ES2651473T3 - Accionador electromagnético giratorio - Google Patents
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Abstract
Accionador electromagnético que comprende: un rotor (300); un estator, estando el rotor dispuesto para rotar en el estator; y un impulsor (305) acoplado al rotor por un mecanismo de conexión (306, 308, 310) que desplaza el impulsor cuando gira el rotor en el que una pluralidad de posiciones de reposo estables para el rotor están definidas por fuerzas que actúan sobre el rotor, y el accionador se puede controlar para mover el rotor de una posición de reposo estable a otra, y el desplazamiento del impulsor (305) que resulta del movimiento del rotor de una primera posición de reposo a una segunda posición de reposo es mayor que el desplazamiento que resulta del movimiento del rotor de la primera posición de reposo a una tercera posición de reposo, siendo la rotación del rotor de la primera posición de reposo a la segunda posición de reposo y de la primera posición de reposo a la tercera posición de reposo sustancialmente idéntica y en direcciones opuestas, caracterizado por que el mecanismo de connexion (306, 308, 310) comprende un acoplamiento elástico (306) entre el rotor (300) y el impulsor (305), y el mecanismo de connexion está dispuesto de manera que si se evita que el impulsor llegue a un extremo de su intervalo de carrera completo, el resultado es una parte de movimiento perdido en la rotación del rotor, en la que no hay sustancialmente ningún desplazamiento del impulsor y en la que el acoplamiento elastico se extiende o comprime, con la parte de movimiento perdido incluyendo la primera posición de reposo y estando situada asimétricamente con respect a la primera posición de reposo.
Description
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DESCRIPCION
Accionador electromagnetico giratorio Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a accionadores electromagneticos giratorios. Mas en concreto, se refiere a un accionador electromagnetico adecuado para abrir y cerrar una valvula.
Antecedentes de la invencion
Una configuracion de accionador electromagnetico al que se refiere la presente invencion se describe en la Publicacion Internacional WO2004/097184 (presentada por el presente solicitante), cuyos contenidos se incorporan aqu como referencia. La presente invencion tiene por objeto proporcionar mejoras en este dispositivo accionador.
Una configuracion de accionador que se describe en esta publicacion se muestra en las presentes figuras 1A y 1B. Estas muestran vistas en perspectiva frontal y posterior, respectivamente. Un rotor 10 esta montado de manera giratoria en una carcasa 12 para girar alrededor de un eje 14. Este esta rodeado por un estator 16 que comprende ocho polos. Un devanado correspondiente 18 esta enrollado alrededor de cada polo.
Una palanca 20 es empujada hacia la superficie de leva 24 de una leva 22 mediante un resorte de laminas 26. La superficie de leva 24 es cilmdrica y esta montada excentricamente sobre el rotor con respecto al eje de rotor 14. El accionador esta acoplado a un vastago de valvula 30. Esta dispuesto de manera que la flexion maxima del resorte de laminas 26 se produce cuando el vastago de valvula 30 esta en el extremo superior de su carrera vertical, es decir, en la posicion de valvula cerrada.
El acoplamiento entre el accionador y el vastago de valvula 30 se puede ver en la figura 1B. Un pasador de manivela 40 se extiende desde la parte posterior del rotor, a traves de una palanca 42. La palanca 42 se monta de manera que pueda pivotar alrededor de un eje 44. El pasador de manivela 40 pasa a traves de una abertura definida por la palanca 42, cuya pared define una superficie de leva 46. La etapa siguiente es el movimiento del pasador de manivela a medida que gira, convirtiendo este movimiento giratorio en una oscilacion sustancialmente vertical del vastago de valvula 30 a traves de un acoplamiento pivotante 48, proporcionando un control de valvula desmodromico.
Las fuerzas magneticas pasivas entre el rotor y el estator sirven para definir ocho posiciones de reposo estables para el rotor. En cada posicion de reposo, el rotor se mantiene firmemente en posicion mediante estas fuerzas magneticas pasivas sin requerir la entrada de energfa (tal como una corriente electrica a traves de devanados de estator).
El rotor puede ser girado de una posicion de reposo a otra mediante la aplicacion de un impulso de corriente adecuado a uno o mas devanados de estator. Los ocho devanados (o bobinas) estan conectados entre sf en cuatro pares, consistiendo cada par en dos devanados en lados opuestos del eje de rotacion 14. Los devanados de cada par pueden estar conectados entre sf en serie o en paralelo.
El accionador se puede controlar para energizar un par, o dos pares, o todos los cuatro pares de devanados en funcion de la magnitud del impulso requerido. Esto puede variar sustancialmente dependiendo de una serie de factores tales como, por ejemplo, la velocidad del motor, la rigidez de valvula, la viscosidad del aceite y la temperatura.
El resorte de laminas almacena energfa a medida que el vastago de valvula se mueve a su posicion cerrada. Esta energfa se utiliza despues para acelerar el rotor cuando se aleja de esta primera posicion de reposo debido a la accion del resorte 26 en el rotor a traves de la palanca 20 y la leva 22. Esto puede reducir sustancialmente la corriente electrica maxima requerida para desplazar el rotor en la direccion opuesta a su posicion de reposo. Como se ha senalado anteriormente, la rotacion del rotor se transforma en el movimiento del vastago de valvula a traves del mecanismo de conexion que se muestra en la figura 1B.
A medida que el vastago de valvula vuelve hacia su posicion cerrada, el resorte de laminas sirve para controlar y reducir su velocidad a medida que se aproxima a su asiento. Esto ayuda a reducir el ruido del motor y aumenta la vida del motor. Al mismo tiempo, la energfa cinetica se almacena en el resorte para su reutilizacion durante la fase de apertura de valvula.
Otros dispositivos is de accionamiento giratorio para controlar la carrera de una valvula en la culata de un motor de combustion interna son descritos en los documentos US2006/0016408, EP1457645 y WO03/016683
Resumen de la invencion
La presente invencion se refiere a un accionador electromagnetico que comprende: un rotor;
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un estator, con el rotor dispuesto para girar en el estator; y
un impulsor acoplado al rotor por un mecanismo de conexion que desplaza el impulsor cuando gira el rotor
en el que una pluralidad de posiciones de reposo estables para el rotor son definidas por fuerzas que actuan sobre el rotor, y el accionador se puede controlar para mover el rotor de una posicion de reposo estable a otra,
y el desplazamiento del impulsor resultante del movimiento del rotor de una primera posicion de reposo a una segunda posicion de reposo es mayor que el desplazamiento resultante del movimiento del rotor de la primera posicion de reposo a una tercera posicion de reposo, siendo la rotacion del rotor de la primera posicion de reposo a la segunda posicion de reposo y de la primera posicion de reposo a la tercera posicion de reposo sustancialmente igual y en direcciones opuestas.
