determinante de la sensibilidad de la intensidad de
campo. De este modo, si se construye una familia completa de
transductores de par con una amplia gama de pares que varía
considerablemente (es decir, con varios diámetros de árbol), puede
resultar ventajoso utilizar una zona activa con las mismas
dimensiones para todos con miras a permitir usar el mismo diseño de
sensor de campo con todos. Por lo que se refiere al diámetro de
árbol, una gama útil de dimensiones puede ser algún múltiplo
entero, por ejemplo cuatro (4) veces el diámetro para árboles
pequeños en el orden de 3 mm de diámetro, una (1) vez el diámetro
para árboles en el orden de 20 mm de diámetro, 0,3 veces el diámetro
para árboles en el orden de 100 mm. Resultaría útil considerar que
la longitud de la zona activa esté entre 5 y 100 mm para árboles
con un diámetro de entre 1 y 100 mm. La extensión axial de la zona
activa se determina, en la mayoría de los casos, mediante
consideraciones prácticas tales como que la zona debe ser lo
suficientemente grande como para desarrollar un campo prácticamente
útil y debe ser medida de manera adecuada para ser detectada por
sensores vectoriales magnéticos prácticamente útiles y disponibles
comercialmente. En el caso de que los extremos efectivos de tales
zonas se hagan a propósito para su difusión, las "dimensiones"
de la zona activa llegan a ser aún menores que las de un ejemplar.
La conveniencia de diseño es el factor principal para determinar
las dimensiones y el emplazamiento o emplazamientos axiales de la
zona o zonas activas. En general, va a ser preferible colocar zonas
activas en áreas del árbol que estén suficientemente alejadas de sus
extremos para no verse afectadas por imanaciones procedentes del
medio ambiente, fuentes de campo magnético secundarias o
imprevistas.
Como ya se ha indicado, es necesario que el
árbol tenga una combinación adecuada de propiedades mecánicas,
magnéticas y magnetoelásticas para que pueda funcionar como un
transductor de par sin aro. Combinaciones adecuadas de propiedades
se encuentran en muchos aceros normalmente disponibles. Varias
aleaciones de "imán permanente" que también poseen
combinaciones adecuadas de resistencia y ductilidad también son
adecuadas, aunque su limitada disponibilidad comercial y su coste
relativamente alto van a restringir su uso en aplicaciones
especiales. Obtener la combinación necesaria de propiedades
mecánicas y magnéticas es tanto una función del estado metalúrgico
como de la composición química; por tanto el material de árbol
elegido se va a someter casi con toda seguridad a alguna forma de
tratamiento térmico (y/o tratamiento mecánico). Este consiste a
menudo en un calentamiento hasta una temperatura adecuada y en un
enfriamiento a una velocidad controlada (por ejemplo, templado en
aire, aceite o agua) seguido de un recalentamiento a una
temperatura inferior y a un enfriamiento mucho más lento (templado
- también "normalización térmica" para precipitar compuestos
intermetálicos). Se puede confirmar que los procesos criogénicos
son adecuados para optimizar y/o estabilizar las propiedades
obtenidas. En cualquier caso, el objetivo de todos estos
tratamientos es reforzar al mismo tiempo el material mecánicamente
(elevar su límite elástico) y "endurecerlo" magnéticamente
(elevar su fuerza coercitiva). En general, se va a ver que el
material en su estado final debe tener una fuerza coercitiva
(H_{c}) preferentemente superior a 1,2 KA/m (15 Oe), más
preferiblemente superior a 1,6 KA/m (20 Oe), de manera más deseable
superior a 2,8 KA/m (35 Oe), y de manera ideal, superior (cuando se
mide en la dirección de ese campo) a la mayor intensidad de campo
magnético que se va a producir con la aplicación del máximo par
esperado.
A continuación, se muestran ejemplos de
categorías de materiales que se han encontrado adecuados para
transductores de par sin aro. Se indican grados típicos en cada
categoría.
- 1.
- Aceros Inoxidables Martensíticos (de preferencia templados al aire) Grados AISI/SAR: 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C
\vskip1.000000\baselineskip
- 2.
- Aceros Inoxidables Templados Mediante Precipitación (que contienen cromo y níquel)
- Grados AISI/SAR: 15-5PH, 17-4PH, 15-5PH, 17-7PH, PH 13-8Mo
\vskip1.000000\baselineskip
- 3.
- Aceros Aleados (enfriados y templados - a veces cementados o nitrurados)
- Grados AISI/SAR: 4140, 4320, 4330, 4340, 4820, 9310
- Denominaciones típicas: 300M, Aermet 100, 98BV40, 9-4-20, 9-4-30
\vskip1.000000\baselineskip
- 4.
- Aceros para Herramientas (de preferencia aceros hiperaleados "limpios" enfriados y templados)
- Grados AISI/SAR: A, D, H, L, M, O, T, W y aceros para herramientas con alto contenido de cobalto y de gran velocidad.
\vskip1.000000\baselineskip
- 5.
