ES2558749T3 - Actuador magnético biestable - Google Patents

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ES2558749T3 ES11722720.7T ES11722720T ES2558749T3 ES 2558749 T3 ES2558749 T3 ES 2558749T3 ES 11722720 T ES11722720 T ES 11722720T ES 2558749 T3 ES2558749 T3 ES 2558749T3
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Steffen Schnitter
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Abstract

Actuador magnético biestable con un circuito magnético polarizado e intersticios de aire de trabajo (12) paralelos, en el que entre los brazos exteriores (2, 3) de un yugo de hierro maleable (1) en forma de U está integrado un imán permanente (6) plano, que lleva un brazo medio de hierro maleable (7) e impulsa un inducido oscilante (8) alojado sobre el brazo medio de hierro maleable (7) con un flujo magnético generado con imán permanente, y en el que sobre cada brazo exterior (2, 3) un arrollamiento de excitación (4, 5) que puede ser activado de forma separada suministra impulsos de inversión para el inducido oscilante (8) desde una posición de articulación de auto-retención por imán permanente hasta la otra posición, caracterizado por un circuito, que está diseñado de tal forma que el flujo magnético (13) generado con imán permanente a través del circuito magnético cerrado, respectivamente, sobre el inducido oscilante (8) en el caso de un flujo magnético (10) electromagnético generado por el arrollamiento de excitación (4) de este circuito magnético con una dirección opuesta al flujo magnético (13) generado con imán permanente, conmuta a la derivación del circuito magnético dispuesto paralelo con el arrollamiento de excitación (5) no excitado electromagnéticamente y con el apoyo del flujo secundario (11) generado con imán permanente en este circuito paralelo (10) invierte el inducido oscilante (8).

Description

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DESCRIPCION
Actuador magnetico biestable
La invencion se refiere a un actuador magnetico biestable con un circuito paralelo polarizado, en el que entre los brazos exteriores de un yugo de hierro maleable en forma de U esta integrado un iman permanente plano, que lleva un brazo medio de hierro maleable e impulsa un inducido oscilante alojado sobre el brazo medio con un flujo magnetico generado con iman permanente, y en el que sobre cada brazo exterior un arrollamiento de excitacion que puede ser activado de forma separada suministra impulsos de inversion para el inducido oscilante desde una posicion de articulacion de auto-retencion por iman permanente hasta la otra posicion. Un actuador magnetico similar que forma el tipo se describe en el estado de la tecnica en la publicacion de modelo de utilidad DE 20 2004 012 292 U1.
Los actuadores magneticos bipolares biestables pueden adoptar en el estado sin corriente dos estados de articulacion estables. Estan constituidos con frecuencia por un circuito paralelo de dos circuitos magneticos de piezas de hierro maleable para la conduccion de un flujo magnetico, por uno o varios arrollamientos de excitacion electromagneticos y por al menos un iman permanente, que genera fuerzas a traves de uno o varios intersticios de aire sobre el inducido magnetico en los dos circuitos magneticos y pueden amarrarlo sin potencia en ambas posiciones estables. La conmutacion del inducido magnetico se determina esencialmente por la interaccion entre el flujo generado por los arrollamientos de excitacion y los flujos de iman permanente a traves de los circuitos paralelos magneticos maleables.
De acuerdo con el documento DE 20 2004 012 292 U1 del tipo ya mencionado, se conoce en el estado de la tecnica para la activacion de una valvula de intercambio de gas de un motor de combustion interna un inducido oscilante alojado sobre cojinete sobre el brazo medio en tipo de construccion plano. Un iman permanente integrado en el brazo medio genera una fuerza de retencion, que retiene el inducido oscilante en una de las dos posiciones de articulacion, sin que sea necesario un flujo de fuerza, A traves de la alimentacion alterna de los dos arrollamientos de excitacion con polaridad alterna se realiza una inversion alterna del inducido oscilante, excitando la aleta respectiva del inducido oscilante, que pertenece al arrollamiento de excitacion alimentado, como consecuencia de la adicion del flujo secundario generado con iman permanente sobre el intersticio de aire del inducido abierto y el flujo electromagnetico dirigido, respectivamente, en la misma direccion sobre el intersticio de aire del inducido abierto. La inversion se realiza en este caso en contra de la fuerza de retencion del flujo magnetico generado con iman permanente a traves del circuito paralelo no alimentado, que se configura sobre el intersticio de aire del inducido cerrado y que ha amarrado el inducido oscilante hasta ahora en esta posicion.