De acuerdo con la invencion, el mecanismo de connexion comprende un acoplamiento elastico entre el rotor y el impulsor, y el mecanismo de connexion esta dispuesto de manera que si se evita que el impulsor llegue a un extremo de su intervalo de carrera completo, el resultado es una parte de movimiento perdido en la rotacion del rotor, en la que no hay sustancialmente ningun desplazamiento del impulsor y en la que el acoplamiento elastico se extiende o comprime, con la parte de movimiento perdido incluyendo la primera posicion de reposo y estando situada asimetricamente con respect a la primera posicion de reposo.
En las configuraciones de accionador de valvula descritas en el documento WO2004/097184, el movimiento impartido por el accionador a, por ejemplo, un vastago de valvula esta relacionado con el angulo de rotacion del rotor de la misma manera que si se aleja de su primera posicion de reposo en un sentido horario o antihorario. El inventor se ha dado cuenta de que se puede proporcionar una mayor versatilidad de funcionamiento haciendo el perfil de la superficie de leva de accionamiento diferente en direcciones de rotacion opuestas. De esta manera, el desplazamiento del impulsor siguiendo la rotacion a traves de un angulo dado a una posicion de reposo estable en una direccion puede ser diferente al que resulta de la rotacion del rotor a traves del mismo angulo en la direccion opuesta. Esto significa que se puede seleccionar cualquier desplazamiento controlando el accionador para gire el rotor en la direccion correspondiente.
Como resultado de la parte de movimiento perdido incluyendo la primera posicion de reposo y estando situada asimetricamente con respecto a la primera posicion de reposo una mayor proporcion del movimiento resultante del movimiento del rotor desde la primera posicion de reposo hasta la tercera posicion de reposo por ejemplo puede ser “perdido” con respecto al movimiento que resulta de la rotacion de la primera posicion de reposo a la segunda posicion de reposo. Esto deriva en diferentes desplazamientos del impulsor resultantes del movimiento a la segunda posicion de reposo y a la tercera posicion de reposo, respectivamente.
El mecanismo de conexion puede estar dispuesto para "absorber" el movimiento perdido sobre la parte de movimiento perdido de la rotacion del rotor. Ello comprende un acoplamiento elastico entre el rotor y el impulsor que se extiende o se comprime sobre la parte de movimiento perdido. Por tanto, sobre la parte de movimiento perdido, la rotacion del rotor deriva en la extension del acoplamiento elastico, en lugar de en el desplazamiento del impulsor. El acoplamiento elastico, ademas de proporcionar el "movimiento perdido" deseado, proporciona una mayor tolerancia en la construccion del mecanismo de conexion y/o componentes acoplados al accionador. Esto puede compensar los cambios de dimensiones de los componentes resultantes de la dilatacion o contraccion termica y del desgaste durante la vida util del accionador. Ademas, durante la parte de movimiento perdido, ejerce una fuerza de traccion en el impulsor empujandolo hacia (y asf restringiendolo) su posicion de final de carrera.
Si el acoplamiento elastico esta dispuesto para ser comprimido sobre la parte de movimiento perdido de la rotacion del rotor cuando se impide que el impulsor alcance su posicion de final de carrera mas alla del rotor, el acoplamiento se comprime y ejerce una fuerza de compresion sobre el impulsor.
En una aplicacion, el mecanismo de conexion incluye una manivela acoplada en un emplazamiento fuera de eje en el rotor que esta rotacionalmente desplazado de un extremo de su carrera con respecto al impulsor cuando el rotor esta en su primera posicion de reposo. Esta configuracion, en particular en combinacion con un acoplamiento elastico entre el rotor y el impulsor, proporciona un mecanismo de conexion rentable que proporciona la relacion deseada entre el movimiento del rotor y el impulsor.
En otras realizaciones, el accionador comprende una leva de accionamiento que define una superficie de leva de accionamiento y un seguidor de leva de accionamiento asociado a la superficie de leva de accionamiento, pudiendo uno de la leva de accionamiento y el seguidor de leva de accionamiento girar con o mediante el rotor, y estando dispuesto el accionador de manera que el desplazamiento del seguidor de leva de accionamiento deriva en el desplazamiento del impulsor. De manera preferible la leva de accionamiento forma el impulsor.
De manera preferible, las posiciones de reposo estables del rotor estan definidas por fuerzas de empuje mecanicas que actuan sobre el rotor y/o por fuerzas magneticas pasivas ejercidas sobre el rotor por el estator. El rotor puede comprender un iman permanente, y el estator puede tener al menos un devanado que se puede magnetizar
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haciendo que una corriente fluya a traves del devanado para forzar el rotor para pase de una posicion de reposo a otra.
La primera posicion de reposo puede definir un extremo de la carrera del seguidor de leva de empuje y/o del seguidor de leva de accionamiento. En aplicaciones en las que el accionador esta acoplado en un vastago de valvula, la primera posicion de reposo puede corresponder, por ejemplo, a la posicion de valvula cerrada del vastago.
La presente invencion proporciona ademas un metodo de funcionamiento de un accionador como el que se describe en el presente documento, que comprende una etapa de oscilacion del rotor de ida y vuelta entre la primera posicion de reposo y otra posicion de reposo. Segun otro modo de funcionamiento que incorpora la presente invencion, el rotor gira de la primera posicion de reposo de nuevo a la primera posicion de reposo mediante la rotacion del rotor a traves de una revolucion completa en una direccion. Esto puede facilitar un funcionamiento a alta velocidad del accionador, ya que no es necesario invertir su direccion de movimiento para volver a su primera posicion de reposo.
El rotor puede ser controlado para que se detenga durante un corto periodo de parada en cualquier posicion de reposo.
Otro protocolo de control preferido comprende ademas hacer girar el rotor de la primera posicion de reposo a otra posicion de reposo, deteniendose en dicha otra posicion de reposo, y luego continuando la rotacion del rotor en la misma direccion de vuelta a la primera posicion de reposo.
