ES2304048T3 - Actuador lineal seguro. - Google Patents
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Abstract
Actuador lineal seguro que comprende: -una varilla de mando móvil (1) que tiene un primer extremo previsto para ir conectado a un disco (2) de una válvula, y un segundo extremo conectado a un núcleo móvil (3) por un conjunto de tornillo y tuerca (15), quedando la varilla de mando (1), bloqueada para el movimiento giratorio, libre para desplazarse a lo largo de un eje longitudinal de referencia (100), -un motor (10) que tiene un rotor (5) fijo en traslación a lo largo del eje longitudinal de referencia (100) y que está destinado a accionar el desplazamiento de la varilla de mando (1) a través del núcleo móvil (3), girando el núcleo móvil (3) accionado por el rotor (5) y pudiendo desplazarse siguiendo el eje longitudinal de referencia (100), teniendo el rotor (5) una parte anterior del lado del disco (2) y una parte posterior del lado del núcleo móvil (3), -medios de guía (7) de rotación de la parte anterior del rotor (5), -un muelle de cierre (12) que tiende a alejar el núcleo móvil (3) del rotor (5) siguiendo el eje longitudinal de referencia (100), -un electroimán (13) destinado a mantener el núcleo móvil (3) aplicado a la parte posterior del rotor (5) y -una campana de contención (8) que envuelve al rotor (5), al muelle de cierre (12), al núcleo móvil (3) y al conjunto de tornillo y tuerca (15), caracterizado porque la parte posterior del rotor (5) es guiada en movimiento giratorio en la campana de contención (8) por medio de un segmento de guía (19) abierto, de forma anular sin llegar a cerrarse, que comprende una ranura (33), posicionado sobre dicha parte posterior, siendo el diámetro exterior de dicho segmento sensiblemente igual al diámetro interior de la campana (8) y siendo el diámetro interior del segmento de guía (19) sensiblemente superior al diámetro exterior de la parte posterior del rotor (5) sobre la que va posicionado, a fin de dejar un juego residual entre el rotor (5) y la campana de contención (8).
Description
Actuador lineal seguro.
La invención concierne a un actuador lineal
seguro que comprende una varilla de mando móvil que tiene un primer
extremo, previsto para ir conectado a un disco de una válvula, y un
segundo extremo conectado a un núcleo móvil por un conjunto de
tornillo y tuerca, quedando la varilla de mando, bloqueada para el
movimiento giratorio, libre para desplazarse a lo largo de un eje
longitudinal de referencia. El actuador lineal comprende un motor
que tiene un rotor fijo en traslación a lo largo del eje
longitudinal de referencia y que está destinado a accionar el
desplazamiento de la varilla de mando a través del núcleo móvil. El
núcleo móvil gira accionado por el rotor y puede desplazarse
siguiendo el eje longitudinal de referencia, teniendo el rotor una
parte anterior del lado del disco y una parte posterior del lado
del núcleo móvil. El actuador lineal comprende medios de guía de
rotación de la parte anterior del rotor, un muelle de cierre que
tiende a alejar el núcleo móvil del rotor a lo largo del eje
longitudinal de referencia, un electroimán destinado a mantener el
núcleo móvil aplicado a la parte posterior del rotor, y una campana
de contención que envuelve al rotor, al muelle de cierre, al núcleo
móvil y al conjunto de tornillo y tuerca.
Numerosas patentes, WO 2004/099669, EP0623989,
EP0512139, WO02070936, describen actuadores lineales para los que
una falla de alimentación eléctrica acarrea un retorno automático
del eje de mando a una posición estable de reposo. Este producto se
denomina generalmente "actuador lineal seguro".
Este tipo de actuador se destina especialmente
para una válvula de gas de calderas en la que el actuador lineal,
provisto de un disco, asegura la regulación del flujo de gas. Una
falla de alimentación eléctrica acarrea el cierre automático del
disco y el corte del gas. El uso de este producto se puede extender
a todas las aplicaciones que necesiten un retorno automático a una
posición inicial.
