ES2865439T3 - Sensor de posición - Google Patents

Abstract

Sensor de posición que comprende dos elementos (12, 50) destinados a moverse uno con respecto al otro, comprendiendo un primero de los dos elementos un componente (12) sensible a un campo magnético, caracterizado porque un segundo de los dos elementos (50) comprende dos pares de imanes (51, 52), porque en cada uno de los pares la orientación de cada uno de los imanes (55, 56, 57, 58) es alterna y los ejes polares que pasan por sus respectivos polos son paralelos, porque se forma un entrehierro (60) de anchura (l) entre los dos pares de imanes (51, 52), definiendo la anchura (l) una distancia que separa los dos pares de imanes (51, 52) y está configurada para permitir el paso del componente (12) a través de ella a lo largo de un eje (x) perpendicular a los ejes de los polos de los imanes, y porque cada imán de un par se enfrenta a un imán del otro par y los imanes enfrentados tienen la misma orientación.

Description

DESCRIPCIÓN

Sensor de posición

La invención se refiere a un sensor de posición que permite dar una posición absoluta de una parte móvil en relación con una parte fija de un mecanismo.

La invención encuentra una utilidad particular en los mecanismos que se despliegan para determinar la posición de la parte móvil en relación con la parte fija. Este tipo de sensor puede implementarse, en particular, en un satélite en el que se despliegan en el espacio determinados apéndices, como paneles solares o elementos de antena. La invención puede encontrar otro uso en máquinas eléctricas, motor o generador, en las que es útil conocer la posición del rotor en relación con el estator, por ejemplo para encontrar una posición de referencia absoluta en cada revolución. De forma más general, la invención puede aplicarse en cualquier mecanismo que tenga una parte móvil cuya posición absoluta en un punto de su recorrido deba conocerse.

Para realizar una medición de posición sin contacto entre las dos partes del mecanismo, se puede utilizar un sensor de efecto Hall dispuesto en una de las partes. El sensor detecta el paso de un componente magnético dispuesto en la otra parte del mecanismo. En un motor eléctrico, por ejemplo, es posible determinar la posición de un polo del rotor mediante un sensor de efecto Hall situado en el estator.

Existen otros sensores magnéticos realizados en forma de interruptor sensible al campo magnético. Estos interruptores se conocen en la literatura anglosajona con el nombre de interruptor "Reed ". Consisten en láminas metálicas magnetizadas que entran en contacto entre sí cuando un campo magnético suficiente las atraviesa. Estos sensores permiten detectar un imán permanente cuando se acerca al sensor.

En general, los sensores magnéticos “Reed” no son muy precisos. En efecto, muchos parámetros, como la temperatura, pueden hacer variar la intensidad del campo magnético en las proximidades del sensor. La detección está entonces sujeta a los peligros del entorno. En un imán permanente, la variación de la temperatura influye directamente en la intensidad del campo magnético generado por el imán. Además, en un mecanismo complejo, una variación de la temperatura suele provocar variaciones dimensionales en las piezas mecánicas del mecanismo que probablemente modificarán la distancia que separa el sensor del imán y, por tanto, la intensidad del campo magnético detectado por el sensor.

Los documentos EP 0558364 A1 y US 2010/308805 A1 describen sensores magnéticos que se mueven en campos magnéticos utilizando una combinación de imanes permanentes.

También pueden utilizarse otros tipos de sensores para determinar, sin contacto, la posición de una parte móvil en relación con una parte fija, por ejemplo, un sensor óptico. Un emisor de luz está dispuesto en una de las partes y un reflector en la otra parte. Un sensor óptico está dispuesto cerca del emisor. El sensor puede entonces detectar la radiación procedente del emisor y reflejada por el reflector. Los sensores ópticos suelen ser más precisos que los magnéticos. Sin embargo, su coste suele ser mucho mayor.

La invención tiene como objetivo aliviar algunos o todos los problemas mencionados anteriormente proporcionando un nuevo sensor de posición preciso y de bajo coste basado en la detección magnética.

Para ello, la invención se refiere a un sensor de posición como se define en la reivindicación 1.

El sensor según la invención es capaz de dar una posición de referencia absoluta. Es barato, preciso, insensible a la temperatura e insensible a las dilataciones termoelásticas del mecanismo en el que está montado.