- Aceros Maragin (con alto contenido de níquel y bajo contenido de carbono)
- Denominaciones típicas: 18 Ni 250, C-250, Vascomax T-300, NiMark, Marvac 736
\vskip1.000000\baselineskip
- 6.
- Materiales para Imanes Permanentes
- Denominaciones típicas: Vicalloy, remendar, Cínife, Cunico, Vacozet
\vskip1.000000\baselineskip
- 7.
- Aceros para Imanes
- Denominaciones típicas: Acero KS, Acero MT, 3,6% Cr, 15% Co, Acero de Tungsteno
\vskip1.000000\baselineskip
- 8.
- Aleaciones Especializadas y Otros Materiales
- Denominaciones típicas: Permendur, Alfer, Alfenol, Kovar, Níquel Estirado en Frío, Permaloy Estirado en Frío.
\newpage
El funcionamiento que se puede obtener
actualmente en los transductores de par sin aro es muy inferior al
que se puede obtener con anillo en estructuras de árbol. La
histéresis en la función de transferencia es la causa principal del
funcionamiento imperfecto. Sin embargo, el funcionamiento que se
puede obtener actualmente es absolutamente satisfactorio para
muchas aplicaciones. Además, como se ha observado una amplia gama de
histéresis (diferentes materiales, termotratamientos variados);
incluidos tanto valores positivos como negativos, queda claro que
el funcionamiento se va a mejorar con más avances. La función de
transferencia de un transductor de par sin aro experimental hecho
con el mismo tipo y tamaño de material de Acero de Gran Velocidad
como se usaba para obtener los datos que se muestran en las figuras
4 y 5, se muestra en la figura 6. Aparte de esto, para la presencia
obvia de histéresis, se puede ver que la función de transferencia de
este transductor muestra una linealidad excelente. No se vieron
cambios significativos en la línea de regresión cuando la carga se
aumentó a \pm 50 N-m. La función de transferencia
de otros transductores experimentales (normalmente hechos con
materiales que tienen coercitividades bajas) mostró altos valores de
histéresis y signos de saturación (pendientes cada vez menores en
los niveles de par más altos).
Se ha dejado claro a lo largo de la descripción
de la presente invención que es conveniente suprimir completamente
o al menos minimizar la presencia de material imanable permeable
cerca de la zona activa del transductor. En el anillo de sensores
de árbol de la patente U.S. 5.351.555, esto se realiza normalmente
usando árboles de material de baja permeabilidad o mediante
separación espacial, por ejemplo, mediante un manguito de baja
permeabilidad intermedio, del "anillo" desde un árbol que tenga
una permeabilidad más alta que la deseada. Con diseños sin aro, la
baja permeabilidad deseada de material próximo se realiza usando
materiales de árbol que tengan coercitividades relativamente altas,
a veces junto con un aislamiento geométrico de la zona activa de
partes de árbol contiguas. La característica principal de
estructuras sin aro satisfactorias es que la magnitud del campo
creado por el par es demasiado pequeña para producir cambios de
imanación irreversibles significativos en zonas del árbol próximas a
la zona activa.
Otro requisito práctico para transductores de
par imanados circularmente es que una o más zonas activas tengan
cada una emplazamientos identificables en el árbol y extensiones
axiales efectivas más cortas que toda la longitud del árbol. En el
anillo de los sensores de árbol de la patente U.S. 5.351.555, las
dimensiones físicas del anillo limitan la extensión axial de la
zona activa y, como la zona o zonas activas se limitan a quedar
situadas dentro de las dimensiones del anillo, el emplazamiento del
anillo establece automáticamente su posición en el árbol. En
diseños sin aro, tanto la extensión axial como el emplazamiento
axial de la zona o zonas activas se establecen como detalles de las
imanaciones remanentes circunferenciales implantadas, con o sin
características geométricas coordinadas.
Aún hay otra estructura de sensores de par sin
aro que impide sustancialmente el desarrollo de campos parasitarios
en material de árbol próximo a la zona activa. De acuerdo con esta
estructura, se impide la presencia de material imanable cerca de la
zona o zonas activas y se establece una zona o varias zonas activas
y emplazamientos fijos utilizando las únicas propiedades de
determinados materiales de árbol seleccionados. Pueden existir
materiales adecuados en una de dos (o más) fases metalúrgicas
estables diferentes, (por encima de la gama de temperaturas
funcionales del transductor). Una de tales fases va a ser
suficientemente ferromagnética y magnetoestrictiva para cumplir los
requisitos de las zonas activas y otra va a tener una permeabilidad
suficientemente baja para ser no imanable de manera efectiva y, por
tanto, para cumplir sustancialmente los requisitos de zona pasiva.