El elemento de empuje es preferentemente mecanico y puede tener la forma de una disposicion de resorte, por ejemplo un resorte de laminas.
La disponibilidad de posiciones de reposo estables correspondientes a la rotacion parcial del rotor en direccion opuesta a su primera posicion de reposo puede ser particularmente beneficiosa cuando se emplea el accionador para accionar una valvula. Con la primera posicion de reposo correspondiendo a la posicion de valvula cerrada, y 180° de rotacion del rotor correspondiendo a la posicion de valvula completamente abierta, las posiciones de reposo estables intermedias representan una apertura parcial de la valvula. El accionador se puede controlar para que oscile entre la primera posicion de reposo y una o mas de estas posiciones de reposo intermedias. Cuando se emplea el accionador para abrir y cerrar una entrada o una valvula de escape de un motor de combustion interna, esta oscilacion intermedia puede proporcionar un modo de ralentf, un modo de velocidad de crucero u otros modos de funcionamiento con menor consumo de combustible. Las presentes aplicaciones pueden emplearse para asegurar que todas las posiciones de reposo estables intermedias necesarias esten disponibles para su seleccion.
La primera posicion de reposo y la segunda posicion de reposo pueden ser posiciones de reposo estables adyacentes del rotor (es decir, puede no haber ninguna posicion de reposo intermedia definida por las fuerzas magneticas pasivas ejercidas sobre el rotor por el estator). En algunas configuraciones, puede haber ademas una o mas posiciones de reposo entre la primera posicion de reposo y segunda posicion de reposo.
La primera posicion de reposo y la segunda posicion de reposo pueden ser definidas por fuerzas magneticas que actuan solamente sobre el rotor (de manera preferible debido a la interaccion entre el rotor y el estator) sustancialmente sin ningun par aplicado al rotor por una configuracion de empuje en cualquiera de estas posiciones (o de manera preferible entre ellas).
El accionador se puede controlar para mover el rotor de una posicion de reposo a otra mediante la aplicacion de un impulso adecuado hacia la otra posicion de reposo causado por la corriente que fluye a traves de al menos uno de los devanados de estator. Esta accion puede ser repetida de manera suficiente y es suficientemente fiable como para que solo sea necesario aplicar el impulso en una direccion de rotacion, y puede consistir unicamente en un unico impulso de una magnitud predeterminada, minimizando asf el consumo de energfa.
En otras realizaciones, el desplazamiento de un seguidor de leva de empuje es sustancialmente constante entre la primera posicion de reposo y una tercera posicion de reposo, situado en el lado rotacionalmente opuesto de la primera posicion de reposo hacia la segunda posicion de reposo. De manera preferible, la tercera posicion de reposo es la siguiente posicion de reposo adyacente en esta direccion de rotacion opuesta a la primera posicion de reposo.
En realizaciones preferidas de la presente invencion, la fuerza aplicado por la disposicion de empuje sobre el rotor vana dependiendo de la posicion de rotacion del rotor de tal manera que esta en su mmimo o cerca del mismo en y entre la primera posicion de reposo y la segunda posicion de reposo. Se ha determinado que en algunas aplicaciones del accionador, es ventajoso que no haya ningun empuje (o solo un empuje relativamente bajo) aplicado en la primera posicion de reposo y en la segunda posicion de reposo siendo aplicada unicamente una fuerza de empuje mayor sobre una parte de la revolucion del rotor mas alla de la segunda posicion de reposo.
Una aplicacion particular para el accionador en la que se prefiere esta configuracion es su uso para controlar una valvula de un motor de automovil. Para la mayor parte de la vida de tal motor de, este funciona en gamas de r.p.m. bajas y medias. Se ha encontrado que la aplicacion de una fuerza de empuje significativa en el rotor puede no ser necesaria durante estos modos de funcionamiento. Sigue siendo beneficioso para una disposicion de empuje
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proporcionar una funcion de almacenamiento de ene^a y de aceleracion cuando el motor esta funcionando a r.p.m. relativamente altas. Sin embargo, durante gamas de velocidad de motor bajas y medias, se puede lograr una sincronizacion de valvula precisa sin este par adicional.
Es probable que se necesite una fuerza sustancial para almacenar una cantidad significativa de energfa en la disposicion de empuje, en particular si solo hay un pequeno espacio disponible para el desplazamiento de un elemento de almacenamiento de energfa mecanica. Este requisito de una fuerza sustancial significa que es probable que haya una friccion sustancial ejercida sobre el rotor por la disposicion de empuje y esto tambien puede derivar en una vida util relativamente corta para un elemento de almacenamiento de energfa mecanica. Por tanto, es ventajoso que la fuerza aplicada por la disposicion de empuje este en su mmimo o sustancialmente en su mmimo en y entre la primera posicion de reposo y la segunda posicion de reposo, aumentando la fuerza mas alla de la segunda posicion de reposo. Esto reduce significativamente la cantidad de friccion generada durante el funcionamiento a unas r.p.m. bajas y medias y aumenta la vida util (y por tanto la fiabilidad) de un elemento de almacenamiento de energfa mecanica en la disposicion de empuje.
En tal realizacion, la disposicion de empuje puede estar configurada para almacenar energfa durante una parte de la carrera del rotor mas alla de la segunda posicion de reposo, y despues usar la energfa almacenada para acelerar el rotor en la misma direccion a medida que vuelve a su primera posicion de reposo. El accionador puede estar dispuesto y ser controlado de manera que este reciclado de energfa se aplique solo durante el funcionamiento de un motor asociado a r.p.m. altas.
Asf, durante gamas de r.p.m. bajas y medias, la rotacion del rotor puede estar restringida a la parte de una revolucion que no implica almacenamiento de energfa, y durante un funcionamiento a r.p.m. altas, el rotor se controla para que gire mas alla de esta parte y a traves de la parte de almacenamiento de energfa de la revolucion. En particular, durante r.p.m. altas, el rotor gira de manera preferible de forma continua, en la misma direccion, a traves de revoluciones completas que pasan a traves de la region de almacenamiento de energfa.