Los actuadores lineales tradicionales consisten
en un conjunto de rotor que tiene una parte anterior guiada por un
rodamiento de bolas en un cárter. Este rodamiento de bolas asegura
el posicionamiento y el guiamiento de rotación del rotor durante su
funcionamiento. Este conjunto de rotor va montado en una envoltura
embutida de acero inoxidable denominada "campana de
contención", que permite conseguir la estanqueidad de la válvula
con respecto al exterior. Para evitar las oscilaciones del rotor
durante el funcionamiento, generalmente este último también va
guiado por detrás en un alojamiento cilíndrico creado en la campana.
El alojamiento cilíndrico y el rodamiento asumen pues la función de
cojinete necesaria para una correcta rotación del rotor alrededor de
su eje de revolución.
En los actuadores lineales seguros, resulta
difícil en ocasiones realizar en la campana de contención un
alojamiento cilíndrico para la guía posterior del rotor. En efecto,
debido a la presencia de elementos móviles usados para la retirada
automática del eje de mando, en la campana de contención ya no
pueden aprovecharse los volúmenes para posicionar el alojamiento
cilíndrico.
Si bies es cierto que se puede contemplar el uso
de una única guía del rotor mediante un rodamiento de bolas, ello
es poco satisfactorio desde un punto de vista mecánico. En efecto,
siempre queda cierto grado de libertad en el rodamiento, lo que
permite que el rotor oscile respecto a su eje de revolución. Los
rozamientos derivados de las oscilaciones excesivas reducen las
prestaciones del sistema y son causantes de un nivel sonoro
inaceptable para determinadas aplicaciones.
Por otro lado, la temperatura interior del
producto en funcionamiento varía desde -15ºC a +120ºC. Estas
fuertes variaciones de temperatura pueden acarrear la deformación
mecánica de ciertos componentes y provocar así el bloqueo del rotor
del actuador lineal.
La invención pretende por tanto solventar los
inconvenientes del estado de la técnica, a fin de proponer un
actuador lineal seguro que integra una guía de rotación
satisfactoria y de realización simple.
La parte posterior del rotor del actuador lineal
seguro según la invención es guiada en movimiento giratorio en la
campana de contención por medio de un segmento de guía abierto, de
forma anular sin llegar a cerrarse, que comprende una ranura,
posicionado sobre dicha parte posterior. El diámetro exterior de
dicho segmento es sensiblemente igual al diámetro interior de la
campana y el diámetro interior del segmento de guía es sensiblemente
superior al diámetro exterior de la parte posterior del rotor sobre
la que va posicionado, a fin de dejar un juego residual entre el
rotor y la campana de contención.
Preferentemente, el diámetro exterior del
segmento de guía en estado libre es superior al diámetro interior
de la campana de contención.
En una forma de realización particular, el
segmento de guía va posicionado en el interior de una garganta de
sujeción.
Preferentemente, la garganta de sujeción va
ubicada a nivel de la parte posterior del rotor.
Ventajosamente, la parte posterior del rotor
integra un núcleo fijo en el que va ubicada la garganta de
sujeción.
Ventajosamente, el núcleo fijo forma, junto con
el núcleo móvil, el núcleo magnético del electroimán.
Otras ventajas y características resultarán más
evidentes a partir de la descripción que sigue de unas formas de
realización particulares de la invención, dadas a título de ejemplos
no limitativos y representadas en los dibujos que se adjuntan, en
los que:
la figura 1 representa, en sección, un
dispositivo actuador lineal seguro según una forma de realización
preferente de la invención en una posición cerrada y
desembragada;
la figura 2 representa, en sección, el
dispositivo actuador lineal seguro según una forma de realización
preferente de la invención en una posición cerrada y armada;
la figura 3 representa, en sección, el
dispositivo actuador lineal seguro según una forma de realización
preferente de la invención en una posición abierta y armada;
la figura 4 representa una vista detallada del
conjunto de rotor según la figura 1;
la figura 5 representa un detalle de realización
de un segmento de guía según la figura 1.
Con referencia a la figura 1, un actuador lineal
según una forma de realización preferente comprende una varilla de
mando 1 que tiene un primer extremo previsto para conectarse
particularmente a un disco 2 y un segundo extremo conectado a un
núcleo móvil 3. Unas acanaladuras 17 bloquean el movimiento
giratorio de la varilla de mando 1 respecto al cárter 4. La varilla
de mando 1 es libre para desplazarse en traslación a lo largo de un
eje longitudinal de referencia 100.