El término "sustancialmente pasivo" según se usa aquí significa
zonas que, cuando se someten a campos magnéticos, no se imanan de
manera suficiente como para originar campos magnéticos parasitarios
con suficiente intensidad para destruir la utilidad, con fines de
detección de par, del campo magnético puro visto por los sensores
de campo magnético. Si estas fases se pueden establecer a voluntad
mediante procesamiento adecuado, debe quedar claro que las zonas
activas y las zonas sustancialmente pasivas, cada una con el tamaño
y el emplazamiento deseados, pueden hacerse para que coexistan en el
mismo árbol. Un transductor de par se crea después simplemente
introduciendo partes adecuadas de una imanación remanente
circunferencial (es decir, mediante polarización) de la zona o
zonas activas en el sentido o sentidos circulares deseados.
Naturalmente, es conveniente que la anisotropía que mantiene estas
polarizaciones limite la imanación remanente para que quede dentro
de los 45º de la dirección circunferencial. La anisotropía uniaxial,
tal como la que se introduce en los anillos del anillo de los
sensores de árbol, en esta dirección es obviamente más conveniente.
También es conveniente la anisotropía magnetocristalina asociada
con las instalaciones atómicas de una estructura de celosía que
posee simetría multiaxial, por ejemplo una estructura cúbica con una
estructura cristalina bcc, que caracteriza los materiales de árbol
seleccionados para estructuras de sensor sin aro. A pesar de que la
zona activa va a estar, de manera conveniente, flanqueada
sustancialmente por las zonas activas, es importante que la
coercitividad de la zona activa permanezca alta. Esto es para
impedir que el campo que se crea como resultado del par aplicado
cree una pérdida irreversible de magnitud de polarización
circunferencial en la zona activa. Al igual que en la realización
anterior de la presente invención, una coercitividad superior a 15
es conveniente, superior a 20 es particularmente conveniente y
superior a 35 es preferible. La estructura básica de un árbol
procesado metalúrgicamente para usar como un transductor de par se
muestra en relación al sensor de la figura 7 que ilustra un árbol
en una sola pieza procesado para tener una zona ferromagnética
magnetoestrictiva aislada (La Zona Activa Imanable) con una
dimensión y una posición axiales. Aunque el árbol es físicamente de
una sola pieza y normalmente tiene una composición química homogénea
completa, está formado por zonas activas separadas y
sustancialmente pasivas teniendo cada una propiedades magnéticas
adecuadas para su función correspondiente.
Pueden existir muchos materiales sólidos en más
de una forma estructural, es una característica denominada
polimorfismo. Cada forma polimórfica (o alotrópica) diferente
constituye una fase. La transformación de una fase a otra es un
hecho común en materiales metálicos. Los cambios de fase a
temperaturas características durante cada enfriamiento o
calentamiento se producen en muchos metales puros y también en
aleaciones. El rango de temperaturas críticas durante las que se
produce la transformación varía dependiendo de la composición de
los metales, desde temperaturas cercanas al punto de fusión hasta
temperaturas cercanas al cero absoluto. Algunas transformaciones de
fase se producen isotérmicamente durante un periodo de tiempo,
aunque la fase final concreta depende con más frecuencia de la
velocidad de enfriamiento (o de calentamiento) de un rango de
temperaturas críticas. En algunas aleaciones, una transformación de
fase que normalmente se produce durante el enfriamiento, también
puede realizarse con medios mecánicos a temperaturas muy superiores
a las que se necesitan sólo para el enfriamiento. En los procesos
efectivos se incluyen deformación plástica, ondas dinámicas y a
veces incluso presión hidrostática simple. Transformaciones que no
van a ocurrir nunca durante el enfriamiento, incluso con
temperaturas cercanas al cero absoluto, se puede hacer a menudo que
ocurran a temperaturas más altas con medios mecánicos. El grado de
transformación que puede inducirse mediante tal labrado en frío
varía según la composición, el grado de deformación y la velocidad
de deformación. Las transformaciones de fase inducidas termalmente
de un material que se ha labrado en frío se producen a menudo a
diferentes temperaturas que en un material no deformado que tenga
la misma composición. En muchas aleaciones ricas en hierro
(ferrosas), las diferentes fases que son estables en el rango de
temperaturas funcionales de la mayor parte de los mecanismos (entre
-50ºC y + 150ºC) incluyen un espectro completo de características
magnéticas. De este modo, puede existir una única aleación de
manera estable en una fase ferromagnética, paramagnética (o incluso
antiferromagnética) dependiendo de su historial de tratamiento
térmico y de tratamiento mecánico. Es incluso posible que diferentes
fases ferromagnéticas coexistentes difieran de manera significativa
en sus propiedades magnéticas y magnetoelásticas respectivas. Las
diferentes fases de un material también tienen muy a menudo
diferentes densidades, resistividades eléctricas, módulos eléctricos
y otras propiedades físicas.
Independientemente de la aleación específica
usada y de si las transformaciones de fase se van a inducir
únicamente mediante procesos térmicos, únicamente mediante procesos
mecánicos o mediante combinaciones de ambos procesos, el
procedimiento general para procesar un árbol va a implicar someter
las zonas activas y sustancialmente pasivas a diferentes
condiciones de procesamiento necesarias para obtener la fase
específica deseada en cada una de tales zonas. De este modo, como
mínimo una de las fases de procesamiento se asigna a una de estas
zonas de árbol y no a la otra.