Sobre el principio descrito se basan muchos actuadores magneticos conocidos para sistemas de accionamiento electromagneticos con un arrollamiento de excitacion no controlable o con dos arrollamientos de excitacion controlables de forma separada, por ejemplo segun los documentos DE 6751 327, DE 1 938 723 U1, DE 43 14 715 A1, DE 696 03 926 T2, EP 0 197 391 b2. En este caso, se alimenta siempre el arrollamiento de excitacion en el mismo circuito paralelo, hacia cuyo lado debe invertirse el inducido oscilante, estando dirigido el flujo electromagnetico en el mismo sentido que el flujo secundario generado con iman permanente. Pero en cualquier caso debe superarse la fuerza de retencion, que el flujo magnetico generado con iman permanente ejerce sobre la aleta del inducido excitada, a cuyo fin es necesario un gasto energetico considerable.
Ademas, por ejemplo, a partir el documento DE 33 23 481 A1 se conocen reles biestables polarizados con un circuito magnetico de una malla y con un tren de inducidos-H movil giratorio equipado con un iman permanente, en los que a traves del campo magnetico de un arrollamiento de excitacion se puede pivotar el tren de inducidos-H a sus dos posiciones de conmutacion. Para la conexion del rele se cambia la polaridad del campo magnetico, respectivamente, a traves de la aplicacion de un impulso de tension, con lo que se pivota el tren de inducidos-H a la otra posicion de conmutacion, respectivamente. Pero tambien aqrn se genera el flujo electromagnetrico sobre lados del tren de inducidos-H a conmutar.
La invencion tiene el cometido de crear un actuador magnetico biestable eficiente de energfa con estructura sencilla de poco peso y volumen y alta densidad de potencia de conmutacion, que es especialmente adecuado para reles biestables de alta potencia de conmutacion.
El cometido se cumple de acuerdo con la invencion a traves de las caractensticas de la reivindicacion 1. Los desarrollos ventajosos se indican en las reivindicaciones que se acompanan. En particular, en otra configuracion ventajosa con una y la misma disposicion de circuito magnetico se puede generar tambien una fuerza de inversion asimetrica.
Con el actuador magnetico de acuerdo con la invencion se consigue una inversion especialmente eficiente de energfa del inducido oscilante desde una posicion de articulacion a la otra, lo que es ventajoso especialmente para actuadores magneticos, que deben cumplir condiciones marco exteriores estrictas en el espacio de construccion, la energfa de ajuste y la fuerza de ajuste. En oposicion a los actuadores conocidos anteriormente, en los que se generan fuerzas de reluctancia y, por lo tanto, fuerzas de inversion a traves de flujos magneticos que se suman,
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dirigidos en la misma direccion, provocados por iman permanente y por el arrollamiento de excitacion sobre el intersticio de aire del inducido abierto de aquel circuito paralelo, en el que esta dispuesto el arrollamiento de excitacion excitado activamente, de acuerdo con la invencion con un flujo electromagnetico dirigido opuesto al flujo magnetico de iman permanente se desplaza el flujo magnetico de iman permanente desde el circuito paralelo 5 cerrado sobre la aleta del inducido hasta el otro circuito paralelo. A tal fin, se aplica en el arrollamiento de excitacion, que esta en el circuito paralelo con el intersticio de aire del inducido cerrado, un impulso de tension continua de tal manera que el flujo electromagnetico actua en contra del flujo magnetico de iman permanente, con lo que este se conmuta al circuito paralelo con el intersticio de aire del inducido abierto. La actuacion de la fuerza de iman permanente resultante, que se compone de la porcion adicional del flujo secundario generado con iman permanente 10 sobre el intersticio de aire del inducido abierto y el flujo magnetico acumulado de iman permanente, provoca la conmutacion del inducido oscilante a la otra posicion de conexion estable.
