TRANSDUCTOR DE PAR SIN ARO IMANTADO CIRCULARMENTE Y PROCEDIMIENTO PARA MEDIR EL PAR USANDO EL MISMO.

Árbol (12) para un motor o para una caja de engranajes, teniendo el árbol (12):

- capacidad rotativa y un eje que se extiende axialmente, formando parte dicho árbol (12) del motor o de la caja de engranajes y comprendiendo una primera zona (8) con actividad magnetoelástica para proporcionar una señal de salida que indica un par aplicado en dicho árbol (12), estando dicha zona activa (8) polarizada magnéticamente en una sola dirección circunferencial y poseyendo una anisotropía magnética suficiente para devolver la imantación a dicha zona activa (8), después de la aplicación del par en dicho árbol (12), en dicha única dirección circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero, con lo cual dicha zona (8) produce un campo magnético que varía con dicho par, estando asociado dicho árbol con: - un sensor de campo magnético (6) montado cerca de dicha zona activa (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 dicho árbol (12) formado por un material policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de imantaciones 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 activa (8) no magnetice las zonas sustancialmente pasivas de dicho árbol próximas a dicha zona activa (8) para dar lugar a campos magnéticos parasitarios en los que la intensidad va a ser suficientemente grande como para disminuir o destruir la utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro visto por dicho sensor (6)

Referencias de solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional U.S. 60/064.831, presentada el 21 de octubre de 1997.

Campo y antecedentes de la invención

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 axialmente 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 las dos bandas a fin de igualar fuerzas imantantes axiales. Es más normal que la imantación y la detección se realicen proporcionando un par de bobinas de imantación 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 las 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 imantaciones 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 imantación se reorienta y se hace más helicoidal a medida que aumenta el esfuerzo torsional. La imantación 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.

Breve descripción de la invención

Un propósito 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 de tales zonas, para dotar cada una de tales zonas de propiedades magnéticas adecuadas para su función correspondiente.

Este y otros propósitos se consiguen proporcionando un árbol para un motor o para una caja de engranajes como se describe en la reivindicación 1, un procedimiento para detectar un par como el que se describe en la reivindicación 5 y un procedimiento para producir un transductor de par magnetoelástico como el que se describe en la reivindicación 7. El árbol 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 imantación 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 imantaciones 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.

Breve descripción de los dibujos

- 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, adyacentes 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 en 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, adyacentes 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 relativa de campo radial magnético 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...

1. Árbol (12) para un motor o para una caja de engranajes, teniendo el árbol (12):

- capacidad rotativa y un eje que se extiende axialmente, formando parte dicho árbol (12) del motor o de la caja de engranajes y comprendiendo una primera zona (8) con actividad magnetoelástica para proporcionar una señal de salida que indica un par aplicado en dicho árbol (12), estando dicha zona activa (8) polarizada magnéticamente en una sola dirección circunferencial y poseyendo una anisotropía magnética suficiente para devolver la imantación a dicha zona activa (8), después de la aplicación del par en dicho árbol (12), en dicha única dirección circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero, con lo cual dicha zona (8) produce un campo magnético que varía con dicho par, estando asociado dicho árbol con:

- un sensor de campo magnético (6) montado cerca de dicha zona activa

(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 dicho árbol (12) formado por un material policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de imantaciones 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 activa (8) no magnetice las zonas sustancialmente pasivas de dicho árbol próximas a dicha zona activa (8) para dar lugar a campos magnéticos parasitarios en los que la intensidad va a ser suficientemente grande como para disminuir o destruir la utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro visto por dicho sensor (6).

2. Árbol según la reivindicación 1, en donde el par aplicado en dicho árbol

(12) es proporcional a un par aplicado en una parte del motor o de la caja de engranajes.

3. Motor o caja de engranajes que comprende el árbol según la reivindicación 1 o 2.

4. Motor o caja de engranajes según la reivindicación 3, en donde el árbol

(12) comprende además varias zonas magnetoelásticas y varios sensores de campo magnético, que funcionan para medir el par que se transmite por varias partes del árbol del motor o de la caja de engranajes.

5. Método para detectar un par aplicado en un árbol (12) sometido al par de un motor o de una caja de engranajes y que se extiende en una dirección axial, método que comprende las etapas de:

(a) proporcionar una primera zona con actividad magnetoelástica (8) en dicho árbol (12), estando dicha zona (8) polarizada magnéticamente en una única dirección circunferencial y teniendo anisotropia magnética suficiente para devolver la magnetización en dicha zona, después de la aplicación del par en dicho árbol (12), a dicha única dirección circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero, estando formado dicho árbol de un material policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de imantaciones locales están situadas dentro de un cuadrante de 90º dispuesto simétricamente alrededor de dicha dirección circunferencial 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 sustancialmente pasivas de dicho árbol 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 disminuir o destruir la utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro visto por un sensor (6) de campo magnético;

(b) producir un campo magnético como consecuencia de la aplicación del par a dicho árbol (12); y

(c) detectar la intensidad del campo magnético en una posición próxima a dicha zona con actividad magnetoelástica (8) como una indicación de la intensidad del par aplicado en dicho árbol (12).

6. Método según la reivindicación 5, en el que dicho par aplicado en dicho árbol (12) es proporcional a un par aplicado en una parte del motor o de la caja de engranajes.

7. Método para producir un transductor de par magnetoelástico desde un árbol (12) de un motor o una caja de engranajes al que se aplica un par axial para producir un campo magnético que varía con dicho par, siendo detectada la intensidad de dicho campo magnético por sensores de campo magnético para proporcionar una señal de salida que indica el par aplicado, el cual comprende las etapas de:

(a) proporcionar un árbol (12) ferromagnético y magnetoestrictivo que tiene una primera zona con actividad magnetoelástica (8) en dicho árbol (12);

(b) polarizar una extensión axial limitada de dicha zona (8) en un campo magnétizante en una sola dirección circunferencial, poseyendo dicha zona (8) una anisotropía magnética suficiente para devolver la imantación en dicha zona (8), después de la aplicación del par a dicho árbol (12), a dicha única dirección circunferencial cuando el par aplicado se reduce a cero;

(c) estando dicho árbol formado por material policristalino en donde al menos un 50% de la distribución de imantaciones 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 imante zonas sustancialmente pasivas de dicho árbol 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 disminuir o destruir la utilidad, con fines de detección del par, del campo magnético puro visto por dicho sensor de campo magnético (6); e

(d) integrar dicho árbol (12) en el motor o en la caja de engranajes.

8. Método según la reivindicación 7, en donde dicho par aplicado en dicho árbol (12) es proporcional a un par aplicado en una parte del motor o de la caja de engranajes.