El mecanismo de conexion puede disponerse de manera que el impulsor este en una primera posicion de impulsor cuando el rotor esta en su primera posicion de reposo, y esta en o cerca de su desplazamiento maximo desde la primera posicion de impulsor cuando el rotor esta en su segunda posicion de reposo. Por tanto, la rotacion del rotor de su primera posicion de reposo a su segunda posicion de reposo puede dar como resultado un desplazamiento completo del impulsor desde su primera posicion de reposo o posicion inicial hasta su desplazamiento maximo en la segunda posicion de reposo sin la fuerza aplicada por la disposicion de empuje, aumentando significativamente mas alla de su mmimo. Por ejemplo, el accionador puede estar previsto en un motor de manera que la primera posicion del impulsor corresponda a una posicion de valvula cerrada y la segunda posicion de reposo corresponda a la posicion de valvula totalmente abierta.
Por lo tanto, el movimiento alternativo del impulsor puede lograrse mediante el accionamiento del accionador de manera que su rotor gire de su primera posicion de reposo a su segunda posicion de reposo y luego de vuelta otra vez en la direccion opuesta. Ademas, el mecanismo de conexion puede estar dispuesto de manera que el impulsor vuelva a la primera posicion de impulsor durante la rotacion del rotor mas alla de la segunda posicion de reposo. Por tanto, la rotacion del rotor en la misma direccion dana como resultado el movimiento alternativo del impulsor de su primera posicion a una segunda posicion y luego de vuelta otra vez. Esto puede tener lugar con 270° de rotacion del rotor o menos, o de manera preferible con 180° de rotacion o menos. El movimiento alternativo del rotor en menos de una revolucion completa del rotor facilita una accion de movimiento alternativo mas rapido.
De manera preferible, en realizaciones en las que el mecanismo de conexion esta dispuesto de manera que el impulsor vuelve a la primera posicion de impulsor durante la rotacion del rotor mas alla de la segunda posicion de reposo, este retorno a la segunda posicion de reposo se produce antes de que el rotor alcance la parte de su carrera durante la que la disposicion de empuje almacena energfa. Por lo tanto, un movimiento alternativo completo del impulsor puede lograrse mediante el giro del rotor en la segunda direccion sin que la rotacion sea materialmente impedida como resultado de la transferencia de energfa a la disposicion de empuje.
En esta aplicacion, hay dos posiciones de rotacion del rotor en las que el impulsor esta en la primera posicion de impulsor. El accionador puede estar configurado de manera que haya una o mas posiciones de reposo estables intermedias definidas entre estas posiciones y la posicion de reposo estable en la que se consigue el desplazamiento maximo del impulsor. El desplazamiento del impulsor correspondiente a las posiciones de reposo intermedias puede ser diferente dependiendo de que primera posicion de impulsor se seleccione. El movimiento alternativo entre una primera posicion de impulsor de reposo seleccionada y una posicion de reposo inmediata asociada proporcionara por tanto un movimiento alternativo con un grado seleccionado de desplazamiento del impulsor.
Un seguidor de leva de empuje y la superficie de leva de empuje pueden ser empujados juntos por un elemento de empuje que esta configurado para almacenar energfa durante una parte de la carrera del rotor hacia su primera posicion de reposo y para utilizar esta energfa almacenada para acelerar el rotor durante una parte de su carrera en direccion opuesta a la primera posicion de reposo. Esto proporciona almacenamiento y liberacion de energfa durante
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el funcionamiento del accionador y la superficie de leva de empuje puede estar perfilada para controlar este proceso, facilitando al mismo tiempo la seleccion de posiciones de reposo intermedias requeridas.
Breve descripcion de los dibujos
Una disposicion de la tecnica anterior y realizaciones de la invencion se describen en el presente documento a modo de ejemplo con referencia a los dibujos esquematicos que se acompanan, en los que:
Las figuras 1A y 1B son vistas en perspectiva frontal y posterior, respectivamente, de una configuracion de accionador electromagnetico conocido tal y como se describe en el documento WO2004/097184;
La figura 2 es un grafico de la carrera de valvula y del par de resorte frente la rotacion del rotor para una configuracion de accionador de la forma mostrada en las figuras 1A y 1B;
Las figuras 3A y 3B son vistas en perspectiva frontal y posterior, respectivamente, de un ejemplo de un accionador electromagnetico, acoplado en un vastago de valvula;
La figura 4 representa el perfil de una superficie de leva de empuje;
La figura 5 es un grafico del almacenamiento de la carrera de resorte y la energfa de resorte frente la rotacion de rotor para un accionador que tiene un perfil de superficie de leva de empuje con la forma mostrada en la figura 4;
La figura 6 es un grafico del par de rotor total frente a la rotacion de rotor para un accionador que tiene un perfil de superficie de leva de empuje con la forma mostrada en la figura 4;
La figura 7 representa un perfil de superficie de leva de accionamiento en una realizacion de la presente invencion;
La figura 8 es un grafico de la carrera de valvula frente la rotacion de rotor para un accionador que incorpora la presente invencion;
La figura 9 representa una combinacion del perfil de superficie de leva de accionamiento de la figura 7 con un perfil de superficie de leva de arrastre asociado;
La figura 10 es una vista posterior esquematica de un accionador electromagnetico que incorpora la presente invencion, acoplado a un vastago de valvula;
La figura 11 es un grafico de desplazamiento de impulsor frente a la rotacion de rotor para un accionador configurado de acuerdo con la figura 10;
La figura 12 representa el perfil de otra superficie de leva de empuje;
La figura 13 es un grafico del almacenamiento de la carrera de resorte y la energfa de resorte frente la rotacion de rotor para un accionador que tiene un perfil de superficie de leva de empuje con la forma mostrada en la figura 12;
La figura 14 es un grafico de par de rotor total frente a la rotacion de rotor para un accionador que tiene un perfil de superficie de leva de empuje con la forma mostrada en la figura 12;
La figura 15 es un grafico de la carrera de valvula frente la rotacion de rotor para un accionador de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion;
La figura 16 representa un perfil de superficie de leva de accionamiento que corresponde al grafico de carrera de valvula de la figura 15;
La figura 17 es un grafico de carrera de valvula frente a la rotacion de rotor para otro accionador que incorpora la invencion; y
La figura 18 representa un perfil de superficie de leva de accionamiento que corresponde al grafico de carrera de valvula de la figura 17.