Según la invención, los polos de cada uno de los imanes están dispuestos en ejes paralelos entre sí, los dos elementos están destinados a moverse uno respecto del otro a lo largo de un eje perpendicular a los ejes de los polos de los imanes. Según esta dirección de movimiento conocida como dirección preferente, el campo magnético evoluciona de forma lineal, en particular cuando el elemento sensible pasa por delante de una unión entre los imanes de cada par. Perpendicular a esta dirección de movimiento, el campo magnético cambia poco. En consecuencia, el sensor es muy tolerante a los desplazamientos perpendiculares a la dirección preferente. Durante estos desplazamientos perpendiculares, el elemento sensible no hará casi ninguna variación en la detección.

El componente puede tener un eje sensible al campo magnético y el sensor está configurado para que el eje sensible del componente sea perpendicular al eje de movimiento de los dos elementos.

Para ambos pares de imanes, los imanes del mismo par pueden estar en contacto entre sí o a una distancia entre ellos.

Para concentrar el flujo magnético dentro del entrehierro, el sensor puede comprender imanes complementarios dispuestos en el extremo del polo de cada uno de los imanes de los dos pares en una configuración Halbach.

El componente puede ser un interruptor sensible al campo magnético o puede implementar el efecto Hall para detectar una variación en el campo magnético.

La invención se comprenderá mejor y aparecerán otras ventajas al leer la descripción detallada de un determinado modo de realización dado a modo de ejemplo, descripción ilustrada por los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1a representa esquemáticamente el principio de medición de un componente sensible al campo magnético en relación con un único imán permanente;

La figura 1b representa la información del componente en función del movimiento del imán para una medición realizada en el contexto de la figura 1a;

La figura 2a representa una representación esquemática de otra configuración con varios imanes unidos entre sí;

La figura 2b representa, para una medición realizada en el contexto de la figura 2a, la información del componente en función del desplazamiento de los imanes;

La figura 3 representa esquemáticamente una configuración preferente de un sensor según la invención; La figura 4 representa una variante de la configuración de la figura 3.

En aras de la claridad, los mismos elementos tendrán las mismas referencias en las diferentes figuras.

La invención se refiere a un sensor para determinar la posición relativa de dos objetos físicos de un sistema, los dos objetos que se mueven uno respecto al otro a lo largo de una trayectoria predefinida que puede variar dentro de un rango de tolerancia. La variación de la trayectoria puede deberse a diversas causas, como las tolerancias de fabricación de las diferentes piezas mecánicas que forman los dos objetos físicos y de la conexión entre los dos objetos físicos. Además, durante el funcionamiento del sistema, la trayectoria puede cambiar en función de las condiciones ambientales, en particular la temperatura a la que está sometida cada pieza mecánica del sistema. En particular, la distancia puede variar según la temperatura ambiente y también en función del calentamiento debido al funcionamiento del sistema. En un sistema eléctrico, puede tratarse, por ejemplo, de pérdidas debidas al efecto Joule de un motor cercano que puede calentar ciertas piezas mecánicas.

El sensor según la invención consta de dos elementos, cada uno de los cuales está destinado a ser fijado a uno de los dos objetos físicos cuya posición relativa debe determinarse. Posteriormente, se puede definir un objeto fijo y otro móvil o un elemento fijo y otro móvil del sensor. La noción de fijo y móvil debe entenderse simplemente de forma relativa en función de una marca de referencia fijada a uno de los dos objetos.

La figura 1a representa esquemáticamente un imán permanente 11 que se mueve en relación con un componente 12 que es sensible a un campo magnético. El imán permanente 11 sigue una trayectoria entre dos posiciones extremas 11a y 11b. Se muestra una flecha en el imán permanente 11. Esta flecha representa la orientación de los polos del imán 11. Convencionalmente, el origen de la flecha representa el Polo Sur y el extremo de la flecha representa el Polo Norte. El componente 12 es, por ejemplo, un interruptor sensible al campo magnético conocido en la literatura anglosajona con el nombre de relé Reed. En concreto, el interruptor del relé está abierto si el campo magnético es nulo. Por encima de un umbral de campo magnético, el interruptor se cierra. Por supuesto, es posible elegir un componente con funcionamiento inverso: interruptor cerrado cuando el componente 12 está sometido a un campo magnético nulo y abierto si supera el umbral. Este tipo de componente tiene la ventaja de un bajo coste de retorno. Por supuesto, es posible implementar otros tipos de componentes sensibles a un campo magnético, como un sensor de efecto Hall, por ejemplo.