Hay que subrayar que cada uno de los dos circuitos magneticos paralelos posee de manera ventajosa, con el intersticio de aire del inducido cerrado, respectivamente, una resistencia magnetica muy reducida, puesto que el iman permanente dispuesto en el brazo medio, en virtud de su alta intensidad de campo coercitivo y alta remanencia 15 se mantiene extremadamente plano y de esta manera representa una resistencia magnetica muy reducida. El yugo en forma de U con sus dos brazos exteriores esta fabricado en una sola pieza, con lo que adicionalmente se reduce la resistencia magnetica frente a disposiciones conocidas con yugo en forma de U compuesto. El cojinete del inducido oscilante trabaja a traves de friccion de rodillos sobre superficies metalicas muy eficientemente.
La invencion se explica en detalle con la ayuda de un ejemplo de realizacion. En los dibujos correspondientes:
20 Las figuras 1 a 3 muestran un modo de actuacion de un actuador magnetico de acuerdo con la invencion.
La figura 4 muestra un actuador magnetico en una representacion despiezada ordenada.
La figura 5 muestra un inducido magnetico en vista en perspectiva y
Las figuras 6 y 7 muestran una variante de una generacion asimetrica de una fuerza de conmutacion.
En las figuras 1 a 3 se representa de forma esquematica el modo de actuacion del actuador magnetico. El actuador 25 tiene como pieza de soporte un yugo de hierro maleable 1 en forma de U, sobre cuyos brazos exteriores 2, 3 se asientan unos arrollamientos de excitacion 4, 5 que pueden ser activados por separado. Un iman permanente 6 extremadamente plano, pero robusto lleva un brazo medio 7 de hierro maleable. De esta manera se obtiene un nucleo magnetico en forma de E. Sobre el brazo medio 7 esta alojado un inducido oscilante 8 ligeramente acodado en forma de V. El nucleo magnetico en forma de E representa con el inducido oscilante a partir del brazo medio 7 un 30 circuito paralelo de los intersticios de aire del inducido. En un extremo, el inducido oscilante 8 lleva un miembro de activacion 9, por ejemplo, para un sistema de contacto de un rele bipolar. En la posicion del inducido oscilante 8 mostrada en las figuras 1 y 2, en el circuito paralelo izquierdo se forma un flujo magnetico 10 de iman permanente sobre el iman permanente 7, el brazo medio 7 de hierro maleable, la aleta izquierda del inducido oscilante 8, el brazo exterior izquierdo 2 de hierro maleable, el yugo 1 y de retorno hacia el iman permanente 6. Sobre la aleta izquierda 35 del inducido oscilante 8 actua una fuerza de retencion de iman permanente. A traves del circuito paralelo derecho fluye un flujo secundario 11 generado con iman permanente, que tiene la intencion de reducir el intersticio de aire 12 entre la aleta derecha del inducido 6 y el brazo exterior izquierdo 3, es decir, atraer la aleta derecha del inducido oscilante 6. Este flujo magnetico secundario 11 generado con iman permanente es, sin embargo, mas debil que el flujo magnetico 11 de iman permanente sobre el lado izquierdo del actuador magnetico, puesto que a traves del 40 intersticio de aire abierto 12 hacia el inducido oscilante 8 a traves de su alta resistencia magnetica se ajusta un flujo secundario 11 comparativamente mas reducido generado con iman permanente.
Si se aplica ahora segun la figura 2 un impulso de tension sobre el arrollamiento de excitacion izquierdo 4, entonces se genera a traves de la corriente de excitacion en el circuito paralelo izquierdo durante corto espacio de tiempo un flujo electromagnetico 13. Con la direccion de arrollamiento correspondiente del arrollamiento de excitacion 4 y la 45 polaridad del impulso de tension, el flujo electromagnetrico 13 esta dirigido opuesto al flujo magnetico 10 de iman permanente en el circuito paralelo izquierdo, como se representa esto en la figura 2 por medio de flechas. El flujo magnetico 10 generado con iman permanente es desplazado desde el circuito paralelo izquierdo al circuito paralelo derecho. Se acumula en el circuito paralelo derecho y ejerce sobre la aleta derecha del inducido oscilante 8 una fuerza de atraccion magnetica, que deja pivotar al inducido oscilante 8 en el sentido horario. En la figura 3 se 50 representa la segunda posicion estable del inducido oscilante 8. El flujo magnetico 10 generado con iman permanente en el circuito paralelo a continuacion derecho fija el inducido oscilante 8 en esta segunda posicion de articulacion. En el circuito paralelo izquierdo se configura de nuevo un flujo secundario generado con iman permanente sobre el intersticio de aire del inducido abierto 12. Una inversion en sentido contrario a la invencion se realiza de manera equivalente bajo alimentacion del tipo de impulsos del arrollamiento de excitacion 5.