Descripcion detallada de los dibujos
La figura 2 representa los cambios en la carrera de valvula y el par aplicado al rotor por el resorte 26 en un accionador conocido que tiene la configuracion mostrada en las figuras 1A y 1B. Las cruces representan posiciones estables definidas por el accionador en ausencia del par aplicado al resorte. La posicion del rotor 0/360° corresponde a su primera posicion de reposo. Se puede observar que las posiciones de reposo estables a ambos lados de esta posicion estan cerca de los dos maximos en el grafico de par de resorte aplicado. Como resultado de ello, puede que no sea posible accionar de forma fiable el accionador para mover el rotor de su primera posicion de reposo a una de estas posiciones de reposo intermedias adyacentes. En este caso, la primera posicion estable que se puede seleccionar sobrepasa los 90° de rotacion del rotor en direccion opuesta a su primera posicion de reposo,
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en la que el vastago de valvula ya se ha movido mas de un tercio de su recorrido total. Las primeras posiciones de reposo estables intermedias a 45° de rotacion no estan disponibles para su seleccion.
Un accionador se representa en las figuras 3A y 3B. Una leva de empuje 100 define una superficie de leva de empuje 102. Esta se acopla mediante un seguidor de leva de empuje proporcionado por un pie l04. La superficie de leva de empuje y el seguidor de leva de empuje son empujados juntos por un elemento de empuje 106 en forma de resorte de laminas. Mientras que la superficie de leva de empuje 24 de la configuracion de accionador conocida mostrada en la figura 1A es circular en vista extrema, la superficie de leva de empuje 102 se aleja de este perfil como se describe en mas detalle a continuacion con referencia a la figura 4.
Como se puede ver en la figura 3B, una leva de accionamiento 110 define una superficie de leva de accionamiento 112. Esta superficie se acopla mediante un seguidor de leva de accionamiento 114 en forma de palanca. La palanca es empujada hacia arriba contra la superficie de leva por un resorte 116. El resorte 116 actua sobre una palanca 118 que a su vez empuja la cabeza de vastago de valvula 120 contra la parte inferior de la palanca 114. La parte inferior del extremo distal de la palanca 114 oscila contra la superficie superior de la cabeza de vastago de valvula 120 a medida que se mueve hacia arriba y hacia abajo y actua como un impulsor. De esta manera, la rotacion de la leva 110 y los cambios en su radio se transforman en desplazamiento de la palanca 114, que a su vez deriva en un desplazamiento vertical del vastago de valvula 30. El perfil de la superficie de leva de accionamiento 112 se aleja de una forma circular en una vista extrema, como se describe ademas a continuacion con referencia a la figura 7.
Una palanca 118 se acopla en un seguidor de leva de arrastre proporcionado por una palanca de leva de arrastre 122, y ambas palancas pueden pivotar alrededor de un eje comun 124. La palanca de leva de arrastre 122 es empujada contra una superficie de leva de arrastre 126 definida por una leva de arrastre 128. La leva de arrastre esta montada en el rotor de accionador.
Las palancas 118 y 122 se acoplan de manera elastica entre sf, de manera que el perfil de la leva de arrastre se convierte en una fuerza de retorno ascendente correspondiente aplicada al vastago de valvula por la palanca 118, que depende de la posicion de rotacion del rotor. Un perfil de la leva de arrastre se muestra en la figura 9 a modo de ejemplo, y se describe a continuacion.
En el perfil de superficie de leva de empuje no circular simetrico representado en la figura 4, cada mitad de superficie a cada lado de la lmea que se extiende entre 0° y 180° se divide en tres zonas. Estas zonas son iguales a cada lado y se describiran con referencia a la seccion que se extiende en una direccion en sentido horario entre 0° y 180°.
La seccion entre 0° y 50° es circular, al igual que la seccion comprendida entre 170° y 180°. Entre 50° y 170°, el perfil se aleja gradualmente hacia dentro desde una forma circular. Esto da lugar a un cambio gradual de un radio de 20 mm a 50° a 15 mm a 170°. Las lmeas radiales mas gruesas a 0°, 45° y 180° indican posiciones de reposo estables 200. Se puede ver que la posicion de reposo estable intermedia a 45° se encuentra dentro de la zona circular que se extiende desde la primera posicion de reposo a 0°. Por lo tanto, cuando el rotor gira de 0° a 45°, no hay desplazamiento de un seguidor de leva de empuje que siga la superficie. No hay par aplicado al rotor por la disposicion de empuje durante este movimiento. La posicion de reposo intermedia a 45°, esta por tanto unicamente definida por las fuerzas magneticas que actuan entre el rotor y el estator. Esto permite que sean seleccionadas de forma fiable durante el funcionamiento del accionador. En efecto, una fuerza bien distinta es definida por estas fuerzas magneticas en la posicion de 45° de modo que el rotor se asienta de forma fiable en esta posicion despues de la aplicacion de un impulso de corriente apropiado en un devanado de estator para seleccionar esta posicion.
Del mismo modo, en la posicion a 180° frente a la primera posicion de reposo a 0°, se define una zona circular de 20° en la superficie de leva que permite que una fuerza bien distinta sea definida en esta posicion unicamente por fuerzas magneticas.
En la figura 5, se muestra un grafico de la carrera de resorte 220 y la energfa almacenada de resorte 222 frente a la rotacion de rotor. Se puede observar que las partes circulares de la superficie de leva de empuje de entre 310° y 50° y entre 170° y 190° no dan lugar a cambios en la carrera de resorte durante estas partes. Durante la rotacion del rotor entre 50° y 170°, hay una rapida disminucion en la carrera de resorte y la energfa almacenada, ya que esta energfa se transforma en energfa cinetica del rotor. El perfil de superficie de leva de empuje no circular aqrn hace que la fuerza de empuje sea dirigida a un lado del eje de rotor, dando esto como resultado la aplicacion de un par. Entre 190° y 310°, la carrera de resorte y la energfa almacenada aumentan a medida que el rotor gira a su primera posicion de reposo, transformando energfa cinetica de nuevo en energfa potencial en el resorte.