La figura 1b representa tres curvas que son funciones de la trayectoria del imán 11, trayectoria representada en el eje de abscisas. Una primera curva 15 representa la intensidad del campo magnético recibido por el componente 12 a lo largo de la trayectoria del imán 11. En las posiciones 11a y 11b del imán, el campo magnético recibido por el componente 12 es sustancialmente nulo. La curva 15 tiene sustancialmente la forma de una curva de campana, cuyo máximo se obtiene cuando el imán 11 está lo más cerca posible del componente 12. La curva 15 es simétrica respecto a un eje vertical 16 que pasa por el máximo de la curva 15.

El componente 12, en forma de interruptor, puede entregar una señal binaria representativa de su estado abierto o cerrado. Dos curvas 21 y 22 representan el estado del componente 12 en forma binaria. Un nivel alto de la señal representa convencionalmente un estado cerrado y un nivel bajo de la señal representa un estado abierto. Por ejemplo, el componente 12 se cierra cuando se somete a un campo magnético con una intensidad superior a un umbral. También es posible implementar un componente 12 con funcionamiento inverso, es decir, un componente que consiste en un interruptor que se abre cuando se somete a un campo magnético con una intensidad superior a un umbral.

La curva 21 representa el estado binario del componente 12 cuando el imán 11 se mueve de la posición 11a a la posición 11b y la curva 22 representa el estado binario del componente 12 cuando el imán 11 se mueve de la posición 11b a la posición 11a. Se ha observado que para este tipo de componente 12, el umbral de apertura y el umbral de cierre no son estrictamente idénticos, de ahí el desplazamiento, observado 23, de las dos curvas que no se superponen perfectamente, de ahí la dificultad de determinar una posición de referencia precisa del componente 12 en relación con el imán 11. A este desfase se añaden las posibles fluctuaciones de la curva 15 debidas, en particular, a las variaciones de temperatura del sistema, que pueden modificar la relación entre un cambio de estado del componente 12 y la posición del imán 11 en relación con el componente 12.

La figura 2a representa otra configuración en la que un conjunto 30 de cuatro imanes 31, 32, 33 y 34, que son integrales entre sí, se mueven en relación con el componente 12. Los ejes que pasan por los polos de los cuatro imanes son todos paralelos. En un plano perpendicular a los ejes que pasan por los polos, se puede trazar una sistema de coordenadas ortogonal O,x,y. Los cuatro imanes 31, 32, 33 y 34 están situados en un lado del plano y están alineados con el plano del sistema de coordenadas. El componente 12 se mueve cerca del conjunto 30 en el otro lado del plano, siguiendo una trayectoria a lo largo de uno de los ejes de la referencia, el eje O,x en el ejemplo mostrado. Clásicamente, se definen cuatro cuadrantes I, II, III y IV en el sistema de coordenadas O,x,y disponiéndolos trigonométricamente alrededor del origen O del sistema de coordenadas. Los cuatro imanes 31, 32, 33 y 34 están dispuestos cada uno en un cuadrante del sistema de coordenadas. En dos cuadrantes consecutivos, los polos de los imanes se alternan. Más concretamente en el cuadrante I, el imán 31 tiene su polo sur en el plano del sistema de coordenadas, en el cuadrante II, el imán 32 tiene su polo norte en el plano, en el cuadrante III, el imán 33 tiene su polo sur en el plano y en el cuadrante IV, el imán 34 tiene su polo norte en el plano.

La figura 2b representa, para la configuración de la figura 2a y de forma similar a la figura 1b, tres curvas que son funciones de la trayectoria del conjunto 30, estando la trayectoria representada en la abscisa. Una primera curva 35 representa la intensidad del campo magnético recibido por el componente 12 a lo largo de la trayectoria del conjunto 30. Cuando el componente 12 está por encima de los cuadrantes II y III, la intensidad del campo magnético recibido por el componente 12 es positiva, y cuando el componente 12 está por encima de los cuadrantes I y IV, la intensidad del campo magnético recibido por el componente 12 es negativa. La curva 35 es simétrica con respecto al punto O donde el componente 12 pasa de los cuadrantes II y III a los cuadrantes I y IV. La atención se centra en la porción de la curva 35 situada cerca del centro de simetría O, porción que está rodeada por una línea de puntos 37 en la figura 2b. En esta porción, la curva 35 forma sustancialmente una línea recta cuya pendiente es función de la geometría de los imanes 31 a 34 y de sus propiedades magnéticas. Para comprender mejor la interacción entre el conjunto de imanes 30 y el componente 12, se ha reducido la pendiente de la curva 35 en las proximidades del punto O.