55 En la figura 4 se representa un actuador magnetico para un circuito de conmutacion biestable en un dibujo despiezado ordenado. El yuyo de hierro maleable 1 en forma de U esta estampado y doblado con sus dos brazos de yugo 2, 3 en una sola pieza a partir de una chapa de hierro maleable. Sobre la parte central del yugo esta dispuesto
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un iman permanente 6 que lleva, por su parte, un brazo medio de hierro maleable 7. Sobre los brazos del yugo 2, 3 se asientan unos arrollamientos de excitacion 4, 5, que son soportados por un cuerpo aislante 14. Los arrollamientos de excitacion 4, 5 son arrollados de manera mas conveniente en un cuerpo aislante 14 plegable a traves de al menos una bisagra de pelfcula en una etapa de trabajo conduciendo hacia fuera los extremos interiores del arrollamiento. Los cuatro extremos de los arrollamientos de excitacion 4, 5 son soldados en tres conexiones de arrollamiento 15, estando conducidos los dos extremos interiores del arrollamiento en comun en la conexion central. De esta manera se pueden activar por separado los dos arrollamientos de excitacion 4, 5 y pueden ser atravesados en sentido opuesto por la corriente de excitacion. Sobre el brazo medio 7 esta alojado en cojinete de cuchilla un inducido oscilante 8. Tal alojamiento del inducido es muy escaso de friccion y, por lo tanto, consume solamente una energfa de conmutacion reducida. La fuerza magnetica del iman permanente 6 extremadamente fino, pero robusto es suficiente para retener todos los cuatro componentes ferromagneticos 1, 6, 7 y 8, por lo que no es absolutamente necesario un soporte de fijacion separado. Solamente el inducido oscilante 8 es conducido lateralmente a traves del cuerpo aislante 14 y se retiene por lo demas a traves de la fuerza del iman permanente 8. En una aleta del inducido oscilante 8 esta dispuesto un miembro de activacion elastico 9, que trabaja a traves de un elemento de transmision no representado en detalle sobre el sistema de contacto de un rele de conmutacion. De acuerdo con la posicion de conmutacion del inducido oscilante 8, el rele cierra o abre su circuito de corriente primario. Pero tambien son posibles otras aplicaciones para tareas de ajuste casi discrecionales.
El actuador magnetico se puede miniaturizar muy bien y esta constituido especialmente muy plano. En virtud de sus pocas piezas individuales, este es, ademas, economico y ligero. La conmutacion desde una posicion de conmutacion a la otra requiere solo poca energfa, como se representa en las figuras 1 a 3.
En la figura 5 se representa el actuador magnetico segun la figura 4 de nuevo en una vista en perspectiva en el estado ensalmado, siendo utilizados los mismos signos de referencia de los dibujos anteriores. Hay que subrayar que el miembro de activacion 9 fijado en el inducido oscilante 8 esta configurado elastico y de acuerdo con la direccion de la fuerza incidente, presenta dos curvas caractensticas de resorte diferentes. Para obtener una activacion con una fuerza inicial > 0, en este caso de manera ventajosa el miembro de activacion elastico 9 esta fijado pretensado en el inducido oscilante 8.