Un grafico del par de rotor total frente a su posicion de rotacion se muestra en la figura 6. El par total combina el par magnetico pasivo ejercido por el estator en el rotor y el par de resorte ejercido por la disposicion de empuje que incorpora la presente invencion. Los puntos 224 indican posiciones de reposo estables a 0°/360°, 45°, 180° y 315°. Se puede observar que cuando el rotor esta dentro de una zona estable cerca de cada una de estas posiciones, el par resultante actua para empujar el rotor hacia la posicion estable correspondiente. Se apreciara que el accionador puede estar configurado para aumentar la inclinacion y/o la extension de rotacion de las zonas estables para satisfacer requisitos particulares.
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Un perfil de superficie de leva de accionamiento que incorpora la presente invencion se representa en la figura 7. El radio esta marcado en milfmetros, medido desde el centro de rotacion de la leva 110.
En la zona superior del perfil de leva en la figura 7 que se extiende entre 330° y 20°, el radio de la leva es de 10 mm y su perfil es circular en vista extrema. Por tanto, no hay desplazamiento del seguidor de leva de accionamiento a medida que se mueve sobre esta zona. Como resultado de ello, cualquier movimiento pequeno del rotor a medida que se asienta en su primera posicion de reposo no se transforma en vibracion del seguidor de leva de accionamiento, y un vastago de valvula acoplado al mismo, por ejemplo.
Entre 20° y la primera posicion estable intermedia a 45°, el radio de la leva aumenta gradualmente. Esto deriva en una carrera correspondiente en un vastago de valvula en direccion opuesta a su posicion cerrada.
En cambio, hay un aumento mas pequeno del radio de leva de entre 0° y la primera posicion de reposo intermedia en la direccion opuesta a 315°. Durante el funcionamiento del accionador, esta configuracion permite la seleccion de la posicion de reposo intermedia a 45° o de la de 315°, dependiendo de la cantidad de desplazamiento requerida. Cuando se emplea el accionador para accionar una valvula, esto significa que se pueden seleccionar dos posiciones de valvula abierta parcial diferentes. Estas pueden corresponder, por ejemplo, a 10% y 25%, respectivamente, del desplazamiento total de seguidor de leva de accionamiento.
Entre 45° y 165° (y entre 315° y 205°), el radio de leva aumenta suavemente. El radio es constante entre 165° y 205°. Esta zona abarca la posicion de reposo estable a 180°. Al igual que en la primera posicion de reposo a 0°, esta parte de radio constante significa que pequenos movimientos del rotor cerca de la posicion a 180° no son transformados por la leva en vibracion del seguidor de leva de accionamiento.
En la figura 8 se muestra un grafico de carrera de valvula frente al angulo de rotacion del rotor empleando un accionador que tiene una superficie de leva de accionador asimetrica con la forma mostrada en la figura 7. Se puede ver que el radio mayor de la leva en la posicion de reposo intermedia a 45° deriva en una mayor carrera de la valvula de 2,4 mm, con respecto a un desplazamiento menor de 1,17mm en la posicion de reposo estable a 315°. Cuando se emplea el accionador para controlar un vastago de valvula de un motor de combustion interna, el desplazamiento mas pequeno puede corresponder, por ejemplo, a un estado de ralentf, con el mayor desplazamiento a 45° correspondiendo a un estado de motor en crucero.
La figura 9 muestra una combinacion de perfiles de accionamiento y de leva de arrastre adecuados para la realizacion de accionador de la figura 3B. El perfil de superficie de leva de accionamiento corresponde al que se muestra en la figura 7. El perfil de leva de arrastre esta rotacionalmente desplazado del perfil de leva de accionamiento aproximadamente 90°. Esto es porque, como puede verse en la figura 3B, los puntos de contacto para los respectivos seguidores de leva 122 y 114 estan igualmente desplazados.
Otra realizacion se representa esquematicamente en la figura 10. Un rotor 300 del accionador se muestra en una vista extrema, con su eje de rotacion 302 extendiendose perpendicular al plano del dibujo. Un vastago de valvula 30 esta dispuesto para el movimiento alternativo en una direccion que se extiende opuesta al eje 302. En la figura, se muestra en un extremo de su intervalo de carrera, en el que es empujado contra su asiento de valvula 304.
El vastago de valvula esta conectado al rotor a traves de un mecanismo de conexion. El mecanismo de conexion consiste en un acoplamiento elastico extensible 306, un pivote 308 y una manivela 310. El acoplamiento 306 esta conectado al vastago de valvula mediante un impulsor 305 y un conector 307. La manivela 310 se extiende entre el pivote 308 y un pivote 312 que se encuentra en el rotor 300.
Se apreciara que en la practica el impulsor y/o el vastago de valvula esta previsto para limitarse a moverse unicamente de una manera lineal, con la manivela 310 transformando la rotacion del rotor en movimiento lineal del impulsor.
El pivote 312 esta desplazado radialmente del eje de rotacion 302 del rotor. Cuando el rotor esta en su primera posicion de reposo, que se muestra en la figura 10, el pivote 312 esta tambien rotacionalmente desplazado del emplazamiento de su desplazamiento maximo en direccion opuesta al asiento de valvula 304. Este desplazamiento rotacional se indica como angulo "a" en la figura 10. Este angulo puede ser, por ejemplo, de entre 5 y 7 grados.
Las caractensticas de las disposiciones mostradas en la figura 10 se ilustran mediante el grafico de la figura 11. En este grafico, el desplazamiento del impulsor 305 se representa frente a la posicion de rotacion del rotor. En este ejemplo, la distancia radial entre el eje 302 del rotor y el pivote 312 es de 6 mm.
Se puede observar que entre aproximadamente 340 grados y 7 grados de rotacion del rotor, no hay desplazamiento del impulsor. Esto es efectivamente una parte de "movimiento perdido" de la rotacion del rotor. Durante esta parte, el movimiento del pivote 312 con respecto al impulsor solamente da como resultado cambios en la extension del acoplamiento elastico 306. Durante el resto de la rotacion del rotor, el acoplamiento elastico 306 no se extiende y el movimiento del pivote 312 es transformado a traves del mecanismo de conexion en desplazamiento lineal del impulsor. Por lo tanto, como se muestra en la figura 11, el impulsor realiza un desplazamiento maximo de 10 mm en el vertice de una curva sinusoidal 314 antes de volver de nuevo a su posicion de desplazamiento cero. Como
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resultado del mecanismo de conexion de movimiento perdido, se “pierden” por tanto 2 mm de la carrera lineal del pivote 312.
