BANCO DE PRUEBAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ACTUADORES BASADOS EN MATERIALES FERROMAGNÉTICOS CON MEMORIA DE FORMA.

Banco de pruebas para la caracterización de activadores basados en materiales ferromagnéticos con memoria de forma.

Destaca fundamentalmente por presentar un diseño modular, formado por al menos tres módulos (10, 20, 30) dispuestos de forma alineada sobre una base inferior (40) mecanizada dotada de orificios y ranuras (41) para la fijación de dichos módulos (10, 20, 30) mediante unos medios de unión (42), y mediante los cuales es posible realizar una sencilla adición, sustitución y modificación de los mismos, comprendiendo: un primer módulo (10) que dispone de un circuito magnético (11) en el cual se dispone al menos una muestra de material MSM, estando dicho circuito magnético (11) formado por un núcleo ferromagnético (12) y unos bobinados (13); un segundo módulo (20) destinado a la sensorización y aplicación de cargas sobre el material MSM; y un tercer módulo (30) que comprende un sistema generador (35) de ondas mecánicas, y mediante el cual es posible evaluar el efecto de ayuda acústica sobre el material MSM.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031057.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GARCIA ARMADA,ELENA, BOMBIN MONSALVE,RAFAEL EUGENIO, PESTANA PUERTA,JESÚS.

Fecha de Publicación: 12 de Julio de 2012.

Clasificación Internacional de Patentes:

G01N27/72 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › investigando variables magnéticas.

Fragmento de la descripción:

BANCO DE PRUEBAS PARA LA CARACTERIZACiÓN DE ACTUADORES BASADOS EN MATERIALES FERROMAGNÉTICOS CON MEMORIA DE FORMA

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La presente invención pertenece al campo de la ingeniería de materiales y la mecánica, y más concretamente a ensayos y bancos de pruebas de actuadores basados en materiales con memoria de forma.

El objeto principal de la presente invención es un banco de pruebas modular especialmente adaptado para permitir la evaluación simultánea de los componentes que constituyen a un actuador mecánico basado en materiales ferromagnéticos con memoria de forma.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

En la actualidad son conocidos las aleaciones y materiales ferromagnéticos con memoria de forma, en adelante materiales MSM, los cuales se caracterizan por presentar grandes deformaciones bajo la aplicación de un campo magnético mediante el fenómeno de la transformación martensítica. Esta propiedad resulta de gran interés tecnológico pues la deformación del material permite ejercer fuerza o producir movimiento en determinadas aplicaciones, y por tanto, diseñar nuevos actuadores inteligentes, es decir, dispositivos que bajo la aplicación de campo magnético son capaces de producir una potencia mecánica 3 O (conversión de energía magnética en energía mecánica) .

Entre las aplicaciones de estos actuadores basados en materiales MSM, destaca su empleo en motores lineales y válvulas proporcionales. En el artículo de investigación: "Acoustíc Assisted Actuation of Ni-Mn5 Ga Ferromagnetic Shape Memor y Alloys': de C.P. Henr y , se desarrolló la influencia de ayuda acústica en el fenómeno de transformación martensítica (TM) en una aleación MSM. Para ello se utilizó un banco de pruebas fundamentado en el uso de dos brazos oscilantes para la generación, mediante un actuador piezoeléctrico, de vibraciones mecánicas sobre el 10 material MSM sometido al estudio. Este banco de pruebas tiene como principal objetivo la determinación de la variación de la deformación inducida sobre el material MSM para diferentes frecuencias de funcionamiento del actuador piezoeléctrico. Dicho banco de pruebas consiste en una plataforma que integra, en un solo banco experimental, los 15 sensores, actuadores y equipos necesarios para evaluar el desempeño de una aleación MSM sometida a fuerzas dinámicas utilizando el fenómeno de la ayuda acústica. Sin embargo no posibilita la determinación experimental de la influencia mutua de cada uno de los elementos que constituyen al sistema basado en aleaciones MSM. 20 En la patente estadounidense US7218067 (B2) , "Magnetic Actuator Driver for actuation and resetting of Magnetic Actuatíon Materia/s", se presenta un método para magnetizar una pieza de material ferromagnético sin utilizar un núcleo ferromagnético, pudiendo de esta forma activar y 25 revertir la TM sin necesidad de un estímulo mecánico. Posteriormente se desarrolló la patente estadounidense US7327637 (B2) "Acoustic Pulse Actuator" en la cual se presenta un modelo de actuador destinado a la generación del efecto de ayuda acústica en materiales 3 O activados con campos magnéticos, eléctricos y/o por efecto de variaciones de temperatura (aleaciones SMA) . El diseño propuesto en esta patente considera aspectos prácticos del sistema de actuación del dispositivo así como el empleo de amplificadores mecánicos, unión entre el dispositivo y el material sometido al estudio, así como el esquema de funcionamiento del dispositivo acoplado al material SMA sometido al estudio. 5 En la publicación de Yanic Ganar, Doron Shilo, Nadege Zarrouati y Richard D. James, titulada "Ferromagnetic shape memor y flapper" en la revista Sensors and Actuators (A 150, 2009, 277 -279) se presenta la respuesta de una muestra de MSM sometida a variaciones periódicas de la 10 dirección del campo magnético aplicado. Este cambio de dirección del campo pudo ser realizada debido al diseño del núcleo magnético rotatorio que dirige el flujo magnético en la muestra MSM. Una de las conclusiones más importantes de este trabajo es que la TM depende directamente tanto del módulo como de la dirección del campo aplicado. 15 En la investigación de H.E. Karaca, 1. Karaman, B. Basaran, D.C: Lagoudas, Y.1. Chumlyakov y H.J. Maier, titulada "On the stress-assisted magnetic-field-induced phase transformation in Ni2MnGa ferromagnetic shape memor y alloys" y publicada en la revista Acta Materialia, se 2 O determinaron las propiedades mecánicas de una muestra de Ni2MaGa sometida a esfuerzos de compresión. Además de presentar un modelo termodinámico y una guía de estudio y aplicación de los materiales MSM en problemas de la actualidad, esta investigación presenta un amplio estudio de la reacción del material MSM sometido al estudio ante variaciones del 25 flujo del campo magnético y de la temperatura durante el fenómeno de la TM. Tras un estudio detallado de las técnicas y métodos de evaluación de los materiales MSM presentados en los documentos arriba citados, se 3 O puede concluir que los principales parámetros que influyen en el funcionamiento de un actuador basado en materiales con memoria de