De acuerdo con otra configuracion segun las figuras 6 y 7, con una y la misma disposicion paralela de circuito magnetico se puede generar tambien una fuerza de inversion asimetrica. Con esta variante se consigue que se realice un movimiento de articulacion de un inducido oscilante hacia una direccion con una fuerza mayor que un movimiento de articulacion hacia la otra direccion. Esto puede ser util, por ejemplo, para reles de potencia de conmutacion grande, en los que debe desprenderse una soldadura posible de un contacto de rele activado y en los que debe aplicarse una tension previa elevada sobre un contacto de rele. Esto se consigue de acuerdo con la invencion manteniendo la simetna de la disposicion mecanica del actuador magnetico con la ayuda de una disposicion asimetrica de los arrollamientos de excitacion.
De acuerdo con la figura 6, el inducido oscilante debe ser atrafdo desde el circuito paralelo derecho de un nucleo magnetico y debe ser invertido. Este es el cometido del que debe suponerse que el inducido oscilante debe aplicar una fuerza mayor para la inversion que hacia el otro lado. El flujo magnetico generado con iman permanente y el flujo secundario generado con iman permanente estan simbolizados, respectivamente, por flechas totalmente negras. Estos corresponden a los flujos de iman permanente designados en la figura 2, lo que significa que el flujo magnetico generado con iman permanente es mas fuerte en el circuito paralelo izquierdo en virtud del circuito magnetico conectado que el flujo secundario generado con iman permanente en el circuito paralelo derecho, en el que debe superarse el intersticio de aire del inducido. Sobre los arrollamientos de excitacion 1 y 2 se aplica un impulso de tension continua con el objeto de la inversion del inducido oscilante. El circuito necesario de los arrollamientos de excitacion 1 y 2, su direccion de arrollamiento asf como la polaridad del impulso de tension continua simboliza la representacion inferior de la figura 6. A traves de los impulsos de tension continua se genera un flujo electromagnetico en el inducido magnetico, simbolizado a traves de las flechas pequenas enmarcadas, que se cierra sobre los dos circuitos paralelos, esta dirigido en el brazo exterior derecho en el mismo sentido que el flujo secundario generado con iman permanente y esta dirigido en el brazo exterior izquierdo en sentido opuesto al flujo magnetico generado con iman permanente. Adicionalmente al desplazamiento del flujo magnetico generado con iman permanente desde el circuito paralelo izquierdo, como se ha explicado ya con relacion a las figuras 1 a 3. Ahora en oposicion al arrollamiento simetrico, el flujo generado electromagneticamente desde la bobina 2 apoya a traves de sus curvas caractensticas dirigidas en el mismo sentido que el flujo secundario generado con iman permanente el mismo y de esta manera resulta una fuerza de conmutacion incrementada considerablemente. El inducido oscilante pivota en el sentido horario con fuerza mayor que en el caso de arrollamientos dispuestos simetricamente. Puesto que el iman permanente no es atravesado por el flujo de las bobinas, por consiguiente no se puede desmagnetizar.
Con la ayuda de la figura 7 se explica la inversion a la otra posicion de articulacion, por lo que el inducido oscilante debe ser atrafdo por el circuito magnetico izquierdo. Los flujos magneticos permanentes corresponden a los de la figura 3. Sobre los arrollamientos de excitacion 3 se aplica un impulso de tension continua con la finalidad de la conmutacion del inducido oscilante. La conexion de los arrollamientos de excitacion 3, la direccion de arrollamiento
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as^ como la polaridad del impulso de tension continua estan simbolizadas de nuevo en la representacion inferior en la figura 7. A traves del impulso de tension continua se genera un flujo electromagnetico en el circuito paralelo derecho, simbolizado a traves de las flechas pequenas enmarcadas, que se cierra sobre el brazo medio y esta dirigido opuesto al flujo magnetico generado con iman permanente en el circuito paralelo derecho. De esta manera, se desplaza el flujo magnetico generado con iman permanente desde el brazo exterior derecho hasta el brazo exterior izquierdo y se suma allf al flujo secundario generado con iman permanente. El inducido oscilante pivota en el sentido contrario a las agujas del reloj, con lo que se configura ahora un flujo secundario generado con iman permanente sobre el circuito paralelo derecho y un flujo magnetico generado con iman permanente sobre el circuito paralelo izquierdo mantiene el inducido oscilante libre de potencia en otra posicion estable. Cuando el inicio de este movimiento es apoyado por una fuerza externa, por ejemplo un muelle, entonces se puede realizar la bobina 3 solo con pocas espiras.