Someter una zona localizada a varios tipos de
deformación mecánica se puede realizar de manera sencilla. Para
algunos procesos tales como forja, estampado, moleteado, laminado
superficial y equivalentes, la ubicación en el árbol y la extensión
axial de la zona procesada se controlan fácilmente mediante el
tamaño y la posición del herramental asociado. Las ondas dinámicas
localizadas se inician fácilmente envolviendo la zona o zonas
deseadas del árbol con explosivos adecuados. Se puede localizar
incluso la tensión o compresión axial mediante dispositivos de
fijación adecuados.
Limitar varias carreras de temperatura a zonas
localizadas requiere un uso juicioso de fuentes de energía
focalizadas, aislamiento térmico y contacto local con superficies
calentadas o enfriadas. Estas técnicas pueden usarse por separado o
en combinación durante una o más fases de procesamiento. La idea
básica se ilustra en el ejemplo específico que se muestra en la
figura 8 que ilustra un árbol calentado con el paso de una corriente
eléctrica. La temperatura del árbol en la zona del bloque central
"frío" se mantiene más baja que en las zonas extremas no
frías.
El tamaño, forma y complejidad del bloque
"frío" que se muestra en esta figura va a depender del tamaño
de árbol, del gradiente de temperatura requerido entre las zonas
enfriadas y no enfriadas y del tiempo durante el cual hay que
mantener este gradiente. Con árboles de diámetro pequeño, o con
tiempos de ciclo termal rápido, podría ser suficiente con un anillo
de cobre de ajuste forzado (quizás incluso galvanizado). La alta
conductividad eléctrica del cobre reduciría el calentamiento óhmico
de la zona de árbol cercada. Los tiempos de proceso largos, los
árboles grandes y/o los gradientes de temperatura altos podrían
requerir un disipador térmico activo, por ejemplo enfriamiento por
aire a presión de un bloque con aletas, o incluso un bloque enfriado
con agua o refrigerante. También podría ser conveniente, para
reducir la energía eléctrica necesaria de igual manera para
mantener una temperatura más uniforme y de control más fácil, aislar
las zonas de árbol no enfriadas con fibra de vidrio, asbestos u
otros materiales con conductividades térmicas bajas. El uso de
aislamiento y disipadores térmicos y su emplazamiento van a
depender obviamente de si son o no las zonas pasivas del árbol las
que requieren el tratamiento con las temperaturas más altas. Además
del procedimiento que se ilustra en la figura 8, también se pueden
usar otros medios de calentamiento selectivos (o de enfriamiento).
También se puede aplicar calentamiento por inducción, calentamiento
por calor radiante, inmersión parcial en líquidos calentados o
enfriados y otros medios de transferencia de energía a zonas de
árbol localizadas.
Como la eficacia de la deformación plástica al
inducir transformaciones de fase depende de la temperatura, las
zonas de transformación localizadas van a aparecer simplemente
manteniendo diferentes partes del árbol a diferentes temperaturas
mientras todo el árbol se somete a una deformación plástica más o
menos uniforme. En materiales que experimentan transformaciones de
fase producidas por deformación, existe una temperatura
(normalmente denominada M_{d}) por encima de la cual no se produce
ninguna transformación producida por deformación. Si la gama
temperaturas funcionales del transductor de par está por encima de
la temperatura con la que el material deformado experimentaría una
transformación de fase térmicamente inducida (denominada M_{s}),
las dos fases creadas por tal procesamiento termomecánico van a ser
estables. La elección del proceso o procesos de entre los
diferentes medios térmicos, mecánicos y termomecánicos para inducir
transformaciones de fase va a depender claramente de las
peculiaridades de cada sistema de aleación.
Para ser útil como transductor de par, un
material candidato debe tener una fase estable con una remanencia,
una magnetoestricción y una coercitividad adecuadas y otra fase
estable que no sea más que débilmente ferromagnética con una
magnetoestricción baja (dentro de la variedad de campos magnéticos a
la que puede exponerse). Afortunadamente, existen varios sistemas
de aleaciones muy conocidos que tienen tales fases magnéticamente
diferentes dentro la gama de temperaturas que nos interesan. Por
ejemplo, se ha descubierto que aceros maraging con un 18% de níquel
pueden procesarse térmicamente en varias condiciones metalúrgicas
con propiedades magnetoelásticas y magnéticas sustancialmente
diferentes. En general, vamos a encontrar que muchos materiales
ricos en hierro hiperaleados se pueden procesar témicamente y/o
mecánicamente en condiciones que tienen propiedades magnéticas y
magnetoelásticas suficientemente diferentes que van a ser
potencialmente útiles para construir transductores en una sola
pieza. Algunos ejemplos de sistemas de aleación útiles conocidos son
los siguientes:
- 1.