Como antes, los umbrales de apertura y cierre del componente 12 no son idénticos en ambas direcciones de movimiento del componente 12 con respecto al conjunto 30 a lo largo del eje O,x. Dos curvas 41 y 42 representan en forma binaria el estado del componente 12 en función de la dirección del movimiento del componente 12 a lo largo del eje O,x. La curva 41 representa el estado del componente 12 cuando se mueve en la dirección x positiva y la curva 42 cuando se mueve en la dirección opuesta. Fuera de la porción rodeada por la línea de puntos 37, hay un desplazamiento 43 similar al desplazamiento 23 descrito anteriormente. Dentro de la porción rodeada por la línea punteada 37 hay un desplazamiento 44 más pequeño que el desplazamiento 43, lo que permite ubicar el componente 12 con mayor precisión con respecto al conjunto 30 que en la configuración descrita mediante las figuras 1a y 1b.

Las curvas 35, 41 y 42 representan la intensidad del campo magnético recibido por el componente 12 y su estado binario para una temperatura dada de los imanes 31 a 34 y para una trayectoria del componente 12 precisamente a lo largo del eje O,x. En la práctica, sin embargo, la temperatura de los imanes 31 a 34 y los cambios en la trayectoria tienen una influencia significativa en la forma de la curva 35 y, en particular, en la pendiente de esta curva en la porción rodeada por la línea de puntos 37. Un cambio en la pendiente conduce a un cambio en el desplazamiento 44 y, por lo tanto, a un cambio en la precisión de la medición de la posición del sensor. Las pruebas internas han demostrado que si la trayectoria del componente 12 alcanza la mitad de la anchura de uno de los imanes 31 a 34, el sensor queda inoperativo.

La figura 3 representa esquemáticamente el sensor según la invención. El sensor comprende el componente 12 sensible a una variación del campo magnético y un conjunto 50 que comprende dos pares de imanes 51 y 52 inmóviles entre sí. El componente 12 puede moverse en relación con el conjunto 50. El componente 12 y el conjunto 50 forman un sensor para determinar la posición relativa de dos objetos físicos entre sí. El componente está fijado a uno de los objetos y el conjunto 50 está fijado al otro. El componente 12 proporciona información sobre su posición respecto al conjunto 50.

El par 51 está formado por dos imanes 55 y 56 cuyos ejes polares que pasan por sus respectivos polos son paralelos. Del mismo modo, el par 52 comprende dos imanes 57 y 58 cuyos ejes que pasan por sus respectivos polos son paralelos. En cada uno de los pares 51 y 52 se alterna la orientación de cada uno de los imanes. Para cada imán, el eje que pasa por los polos está representado por una flecha vertical orientada convencionalmente desde el polo sur al polo norte del imán. Para el imán 55, el polo norte se muestra hacia abajo y para el imán 56, el polo norte se muestra hacia arriba. Por supuesto, es posible invertir la orientación de ambos imanes 55 y 56. Lo mismo ocurre con el par 52, en el que también se alterna la orientación de los dos imanes.

Además, se forma un entrehierro 60 entre los pares 51 y 52. El entrehierro 60 está configurado para permitir que el componente 12 pase a través de él. La anchura l del entrehierro se define como la distancia entre los dos pares y la altura h del entrehierro se define paralela a los ejes de los imanes. La trayectoria del componente 12 a través del entrehierro 60 es perpendicular a la altura y anchura del entrehierro 60. La anchura l y la altura h están configuradas para permitir el paso del componente con una tolerancia suficiente para aceptar cualquier tolerancia mecánica y la dilatación térmica del sistema en el que se encuentra el sensor.

A cada lado del entrehierro, cada imán de un par se enfrenta a un imán del otro par y los imanes enfrentados tienen la misma orientación. En el ejemplo mostrado, los imanes 55 y 57 tienen la misma orientación, es decir, su polo sur en la parte superior, y los imanes 56 y 58 tienen la misma orientación, es decir, su polo norte en la parte superior. Con esta disposición, la intensidad del campo magnético en el entrehierro es constante en toda la anchura l del entrehierro 60 y en una gran parte de su altura h. Como resultado, el sensor permite desviaciones de posicionamiento del componente 12 en función de la altura y la anchura del entrehierro sin modificar la intensidad magnética recibida por el componente 12.