A título de ejemplo de aplicación, el actuador
lineal seguro se destina para gobernar una válvula para gas de una
caldera. El actuador lineal seguro puede ir montado sobre un cuerpo
de válvula para gas 200. El disco 2 ubicado sobre el primer extremo
de la varilla de mando 1 puede desplazarse en traslación entre una
posición de cierre y una posición de apertura. El disco 2 en
traslación libre a lo largo de un eje longitudinal de referencia
100, queda bloqueado para el movimiento giratorio respecto a la
brida 21. Según la posición del disco 2 en un conducto 201, el gas
podrá circular, con mayor o menor rapidez, a través de una abertura
22 del actuador.
El segundo extremo de la varilla de mando 1
integra una zona de rosca exterior 6 que viene a insertarse en una
parte cilíndrica hueca del núcleo móvil 3. El núcleo móvil 3 y el
segundo extremo 6 de la varilla de mando 1 constituyen un conjunto
de tornillo y tuerca 15. Habida cuenta de esta unión mecánica entre
la varilla de mando y el núcleo móvil 3, el núcleo móvil 3 también
puede desplazarse en traslación siguiendo el eje longitudinal de
referencia 100.
La varilla de mando 1, el conjunto de tornillo y
tuerca 15 y una parte del núcleo móvil 3 pueden desplazarse en el
interior de un rotor 5 de un motor eléctrico 10. El eje de rotación
del rotor queda sensiblemente confundido con el eje longitudinal de
referencia 100.
El movimiento rotatorio del rotor puede accionar
el giro del núcleo móvil 3 gracias a la presencia de acanaladuras
16 situadas entre el rotor y el núcleo móvil 3. Dicho núcleo está
fijo en rotación respecto al rotor 5 al que éste arrastra, pero
permanece en traslación libre en relación con este mismo rotor.
La parte anterior del rotor 5 está conectada al
cárter 4 y es guiada en movimiento giratorio por un rodamiento de
bolas 7. El rotor 5 está entonces en bloqueo de traslación a lo
largo de un eje longitudinal de referencia 100. La parte posterior
del rotor 5 integra un núcleo fijo 11. El núcleo fijo 11 está fijado
al rotor 5 y, por tanto, gira por arrastre de este último.
El conjunto formado por el rotor 5, el núcleo
fijo 11 y el núcleo móvil 3 va montado en una envoltura metálica
embutida, en adelante llamada campana de contención 8. La campana de
contención 8, fijada al cárter 4, permite lograr la estanqueidad
entre el interior 102 del cuerpo de válvula 200 y el exterior 101.
El estátor 9 del motor eléctrico 10 está posicionado en torno a la
campana de contención 8 y está envuelto en una cubierta 44 unida al
cárter 4 por medios de fijación 24 tales como tornillos.
\newpage
Un muelle de cierre 12 de tipo helicoidal está
ubicado en el interior del rotor, estando su eje longitudinal
sensiblemente alineado con el eje longitudinal de referencia 100.
Además, el diámetro interior del muelle de cierre 12 es superior al
diámetro exterior de la parte de la varilla de mando 1 rodeada por
dicho muelle.
El muelle de cierre integra un primer extremo
apoyado sobre la parte anterior del rotor 5 y un segundo extremo
apoyado sobre el núcleo móvil 3. El muelle de cierre 12, trabajando
por compresión, ejerce una fuerza de cierre Ff que tiende a alejar
el núcleo móvil 3 del núcleo fijo 11 del rotor 5. En otras palabras,
el núcleo móvil 3 tiende a desplazarse hacia la parte posterior de
la campana de contención 8 bajo la acción de la fuerza de cierre
Ff. La fuerza de cierre Ff tiende a separar el núcleo móvil 3 del
núcleo fijo 11. El desplazamiento del núcleo móvil 3 acciona de
forma concomitante el del eje de mando móvil 1, habida cuenta de que
estos dos elementos están unidos a través del conjunto de tornillo
y tuerca 15. Además, este movimiento tiende a colocar el disco 2 en
una posición de cierre apoyado sobre la brida 21 del cárter 4.