- Acero Hadfield y variantes del mismo que dependen de grandes adiciones de Mn (o algunos otros elementos o combinaciones de elementos) en aceros al carbono para estabilizar la fase 'Y austenítica (que normalmente existe con temperaturas altas) dejando que exista a temperaturas bajas. La austenita es normalmente paramagnética. Con temperaturas criogénicas, algunas austenitas son antiferromagnéticas. El acero Hadfield consiste en hierro aleado con 12% Mn, 1,2% C. La transformación de austenita a martensita ferromagnética se realiza mediante labrado en frío a temperatura ambiente. Se puede usar laminado superficial y otros procesos que produzcan deformación local para crear una superficie activa (la profundidad depende del proceso) contigua a zonas pasivas no imanables. Con respecto a esto, es interesante apreciar que el acero Hadfield se ha usado durante más de un siglo para raíles de vías férreas donde se obtenía martensita dura resistente al desgaste por la acción de rodadura de las ruedas del tren.
- 2.
- Aceros TRIP. Estos aceros se trabajan normalmente en caliente (se deforman plásticamente por encima de la temperatura M_{d}) para crear una alta densidad de dislocaciones. La estructura austenítica se mantiene a temperatura ambiente (e inferior). Cualquier otra deformación plástica por debajo de la temperatura M_{d} da como resultado la transformación a martensita. Los aceros TRIP son aleaciones normalmente complejas, que contienen a menudo más del 30% de elementos diferentes al hierro. Como estos elementos (normalmente Cr, Co, Ni, Mo) contribuyen normalmente a la magnetoestricción (y a menudo reducen la anisotropía cristalina) estas aleaciones tienen actividad magnetoelástica. Además, habiéndose desarrollado para un servicio tan exigente como es poner en tierra chapas de piso de tanques resistentes a las minas, son excepcionalmente duros.
- 3.
- Aceros inoxidables comunes de variedad 18-18 (18% Cr, 8% Ni) que tienen una estructura cristalina austenítica en el estado recocido por solubilización. Dependiendo del contenido exacto de aleación, la estructura cristalina de muchos de los aceros de esta familia va a convertirse en martensita ferromagnética mediante tratamiento criogénico, mediante labrado en frío o mediante combinaciones de estos procesos. Normalmente aquellas aleaciones con menos contenido total de aleación (por ejemplo, AISI 302) van a transformarse más fácilmente en martensita que aquellas que tienen un contenido total de aleación más alto (por ejemplo, AISI 316). Algunas aleaciones de este tipo se formulan deliberadamente para que desarrollen una martensita dura resistente al desgaste mediante labrado en el exterior. Éstas se pueden aplicar en equipos de construcción y herramientas agrícolas.
- 4.
- Aceros inoxidables templados por solubilización de una fase que tienen suficiente cromo y níquel para mantener estructuras austeníticas a temperatura ambiente pueden transformarse en martensita mediante tratamientos de normalización térmica. Durante la normalización térmica, se forman precipitados que reducen la concentración de elementos "austenitizantes".
- 5.
- Hierro, níquel y aleaciones de carbono con propiedades similares al acero Hadfield (aunque el Ni es más caro que el Mn).
Para hacer una demostración de la fabricación de
un sensor de par sin aro mediante este procedimiento, se fabricaron
árboles de prueba con tuberías sin costura de acero inoxidable
(AISI-304 con aproximadamente 18% de cromo y 8% de
níquel) que tenían un diámetro exterior de 6,35 mm. En el estado
recocido en el que fueron recibidos, estos árboles eran
esencialmente no ferromagnéticos (permeabilidad no superior a 1,1).
Mientras estaba girando cada uno de los árboles, eran forzados
entre dos rodillos de acero templado con separaciones de rodillo
conocidas durante periodos de tiempo medidos. Este tratamiento
sometió el material superficial a un esfuerzo de flexión
alternativo periódico superior a su límite elástico. Tal deformación
plástica hizo que la austenita se transformara en martensita
ferromagnética (permeabilidad de entre 10 y 100). Esto crea la zona
activa del transductor. Mediante el movimiento axial del árbol en
correspondencia con el par de rodillos, se puede crear una zona
activa con una extensión axial mayor que el ancho de la cara de los
rodillos. Después de esto, se imanó circunferencialmente cada uno
de los árboles próximos a un par de imanes de polarización
contraria para crear un transductor de zona dual. El transductor se
probó midiendo el campo radial que surgía de la zona de labrado en
frío a medida que se aplicaba par en el árbol. Los resultados de la
prueba indican que la sensibilidad aumenta a medida que disminuye
la separación entre rodillos (cuanto menor sea la separación entre
rodillos, mayor será la cantidad de labrado en frío), ver figura 9,
y a medida que aumenta la duración de la rodadura (cuando mayor sea
el tiempo de rodadura, mayor será la cantidad de labrado en frío),
ver figura 10. Los resultados no nos sorprenden ya que cuanto más
labrado en frío hay mayor es la formación
de martensita.
de martensita.