De manera significativa, como la posicion del pivote 312 esta rotacionalmente desplazada con respecto a su desplazamiento lineal maximo en direccion opuesta al asiento de valvula 304 cuando el rotor esta en su primera posicion de reposo, la curva 314 esta desplazada de manera similar. En la figura 11, estan marcadas las posiciones de reposo segunda y tercera (mostradas con los numeros de referencia 316 y 318, respectivamente), que corresponden a rotaciones de 45 grados y 315 grados del rotor, respectivamente. Aunque el rotor gira a traves del mismo angulo de rotacion de su primera posicion de reposo a las posiciones de reposo segunda y tercera, se puede ver que el desplazamiento del impulsor en la segunda posicion de reposo 316 es de 2 mm, en comparacion con solo 1 mm en la tercera posicion de reposo 318. Una mayor proporcion del movimiento hacia la tercera posicion de reposo se "pierde" en el mecanismo de conexion entre el rotor y el impulsor.
En otras realizaciones, el acoplamiento elastico se puede proporcionar mediante el uso de una manivela elastica.
El termino "impulsor" indica una parte del accionador que, en uso, se acopla con otro componente que es para ser desplazado por el accionador.
El acoplamiento elastico puede ser en forma de un resorte, tal como, por ejemplo, un resorte helicoidal. En la parte de movimiento perdido de la rotacion del rotor, el acoplamiento se extiende y, por tanto como resultado de ello, ejerce una fuerza de traccion sobre el vastago de valvula, que tiende a mantenerlo en su posicion cerrada contra su asiento de valvula 304. Se apreciara que las propiedades de este acoplamiento elastico se pueden seleccionar de manera que sean adecuadas para adaptarse a una aplicacion particular y a sus necesidades. Si fuera necesario, podna compensarse mediante un elemento elastico adicional que actue sobre el vastago de valvula para ayudar en la carrera del vastago de valvula en direccion opuesta a su asiento.
Alternativamente, en algunas aplicaciones de accionadores que incorpora la presente invencion, se puede proporcionar una disposicion de empuje adicional (tal como un resorte) en asociacion con un vastago de valvula acoplado al accionador, para empujar el vastago de valvula hacia su posicion cerrada.
Un perfil de superficie de leva de empuje de acuerdo con otra realizacion de la invencion se muestra en la figura 12. Un grafico correspondiente de la carrera de valvula y la energfa almacenada en la disposicion de empuje se muestra en la figura 13. El perfil de superficie de leva de empuje no circular simetrico de la figura 12 se divide en tres zonas, estando el perfil simetrico alrededor de una lmea que se extiende entre 0° y 180°.
La seccion de entre 90° y 270° es circular, al igual que la seccion comprendida entre 355° y 5°. Entre 270° y 355°, el perfil aumenta gradualmente de radio, mientras que entre 5° y 90° grados, disminuye gradualmente de radio. Las lmeas radiales mas gruesas a 0°, 90°, 135°, 180°, 225° y 270° indican posiciones de reposo estables 400. Asf, para la rotacion del rotor entre las posiciones de reposo estables a 90°, 135°, 180°, 225° y 270°, no hay desplazamiento de una leva de empuje que siga el radio de la superficie. Ademas, el radio esta en un mmimo durante esta parte de su perfil. En consecuencia, en una disposicion en la que la fuerza aplicada por una disposicion de empuje depende de este radio, la fuerza esta en un mmimo sobre esta parte de la rotacion del rotor. Por lo tanto, mientras que un seguidor de leva de empuje correspondiente esta acoplado con esta parte del perfil de superficie de leva de empuje, cualquier friccion entre el seguidor de leva de empuje y la superficie de leva estara en un mmimo. Cuando el seguidor de leva de empuje es empujado usando una disposicion de resorte mecanico, esta parte corresponde a una flexion minima del elemento de resorte. Si el accionador funciona durante la mayor parte del tiempo en esta region, entonces el tiempo de vida util del elemento de resorte sera mas largo.
El grafico de la figura 13 representa la carrera de resorte L (grafico 410) y la energfa almacenada en el resorte E (grafico 412) frente a la rotacion del rotor para una realizacion de accionador que incluye una leva de empuje con la forma que se muestra en la figura 12. Se puede ver que entre 90° y 270° grados, la carrera de resorte y el almacenamiento de energfa es cero. Ambos parametros aumentan de cero a 270° hasta un maximo en 360°/cero grados antes de caer a continuacion de nuevo a cero a 90°. Por tanto, el almacenamiento y la liberacion de energfa desde el resorte solo se producen entre 270° y 90°. En otras realizaciones, esta region puede ser mas estrecha. Por ejemplo, se puede extender entre aproximadamente 290° y 70°.
Un grafico del par total de rotor frente a su posicion de rotacion correspondiente a la configuracion de las figuras 12 y 13 se muestra en la figura 14. Se puede observar que el perfil de leva de empuje de la figura 12 facilita la provision de posiciones de reposo estables 400 como se muestra en la figura 14, definidas por fuerzas magneticas pasivas entre el rotor y el estator.
Un grafico de desplazamiento de leva de accionamiento y un perfil de leva 422 para usar en combinacion con el perfil de leva de empuje de la figura 12 se representan en las figuras 15 y 16, respectivamente. Se puede observar que el desplazamiento es cero entre 270° y 90°. Continuando en sentido horario desde 90°, aumenta hasta un maximo a 180° antes de disminuir despues de nuevo hasta cero a 270°.
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En esta configuracion, una o mas de las posiciones de rotor a 90°, 180° y 270° pueden estar indicadas como primeras posiciones de reposo. Cada una de estas posiciones de reposo estables 400 a 135°, 180° y 225° puede representar "segundas posiciones de reposo" en el contexto de la presente solicitud.
Un accionador que tiene perfiles de superficie de leva como se ilustra en las figuras 12 a 16, puede ser representado en combinacion con un vastago de valvula de un motor. En ese caso, durante el funcionamiento a r.p.m. bajas y medias, el rotor puede realizar un movimiento alternativo desde cualquiera de las primeras posiciones de reposo a 90° y 270° y de las posiciones de reposo estables adyacentes a 135° y 225°, respectivamente, y/o la posicion de reposo de carrera de valvula maxima a 180°. Este movimiento alternativo puede implicar un penodo de parada en la posicion de carrera de valvula parcial o total, segun corresponda. Alternativamente, el accionador puede funcionar en un "modo de rebote" en el que hay un movimiento continuo en cualquier posicion angular de entre 90° y 270° para lograr una carrera deseada y luego de vuelta a una primera posicion de reposo, sin un penodo de parada. Esto facilita la provision de un modo seguro de flujo bajo libre de estrangulacion.