Un electroimán 13 está ubicado en la parte
posterior de la campana 8. El electroimán 13 posee dos núcleos
magnéticos compuestos por el núcleo fijo 11 y el núcleo móvil 3. Por
otro lado, el circuito magnético del electroimán 13 está
constituido básicamente por dos piezas de acero ferromagnético
distantes entre sí de manera que crean un entrehierro 18. El núcleo
móvil 3 y el núcleo fijo 11 están ubicados en este entrehierro 18 de
tal modo que el flujo magnético generado por la bobina 13 pueda
atravesar dichos núcleos.
Cuando el núcleo móvil 3 está en contacto con el
núcleo fijo 11, la fuerza electromagnética producida por el
electroimán 13 se destina entonces para mantener aplicados estos dos
núcleos, a pesar de la fuerza de cierre Ff ejercida por el muelle
de cierre 12.
Para limitar los riesgos de bloqueo entre la
parte posterior del rotor 5 y la campana de contención 8 y permitir
que el rotor 5 gire libremente en el interior de la campana, la
parte posterior del rotor 5 es guiada en movimiento giratorio en la
campana de contención 8 por medio de un segmento de guía 19 anular
abierto. Este segmento, de forma sensiblemente tórica, no llega a
cerrarse y se observa entonces una ranura 33. Preferentemente, este
segmento está hecho de material plástico.
En estado libre, en otras palabras, antes de su
montaje sobre el rotor, el segmento de guía 19 tiene un diámetro
exterior ligeramente superior al diámetro interior de la campana de
contención 8.
Según una forma de realización preferente de la
invención, el segmento de guía 19 está posicionado en una garganta
de sujeción 20 ubicada en la parte posterior del rotor,
preferentemente en el contorno del núcleo fijo 11. En el momento
del ensamblaje final del rotor 5 en la campana 8, el segmento de
guía 19 se aprieta ligeramente para ajustarse al diámetro interior
de la campana de contención 8. Un juego residual situado entre el
diámetro interior del segmento de guía 19 y el diámetro de fondo de
la garganta de sujeción 20 permite que el rotor 5 gire libremente
sobre un diámetro sensiblemente más reducido que aquél sobre el que
giraría con un anillo de centrado fijo sobre el rotor 5 y en
contacto deslizante sobre la campana 8.
Para una carga radial y un coeficiente de
rozamiento determinados, la implantación de un diámetro de pivote
más pequeño reduce las tensiones y el par de resistencia entre las
piezas en movimiento. Esto mejora el rendimiento del sistema.
Además, la velocidad de deslizamiento relativo entre el segmento de
guía 19 estático y el núcleo fijo es reducida, lo que permite bajar
el nivel sonoro global del producto.
La función de cojinete trasero del rotor se
asegura pues mediante un segmento de guía 19 elástico montado sin
apriete en una garganta de sujeción 20 realizada sobre el núcleo
fijo 11. Tras el montaje, el diámetro exterior de dicho segmento es
sensiblemente igual al diámetro interior de la campana de contención
8.
Cuando aumenta la temperatura, la dilatación del
segmento de guía 19 puede ser absorbida en gran parte por la ranura
33. La variación de longitud de la circunferencia media del segmento
de guía 19 relacionada con las variaciones de temperatura puede ser
absorbida en el espacio liberado por la ranura 33.
La ranura 33 permite absorber la dilatación del
segmento de guía 19, lo que limita a la vez un aumento del diámetro
exterior de dicho segmento y una disminución de su diámetro
interior.
El aumento del diámetro exterior podría
engendrar tensiones más importantes entre el rotor 5 y la campana
de contención 8 y causar una deformación de dicha campana.
Una disminución del diámetro interior podría
originar una reducción del juego residual entre el segmento de guía
19 y el rotor 5 y causar un bloqueo en rotación de dicho rotor.