Además de todas las aplicaciones normales para
transductores de par, los diseños sin aro son especialmente
adecuados para varias áreas de aplicación y aplicaciones
específicas donde son convenientes o necesarias la flexibilidad y
la economía asociadas con su estructura en una sola pieza y/o la
química común de las partes activas e inactivas del árbol. Algunas
de éstas son las siguientes:
Aceros de gran resistencia tales como aceros
maraging con un 18% de níquel se someten a fisuración por
corrosión bajo tensión cuando se someten a esfuerzos bajo tensión y
se exponen a agua salada, en concreto agua salada acidificada y
caliente. En transductores de "anillo sobre árbol"
convencionales, el anillo instalado está a menudo bajo una tensión
circunferencial de tracción sustancial como resultado de su unión
al árbol mediante ajuste con apriete. Los diseños sin aro no tienen
anillo, por tanto no hay zonas del árbol que se sometan
intencionadamente a esfuerzos bajo tensión.
De hecho, no es insólito, con miras a aumentar
la resistencia a la fatiga, granallar, laminar o tratar de otra
forma las superficies de árboles de gran resistencia para infundir
esfuerzos de compresión residuales. La única química de las zonas
activas e inactivas también impide que aparezca corrosión galvánica
cuando metales diferentes que están en contacto eléctrico se
exponen a electrolitos.
El par restrictivo de anillo en estructuras de
árbol depende a menudo de la iniciación del deslizamiento
interfacial entre el anillo y el árbol subyacente. El uso de árboles
de acero de gran resistencia en una sola pieza impide que se
produzca tal deslizamiento.
El uso de árboles en una sola pieza evita
preocuparse por la relajación de la presión de contacto (y de la
tensión circunferencial asociada) con temperaturas bajas debido a
dilataciones térmicas diferenciales (contracciones) del anillo y el
árbol subyacente. Igualmente, evita preocuparse por la relajación de
la presión de contacto con temperaturas muy altas debido a la
termodeformación (deformación inelástica asociada con la reducción
de límite elástico del árbol y el anillo y el aumento de
interferencia debido a diferencias en sus dilataciones
térmicas).
La torsión es a menudo el principal modo de
carga en herramientas de corte tales como taladradoras, machos de
roscar, máquinas de escariar, fresas universales, barras de
mandrilar, etc. Las herramientas de este tipo se utilizan en
cualquiera de los dos modos siguientes: girando la herramienta o
girando la pieza que se trabaja en la máquina. En cualquier caso,
el par que se transmite a través de tales herramientas proporciona
una indicación de su estado (calidad de corte, integridad, etc), de
las propiedades correspondientes de la pieza que se trabaja en la
máquina y de las condiciones de funcionamiento (dureza, presencia,
presencia y eficacia refrigerantes, lubricantes, presencia de
virutas de atascamiento rizadas, etc.). Muchas herramientas de corte
se fabrican a partir de aceros para herramientas de gran velocidad,
un material altamente satisfactorio para árboles de transductores
de par sin aro. Únicamente es necesario crear una zona activa en
alguna parte de espiga disponible (expuesta) (entre el portabrocas
y otro medio de accionamiento o sostén y la zona de corte) y montar
de manera adecuada un sensor de campo magnético adecuado. Podemos
imaginar un sistema en el que se polarizan herramientas por
separado en algún portapiezas adecuado antes de instalarlas en la
máquina. La polarización se puede producir inmediatamente antes de
tal instalación o en otro momento adecuado de su fabricación,
afilado o reafilado. En aplicaciones en las que la herramienta
gira, también es posible incluir imanes polarizantes dentro del
conjunto de detección de campo, permitiendo así el uso de
herramientas que no tengan tratamiento magnético anterior. Como
durante el uso de estas herramientas se producen virutas, se deben
hacer algunos ajustes para impedir que invadan el conjunto de
detección. Las estructuras de anillo sobre árbol apenas son
compatibles con la mayor parte de las aplicaciones de este tipo,
siendo más adecuadas para transductores instalados en el eje (u
otra parte) de la máquina herramienta. La ventaja de tener la
función del transductor de par directamente sobre la herramienta de
corte es que se mide automáticamente para la gama de pares usados
por la herramienta real en vez de medirse para la herramienta más
grande que podría usarse en la máquina.
A veces es conveniente poder medir el par que
se transmite por varias partes de un árbol. Tales aplicaciones
existen donde se usa un árbol para accionar una pluralidad de
cargas, o donde la carga torsional se distribuye de manera continua
por la longitud del árbol. Ejemplos de esto se encuentran en
maquinaria de embalaje y textil donde el par motor aplicado al
árbol por un lado acciona varios engranajes, poleas, ruedas
dentadas, etc de varios emplazamientos separados en el espacio. Las
máquinas de imprimir con papel continuo y de producción y
manipulación de hojas utilizan rodillos (es decir, árboles) con
distribuciones continuas (por su longitud) de aplicación de par.