forma, pueden clasificarse según cuatro aspectos principales:

- La influencia de las propiedades del campo magnético que estimula la transformación martensítica, TM; 5 - La reacción del MSM ante diferentes estímulos y solicitaciones del sistema; - El efecto de la ayuda acústica en el fenómeno de la TM; y - El efecto de sistemas de control y controladores en el desempeño de un actuador MSM. 10 Sin embargo, las patentes y artículos de investigación mencionados se encuentran fundamentados en uno solo de estos aspectos, sin determinar la influencia directa entre ellos mismos. En la actualidad, los sistemas y bancos de pruebas desarrollados tienen el propósito de evaluar 15 las características del material MSM ante una determinada configuración, "invariante", de las condiciones de operación a las que estaría sometido un determinado sistema mecánico dotado de dichos actuadores basados en materiales MSM. Por lo general estos bancos de ensayo sólo toman en cuenta los parámetros de operación o las condiciones operacionales del 2 O sistema, sin tener en cuenta los componentes que lo conforman: núcleos ferromagnéticos, naturaleza de la carga aplicada, sistema generador de ayuda acústica, etc. Por tanto, el problema técnico aquí planteado es que los bancos de 25 pruebas existentes no permiten la variación de las condiciones de operación a las que estaría sometido un hipotético sistema mecánico objeto de simulación y estudio, imposibilitando la evaluación de distintos tipos de materiales MSM ante variaciones de núcleos magnéticos, dispositivos generadores de ayuda acústica y solicitaciones estáticas y dinámicas sobre 3 O dicho material MSM.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

Mediante la presente invención se resuelven los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un banco de pruebas para la 5 caracterización de actuadores basados en materiales ferromagnéticos con memoria de forma, mediante el cual es posible evaluar de forma simultánea los componentes que constituyen a dichos actuadores, pudiendo variar la configuración y situación de sus componentes, así como las condiciones de operación a los que estaría sometido un sistema mecánico que dispusiera de dichos actuadores, estando todo esto encaminado a conseguir un actuador lineal de alto rendimiento.

El banco de pruebas objeto de la presente invención destaca fundamentalmente por presentar un diseño modular, mediante el cual es posible realizar una sencilla adición, sustitución y modificación de los componentes que conforman un actuador mecánico MSM, permitiendo evaluar de forma precisa, y por separado, las características tanto del material MSM como de los componentes que forman dicho actuador, así como su interdependencia mutua.

Dicho banco de pruebas está comprendido por al menos tres módulos dispuestos de forma alineada, los cuales se describen a continuación:

un primer módulo, que comprende un circuito magnético en el cual se dispone al menos una muestra de material MSM. Dicho circuito magnético está formado por un núcleo ferromagnético y unos bobinados por los cuales circula corriente eléctrica, creando un campo magnético cuyas líneas de campo magnético atraviesan el material MSM,

un segundo módulo vinculado al primero, destinado a la sensorización y aplicación de cargas sobre el material MSM, comprendiendo una serie de sensores mediante los cuales se obtienen diferentes parámetros y características del material 5 MSM, y al menos una guía y un muelle para la aplicación y transmisión de cargas...