La intensidad del campo magnético en el entrehierro 60 es principalmente una función del ancho del entrehierro y de las características magnéticas de los imanes. Cuanto mayor sea el entrehierro, menor será la intensidad de campo. Por lo tanto, es ventajoso reducir al máximo la anchura del entrehierro 60. Además, los relés “Reed” son sensibles al campo magnético a lo largo de un único eje marcado como 70 en la figura 3. Para garantizar un funcionamiento óptimo, el sensor está configurado de manera que el eje 70 del componente 12 sea paralelo a los ejes que pasan por los polos de los distintos imanes. También es posible implementar un componente 12 con varios ejes sensibles. Al menos uno de sus ejes sensibles es paralelo a los ejes que pasan por los polos de los diferentes imanes, a menudo denominados ejes de magnetización.

En la figura 3, los imanes 55 y 56 del par 51 están en contacto entre sí y los imanes 57 y 58 del par 52 también están en contacto entre sí. Esto permite una rápida inversión del campo magnético en el entrehierro 60 en la unión de los dos imanes del mismo par. Alternativamente, los dos imanes del mismo par pueden separarse. Esta separación permite controlar la variación del campo magnético a lo largo del eje x.

La figura 4 representa una variante de la configuración de la figura 3 en la que se añaden imanes complementarios a los extremos de los polos de los imanes del conjunto 50. Para un imán dado, es posible montarlo en una estructura Halbach que tiene la ventaja de concentrar el flujo magnético a lo largo de una de las caras del imán. Aplicado a la invención, la orientación de los imanes complementarios se elige para concentrar el flujo en el entrehierro 60. Esta configuración tiende a concentrar el flujo magnético en el entrehierro 60.

Para un imán determinado, los dos imanes complementarios están marcados con la referencia del imán principal seguida de la letra a y b. Por ejemplo, para el imán 55, un imán complementario 55a está dispuesto en su cara del polo sur. El eje de los polos del imán complementario 55a está orientado a lo largo de la anchura del entrehierro 60 con su polo Sur bordeando el entrehierro 60. El imán complementario 55b está dispuesto en la cara del polo norte del imán 55. El eje de los polos del imán complementario 55b también está orientado a lo largo de la anchura del entrehierro 60 pero con su polo Norte bordeando el entrehierro 60. La orientación de los imanes complementarios de los imanes principales 56, 57 y 58 se muestra en la Fig. 4 y se deriva por permutación para obtener para cada uno una estructura Halbach que concentra el flujo magnético en el entrehierro 60.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Sensor de posición que comprende dos elementos (12, 50) destinados a moverse uno con respecto al otro, comprendiendo un primero de los dos elementos un componente (12) sensible a un campo magnético, caracterizado porque un segundo de los dos elementos (50) comprende dos pares de imanes (51, 52), porque en cada uno de los pares la orientación de cada uno de los imanes (55, 56, 57, 58) es alterna y los ejes polares que pasan por sus respectivos polos son paralelos, porque se forma un entrehierro (60) de anchura (l) entre los dos pares de imanes (51, 52), definiendo la anchura (l) una distancia que separa los dos pares de imanes (51, 52) y está configurada para permitir el paso del componente (12) a través de ella a lo largo de un eje (x) perpendicular a los ejes de los polos de los imanes, y porque cada imán de un par se enfrenta a un imán del otro par y los imanes enfrentados tienen la misma orientación.

2. Sensor de posición según la reivindicación 1, caracterizado porque el componente (12) tiene un eje (70) sensible al campo magnético y porque el sensor está configurado de manera que el eje sensible (70) del componente (12) es perpendicular al eje (x) de movimiento de los dos elementos (12, 50).

3. Sensor de posición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para ambos pares de imanes (51, 52), los imanes (55, 56; 57, 58) de un mismo par están en contacto entre sí.

4. Sensor de posición según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque para ambos pares de imanes (51, 52), los imanes (55, 56; 57, 58) de un mismo par están distantes entre sí.

5. Sensor de posición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende imanes complementarios (55a, 55, 56a, 56b, 57a, 57b, 58a, 58b) dispuestos en el extremo polar de cada uno de los imanes (55, 56; 57, 58) de los dos pares (51, 52) en una configuración Halbach para concentrar el flujo magnético dentro del entrehierro (60).

6. Sensor de posición según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el componente (12) es un interruptor sensible al campo magnético.

7. Sensor de posición según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el componente (12) implementa el efecto Hall para detectar una variación en el campo magnético.