Durante el funcionamiento a r.p.m. altas, el rotor de accionador puede ser controlado para girar de manera continua a traves de revoluciones completas energizando y desenergizando asf la disposicion de empuje.
La provision de primeras posiciones de reposo tanto a 90° como a 270° grados permite el funcionamiento en cualquiera de los modos descritos anteriormente mediante la rotacion en cualquier direccion (en sentido horario o antihorario), siendo seleccionado el modo mas apropiado de acuerdo con la demanda del motor y la estrategia de accionamiento de valvula.
Un perfil de desplazamiento de impulsor modificado 430 se representa en la figura 17, y un perfil de leva de accionamiento correspondiente 432 se muestra en la figura 18. Estos se diferencian de sus equivalentes en las figuras 15 y 16 en que el perfil de leva de accionamiento es asimetrico alrededor de una lmea que se extiende entre 0° y 180°, de manera que se consiguen carreras parciales diferentes en las posiciones de reposo estables a 135° y 225°, respectivamente. Ademas, el desplazamiento maximo se logra en un lado de 180°, a aproximadamente 160°. Esto permite que el accionador sea controlado para lograr un tiempo de parada en un desplazamiento parcial seleccionado de entre las dos alternativas proporcionadas a 135° y 225°, realizando un movimiento alternativo de vuelta a la primera posicion de reposo adyacente a 90° y 270°, respectivamente. La posicion de reposo estable a 180° corresponde a un desplazamiento de aproximadamente 8 mm.
De la lectura de la presente descripcion, van a quedar claras otras variaciones y modificaciones para las personas expertas en la tecnica. Tales variaciones y modificaciones pueden incluir otras caractensticas equivalentes que ya se conocen en el diseno, fabricacion y uso de accionadores electromagneticos y que se pueden usar en lugar de o ademas de las caractensticas ya descritas aqrn.
Claims (14)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Accionador electromagnetico que comprende: un rotor (300);un estator, estando el rotor dispuesto para rotar en el estator; yan impulsor (305) acoplado al rotor por un mecanismo de conexion (306, 308, 310) que desplaza el impulsor cuando gira el rotoren el que una pluralidad de posiciones de reposo estables para el rotor estan definidas por fuerzas que actuan sobre el rotor, y el accionador se puede controlar para mover el rotor de una posicion de reposo estable a otra,y el desplazamiento del impulsor (305) que resulta del movimiento del rotor de una primera posicion de reposo a una segunda posicion de reposo es mayor que el desplazamiento que resulta del movimiento del rotor de la primera posicion de reposo a una tercera posicion de reposo, siendo la rotacion del rotor de la primera posicion de reposo a la segunda posicion de reposo y de la primera posicion de reposo a la tercera posicion de reposo sustancialmente identica y en direcciones opuestas, caracterizado por que el mecanismo de connexion (306, 308, 310) comprende un acoplamiento elastico (306) entre el rotor (300) y el impulsor (305), y el mecanismo de connexion esta dispuesto de manera que si se evita que el impulsor llegue a un extremo de su intervalo de carrera completo, el resultado es una parte de movimiento perdido en la rotacion del rotor, en la que no hay sustancialmente ningun desplazamiento del impulsor y en la que el acoplamiento elastico se extiende o comprime, con la parte de movimiento perdido incluyendo la primera posicion de reposo y estando situada asimetricamente con respect a la primera posicion de reposo.
- 2. Accionador segun la reivindicacion 1, en el que el mecanismo de connexion (306, 308, 310) incluye una manivela 310) acoplada en un emplazamiento fuera de eje (312) en el rotor (300) que esta rotacionalmente desplazado del extremo de su carrera en direccion opuesta al impulsor (305) cuando el rotor esta en su primera posicion de reposo.
- 3. Accionador de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende:una leva de accionamiento (110) que define una superficie de leva de accionamiento (112); yun seguidor de leva de accionamiento (114) asociado a la superficie de leva de accionamiento, pudiendo girar uno de la leva de accionamiento y el seguidor de leva de accionamiento con o mediante el rotor, y estando dispuesto el accionador de manera que el desplazamiento del seguidor de leva de accionamiento da lugar a un desplazamiento del impulsor.
- 4. Accionador de acuerdo con la reivindicacion 3 en el que el impulsor forma parte integrante del seguidor de leva de accionamiento (114).
- 5. Accionador segun la reivindicacion 3 o la reivindicacion 4, en el que la primera posicion de reposo corresponde a un extremo de la carrera del seguidor de leva de accionamiento (114).
- 6. Accionador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las posiciones de reposo estables estan definidas por fuerzas de empuje mecanicas que actuan sobre el rotor y/o por fuerzas magneticas ejercidas sobre el rotor por el estator (16).
- 7. Accionador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor comprende un iman permanente.
- 8. Accionador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el estator (16) comprende al menos un devanado (18) y se puede magnetizar haciendo que una corriente fluya a traves del devanado, y por ello fuerza el rotor para que pase de una posicion de reposo a otra.
- 9. Motor de combustion interna que comprende un accionador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores dispuesto para accionar una valvula.
- 10. Metodo de funcionamiento de un accionador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende hacer oscilar el rotor de ida y vuelta entre la primera posicion de reposo y otra posicion de rotacion.
- 11. Metodo segun la reivindicacion 10, en el que la otra posicion de rotacion es otra posicion de reposo.
- 12. Metodo de funcionamiento de un accionador segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende hacer girar el rotor de la primera posicion de reposo de nuevo a la primera posicion de reposo mediante rotacion del rotor en una unica direccion.
- 13. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que la rotacion del rotor se detiene en al menos una posicion de reposo.
- 14. Metodo segun la reivindicacion 13 cuando depende de la reivindicacion 12, que comprende hacer girar el rotor de la primera posicion de reposo a otra posicion de reposo, detenerlo en dicha otra posicion de reposo y despues5 hacer que continue la rotacion del rotor en la misma direccion de nuevo a la primera posicion de reposo.
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