Reivindicaciones:

1. Banco de pruebas para la caracterización de actuadores basados en materiales ferromagnéticos con memoria de forma, caracterizado porque 5 comprende un diseño modular, formado por al menos:

un primer módulo (10) , que comprende un circuito magnético (11) en el cual se dispone al menos una muestra de material con memoria de forma, MSM, estando dicho circuito magnético (11) formado por un núcleo ferromagnético (12) y unos bobinados (13) por los cuales circula corriente eléctrica, creando un campo magnético cuyas líneas de campo magnético atraviesan el material MSM, un segundo módulo (20) vinculado al primer módulo (10) , destinado a la sensorización y aplicación de cargas sobre el material MSM, un tercer módulo (30) vinculado igualmente al primer módulo (10) , que comprende un sistema generador (35) de ondas mecánicas, y mediante el cual es posible evaluar el efecto de ayuda acústica sobre el material MSM, y una base inferior (40) mecanizada, dotada de orificios y ranuras (41) para la fijación de los módulos (10, 20, 30) mediante unos medios de unión (42) .

2. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el primer módulo (10) comprende adicionalmente: -una base fija (15) que actúa de soporte del circuito magnético (11) , Y que dispone de unos agujeros para su fijación a la base inferior (40) , y de un carril transversal (18) , -una base móvil (16) adaptada para ser desplazada a través del carril transversal (18) y poder admitir distintas configuraciones del circuito magnético (11) , Y -al menos un tornillo de ajuste (17) para la unión entre ambas bases (15, 16) .

3. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque tanto la base fija (15) como la base móvil (16) disponen adicionalmente de un saliente (19) adaptado para constituir un apoyo y recibir el circuito magnético (11) .

4. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el primer módulo (10) comprende adicionalmente un portamuestras (14) para la disposición sobre el mismo de al menos una muestra de 2 O material MSM.

5. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el segundo módulo (20) comprende: -un soporte fijo (21) que dispone inferiormente de ranuras y 25 agujeros para su fijación a la base inferior (40) , y

- un soporte móvil (22) dispuesto sobre el soporte fijo (21) , al cual se encuentra vinculado mediante dos brazos (28) verticales, estando dicho soporte móvil (22) adaptado para el desplazamiento vertical, permitiendo así regular su altura según la geometría,

3 O tamaño y tipo del circuito magnético (11) empleado en el primer módulo (10) .

6.Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 5 caracterizado porque el soporte móvil (22) comprende adicionalmente: - un par de guías tubulares (23) entre las cuales está destinado a situarse un muelle para la aplicación de cargas sobre el material 5 MSM, - una pieza móvil (24) adaptada para desplazarse a través de dichas guías tubulares (23) , y encargada de transmitir la fuerza generada por el material MSM debida a su deformación, y al menos, 10 - un sensor de fuerza principal (25) , unos sensores de fuerza secundarios (26) y un sensor de desplazamiento (27) , mediante los cuales es posible obtener diferentes parámetros y características del material MSM. 15 7.Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el tercer módulo (30) comprende adicionalmente: - un elemento fijo (31) que dispone inferiormente de unos agujeros para su fijación a la base inferior (40) , y que presenta en su superficie un carril longitudinal (33) , y 2 O - un elemento móvil (32) dimensional mente adaptado para encajar y desplazarse a través del carril longitudinal (33) , y que dispone superiormente de una ranura vertical (34) . 8.Banco de pruebas, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 7, 25 caracterizado porque el sistema generador (35) de ondas mecánicas, se encuentra vinculado al elemento móvil (32) a través de un cuerpo de configuración en "U" (36) con sus ramas orientadas horizontalmente. 9Banco de pruebas, de acuerdo con las reivindicaciones 7 y 8, 3 O caracterizado porque el cuerpo en "U" (36) presenta en cada una de sus ramas laterales un par de ranuras horizontales para la fijación de una

arandela (37) cuadrangular en la cual se introduce un tornillo de unión (38) , y disponiendo en su alma, dicho cuerpo en "U" (36) , una segunda ranura vertical (39) en correspondencia con la ranura vertical (34) del elemento móvil (32) , para la unión entre ambos.

10. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado porque el tercer módulo (30) dispone adicionalmente de dos piezas de soporte inferiores, dispuestas a cada uno de los lados del elemento móvil (32) , y adaptados para encajar en el carril longitudinal (33) limitando y fijando la posición de dicho elemento móvil (32) .

11. Banco de pruebas, de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque los módulos (10, 20, 30) se encuentran dispuestos de forma alineada sobre la base inferior (40) , estando el primer módulo (10) situado entre el segundo módulo (20) y tercer módulo (30) .

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