Tambien para una configuracion del arrollamiento con un arrollamiento adicional, como se representa en el dibujo, se necesitan solamente tres conexiones de arrollamiento, siendo aplicado un impulso de control de tension continua, respectivamente, solo en dos polos. Al mismo tiempo, esta configuracion del arrollamiento se puede realizar, como se representa en las figuras 6 y 7, por medio de un proceso de arrollamiento, comenzando en la conexion de arrollamiento central sobre la conexion de arrollamiento izquierda hacia la conexion de arrollamiento derecha.
Lista de signos de referencia
1 Yugo de hierro maleable en forma de U
2 Brazo izquierdo del yugo
3 Brazo derecho del yugo
4 Arrollamiento de excitacion izquierdo
5 Arrollamiento de excitacion derecho
6 Iman permanente
7 Brazo de medio de hierro maleable
8 Inducido oscilante
9 Miembro de activacion
10 Flujo magnetico generado por iman permanente a traves de un circuito paralelo
11 Flujo secundario generado por iman permanente a traves de un circuito paralelo
12 Intersticio de aire del inducido
13 Flujo electromagnetico a traves del circuito magnetico
14 Cuerpo aislante para los arrollamientos de excitacion
15 Conexiones de arrollamiento para los arrollamientos de excitacion

Claims (7)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. - Actuador magnetico biestable con un circuito magnetico polarizado e intersticios de aire de trabajo (12) paralelos, en el que entre los brazos exteriores (2, 3) de un yugo de hierro maleable (1) en forma de U esta integrado un iman permanente (6) plano, que lleva un brazo medio de hierro maleable (7) e impulsa un inducido oscilante (8) alojado sobre el brazo medio de hierro maleable (7) con un flujo magnetico generado con iman permanente, y en el que sobre cada brazo exterior (2, 3) un arrollamiento de excitacion (4, 5) que puede ser activado de forma separada suministra impulsos de inversion para el inducido oscilante (8) desde una posicion de articulacion de auto-retencion por iman permanente hasta la otra posicion, caracterizado por un circuito, que esta disenado de tal forma que el flujo magnetico (13) generado con iman permanente a traves del circuito magnetico cerrado, respectivamente, sobre el inducido oscilante (8) en el caso de un flujo magnetico (10) electromagnetico generado por el arrollamiento de excitacion (4) de este circuito magnetico con una direccion opuesta al flujo magnetico (13) generado con iman permanente, conmuta a la derivacion del circuito magnetico dispuesto paralelo con el arrollamiento de excitacion (5) no excitado electromagneticamente y con el apoyo del flujo secundario (11) generado con iman permanente en este circuito paralelo (10) invierte el inducido oscilante (8).
  2. 2. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que sobre uno de los brazos exteriores (2, 3) esta aplicado un arrollamiento de excitacion adicional, que esta conectado y arrollado de tal forma que se excita al mismo tiempo con el arrollamiento de excitacion (4, 5) sobre el otro brazo exterior (2, 3) y genera un flujo electromagnetico de apoyo dirigido en la misma direccion que el flujo magnetico (10) generado con iman permanente para la inversion del inducido oscilante (8) hacia este circuito magnetico y de esta manera recibe una intensificacion de la fuerza en esta direccion.
  3. 3. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que se realiza la aplicacion en reles de conmutacion de potencia de conmutacion grande.
  4. 4. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el yugo de hierro maleable (1) en forma de U esta fabricado en una sola pieza a partir de una pieza doblada estampada de hierro maleable.
  5. 5. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los arrollamientos de excitacion (4, 5) arrollados en una etapa de trabajo se asientan sobre un cuerpo aislante (14) de dos partes conectado a traves de al menos una bisagra de lamina.
  6. 6. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que un miembro de activacion (9) fijado en el inducido oscilante (8) esta configurado elastico y de acuerdo con la direccion de la fuerza de ataque presenta dos curvas caractensticas de resorte diferentes.
  7. 7. - Actuador magnetico biestable de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado por que el miembro de activacion elastico (9) esta fijado pretensado en el inducido oscilante (8).
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