Cuando se permite la introducción sencilla de zonas activas en
muchos emplazamientos diferentes de un único árbol, el diseño sin
aro proporciona un medio fácil para monitorizar, ecualizar o sino
controlar la distribución de par por tales árboles. Instalar una
pluralidad de anillos en un único árbol es, como poco, una tarea
difícil, especialmente si todos van a tener el mismo tamaño.
Los anillos muy pequeños para usar en árboles
muy grandes (por ejemplo de 1 mm de diámetro) son difíciles de
manejar y de instalar usando ajustes forzados. El funcionamiento de
los árboles pequeños a velocidades extremas también requiere un
equilibrio preciso. Los árboles muy grandes (con cualquier diámetro
y longitud) requieren máquinas grandes para manipular y
posiblemente usar herramientas grandes (y caras) si el anillo se va
a instalar axialmente lejos de los extremos del árbol. Bridas,
cojinetes u otras secciones aumentadas que pueden existir entre el
emplazamiento deseado del transductor y los extremos del árbol hacen
que sea difícil o imposible utilizar anillos en estructuras de
árbol. La maquinaria en obra donde la instalación de anillos (y
quizás también de manguitos paramagnéticos aislantes) es demasiado
elaborada, cara y/o requiere mucho tiempo, se puede modernizar con
un proceso que tenga una función transductora de par simplemente
montando sensores de campo en emplazamientos adecuados y
polarizando la zona deseada con imanes temporales o permanentes que
se mantienen en los emplazamientos necesarios a medida que gira el
árbol de modo normal. Hélices de buque, árboles de laminadores,
árboles de motores grandes, de generadores, de bombas y de cajas de
engranajes son ejemplos.
Claims (18)
1. Sensor de par magnetoelástico para producir
una señal de salida que indica el par aplicado en un elemento
alrededor de un eje del elemento que se extiende axialmente, que
comprende:
una primera zona (8) con actividad
magnetoelástica en dicho elemento, estando dicha zona (8) polarizada
magnéticamente en una sola dirección circunferencial y poseyendo
una anisotropía magnética suficiente para devolver la imanación a
dicha zona (8), después de una aplicación del par en dicho elemento,
en dicha única dirección circunferencial cuando el par aplicado se
reduce a cero, con lo cual dicha zona con actividad magnetoelástica
(8) produce un campo magnético que varía con dicho par;
un sensor de campo magnético (6) montado cerca
de dicha zona con actividad magnetoelástica (8) y orientado con
respecto a la misma para detectar la intensidad de campo magnético
en dicho sensor y para proporcionar dicha señal de salida en
respuesta a la misma;
estando como mínimo dicha zona (8) con actividad
magnetoelástica de dicho elemento formada por material
policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de
imanaciones locales están situadas dentro de un cuadrante de 90º
dispuesto simétricamente alrededor de dicha dirección circular única
y que tiene una coercitividad de al menos 1,2 kA/m (15 Oe) que es
suficientemente alta para que el campo que proviene de dicha zona
con actividad magnetoelástica (8) no magnetice las zonas de dicho
elemento próximas a dicha zona con actividad magnetoelástica (8)
para dar lugar a campos magnéticos parasitarios en los que la
intensidad va a ser suficientemente grande como para destruir la
utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro
visto por dicho sensor de campo magnético (6).
2. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, que incluye como mínimo una zona con actividad
magnetoelástica adicional (10) axialmente distinta y que se
extiende en dirección circunferencial, contigua a dicha primera
zona (8), estando cada zona adicional (10) polarizada en una
dirección circunferencial contraria a la dirección de polarización
de las zonas con polarización magnetoelástica (8) magnéticamente
contiguas.
3. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde dicho elemento está formado por un
material policristalino que tiene una simetría cúbica.
4. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 3, en donde dicho elemento está formado por un
material seleccionado del grupo que consiste en aceros inoxidables
martensíticos, aceros inoxidables templados mediante precipitación
que contienen cromo y níquel, aceros aleados templados y enfriados,
aceros para herramientas, aceros maraging con alto contenido de
níquel, materiales dúctiles para imanes permanentes, acero para
imanes, Permendur, Alfer, Kovar, níquel estirado en frío y Permaloy
estirado en frío.
5. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde dicho elemento es un árbol macizo
alargado (12) o un árbol hueco alargado (12).
6. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde dicho elemento es un árbol alargado (12)
que tiene entre sus extremos una parte que se extiende axialmente
con un diámetro más grande o reducido, y en donde dicha zona con
actividad magnetoelástica está formada en dicha parte con diámetro
más grande o reducido.
7. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 6, en donde dicha parte de diámetro reducido es un
árbol separado asegurado de manera rígida en las partes extremas de
diámetro más grande.
8. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde la coercitividad de dicho elemento es
preferiblemente superior a 1,6 kA/m (20 Oe) y más preferiblemente
superior a 2,8 kA/m (35 Oe).
9. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde dicho sensor de campo magnético (6)
comprende un sensor de componentes sólidos, un sensor de efecto Hall
o un magnetómetro de saturación.
10. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 1, en donde en ausencia de un par aplicado en dicho
elemento, dicha zona con actividad magnetoelástica (8) tiene una
orientación magnética circunferencial que no tiene componente de
imanación pura en dirección axial.
11. Sensor de par magnetoelástico según la
reivindicación 10, en donde, cuando se aplica el par en dicho
elemento, dicha zona con actividad magnetoelástica (8) tiene una
orientación magnética helicoidal con componentes tanto
circunferenciales como axiales, estando dicho sensor de campo
magnético (6) colocado y orientado para detectar el campo magnético
que proviene de dichos componentes de imanación axiales.
12. Procedimiento de detección de un par
aplicado en un elemento sometido a un par y que se extiende en
dirección axial, que comprende las fases de:
a) Proporcionar una primera zona con actividad
magnetoelástica (8) en dicho elemento, estando dicha zona (8)
polarizada magnéticamente en una sola dirección circunferencial y
poseyendo una anisotropía magnética suficiente para devolver la
imanación a dicha zona, después de la aplicación del par a dicho
elemento, en dicha única dirección circunferencial cuando el par
aplicado se reduce a cero, estando al menos dicha zona con
actividad magnetoelástica (8) de dicho elemento formada por
material policristalino en donde al menos un 50% de la distribución
de imanaciones locales están situadas dentro de un cuadrante de 90º
dispuesto simétricamente alrededor de dicha dirección circular
única y tiene una coercitividad de al menos 1,2 kA/m (15 Oe) que es
suficientemente alta para que el campo que proviene de dicha zona
con actividad magnetoelástica (8) no imane las zonas de dicho
elemento próximas a dicha zona con actividad magnetoelástica (8)
para dar lugar a campos magnéticos parasitarios en los que la
intensidad va a ser suficientemente grande como para destruir la
utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro
visto por dicho sensor de campo magnético (6);
b) generar un campo magnético como consecuencia
de la aplicación del par en dicho elemento; y
c) detectar la intensidad del campo magnético en
una posición próxima a dicha zona (8) con actividad magnetoelástica
como una indicación de la intensidad del par aplicado en dicho
elemento.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
donde la aplicación del par en dicho elemento hace que dicha zona
con actividad magnetoelástica (8) tenga una orientación magnética
helicoidal con componentes de imanación tanto circunferenciales
como axiales y en donde la fase de detección comprende detectar el
campo magnético que proviene de dichos componentes axiales de dicha
imanación.
14. Procedimiento según la reivindicación 12,
que incluye la fase de proporcionar como mínimo una zona con
actividad magnetoelástica adicional (10) axialmente distinta y que
se extiende en dirección circunferencial, magnéticamente contigua a
dicha primera zona (8), estando cada zona adicional (10) polarizada
en una dirección circunferencial contraria a la dirección de
polarización de las zonas con polarización magnetoelástica (8)
magnéticamente contiguas.
15. Procedimiento según la reivindicación 12, en
donde dicho elemento está formado por material policristalino que
tiene una simetría cúbica.
16. Procedimiento según la reivindicación 12, en
donde la fase de detección se efectúa al menos en parte colocando
un dispositivo detector de campo magnético (6) cerca de la zona con
actividad magnetoelástica (8) y lejos de la misma.
17. Procedimiento de fabricación de un
transductor de par magnetoelástico a partir de un elemento en el que
se ha aplicado un par axial para generar un campo magnético que
varía con dicho par, detectando la intensidad de dicho campo
magnético sensores de campo magnético para proporcionar una señal de
salida que indica el par aplicado, comprendiendo las fases de:
a) proporcionar un elemento ferromagnético y
magnetoestrictivo que tiene una primera zona con actividad
magnetoelástica (8) en dicho elemento; y
b) polarizar una extensión axial limitada de
dicha zona (8) en un campo magnético en una sola dirección
circunferencial, poseyendo dicha zona (8) una anisotropía magnética
suficiente para devolver la imanación a dicha zona (8), después de
la aplicación del par a dicho elemento, en dicha única dirección
circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero;
c) estando dicho elemento formado por material
policristalino
en donde al menos un 50% de la distribución de
imanaciones locales están situadas dentro de un cuadrante de 90º
dispuesto simétricamente alrededor de dicha dirección circular única
y tiene una coercitividad de al menos 1,2 kA/m (15 Oe) que es
suficientemente alta para que el campo que proviene de dicha zona
con actividad magnetoelástica (8) no imane las zonas de dicho
elemento próximas a dicha zona con actividad magnetoelástica (8)
para dar lugar a campos magnéticos parasitarios en los que la
intensidad va a ser suficientemente grande como para destruir la
utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro
visto por dicho sensor de campo magnético (6).
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en
donde dicho elemento tiene un eje longitudinal y dicha polarización
magnética se efectúa haciendo girar dicho transductor alrededor del
mismo mientras se expone a un campo magnético próximo a dos polos
magnéticos opuestos.
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