Así, una dilatación del segmento de guía 19
puede compensarse mediante su elasticidad natural y, de este modo,
pueden liberarse en parte las tensiones internas del material usado
en la zona de apertura prevista a tal efecto. El uso de un segmento
de guía 19 elástico permite crear un cojinete autoajustable en
función de las dimensiones de las piezas presentes y de las
condiciones de temperatura. A través de esta solución se asegura el
recentrado posterior del rotor 5 y se reduce al mínimo el riesgo de
bloqueo relacionado con los efectos de la temperatura.
Por otro lado, al ser el contacto entre el
segmento de guía 19 y la campana de contención 8 en esta invención
un contacto estático, las exigencias de resistencia a la abrasión
que podrían existir en el caso de un segmento fijo sobre el rotor y
en rotación en la campana dejan de existir en nuestra aplicación.
Según una forma de realización de la invención, se reducen las
tensiones ejercidas sobre la campana de contención 8 a través del
rotor 5. El uso de un material muy resistente para la realización de
la campana de contención 8 deja de ser necesario. Una campana de
contención, que tradicionalmente estaba hecha de acero inoxidable,
puede hacerse en un material más fácil de aplicar, tal como una
aleación de aluminio o de cobre.
Éste es el funcionamiento del actuador
lineal:
Como se muestra en la figura 1, cuando la
válvula no está en servicio, el conjunto de eje de mando móvil 1 y
disco 2 se mantiene apoyado sobre el asiento de la brida 21 bajo la
acción del muelle de cierre 12. Dicho muelle está entonces
distendido y el circuito de gas está cerrado. El actuador lineal en
posición cerrada está desembragado.
Durante la fase de arranque o de armado, se
acciona el giro del rotor 5. Al estar en apoyo axial el disco 2
sobre la brida 21, la rotación del rotor 5 genera el atornillado del
núcleo móvil 3 sobre el eje de mando móvil 1. El núcleo móvil 3 se
desplaza a lo largo del eje longitudinal de referencia 100, en
dirección al núcleo fijo 11 hasta que los dos núcleos estén en
contacto. El muelle de cierre 12 se comprime entonces y no puede
oponerse a la acción del motor 10 sobre el núcleo móvil 3.
Una vez en contacto los dos núcleos 3, 11,
dichos núcleos se posicionan entonces en el entrehierro 18. La
bobina de electroimán 13 se pone en tensión y produce una fuerza
electromagnética que mantiene los dos núcleos en contacto y bloquea
la traslación del núcleo móvil 3. A continuación se detiene el rotor
5 del motor 10. La fuerza electromagnética ejercida por el
electroimán 13 es superior a la Ff del muelle de cierre 12. Así,
como se muestra en la figura 2, el actuador lineal sigue estando
entonces en una posición cerrada pero se encuentra embragado o
armado.
Con el fin de regular el flujo de gas, en otras
palabras, regular la posición del disco 2 en el conducto 201, el
rotor 5 gira ahora accionado en sentido inverso. La rotación del
núcleo fijo 11 acciona la del núcleo móvil 3. Al estar dicho núcleo
móvil en bloqueo de traslación a lo largo del eje longitudinal de
referencia 100, su rotación genera el desatornillado del conjunto
de tornillo y tuerca 15 y sólo se desplaza en traslación el eje de
mando móvil 1. Este movimiento a lo largo del eje 100 causa la
apertura del disco 2 respecto al asiento de la brida 21. El disco 2
en posición abierta está mostrado en la figura 3. Entonces el
actuador lineal está en una posición abierta y armada.
En caso de corte de alimentación eléctrica, la
fuerza electromagnética del electroimán 13 se hace nula. Bajo la
acción de la fuerza de cierre Ff, el núcleo móvil 3 puede despegarse
del núcleo fijo 11. Este desplazamiento hacia la parte posterior
del núcleo móvil 3 provoca de forma concomitante el del conjunto
formado por el eje de mando móvil 1 y el disco 2 enlazados por el
conjunto de tornillo y tuerca 15. El desplazamiento de este
conjunto de piezas se detiene cuando el disco 2 vuelve a entrar en
contacto con el asiento sobre la brida 21. El actuador vuelve a
estar en la primera posición, tal como se muestra en la figura 1.
Por tanto está cerrado y desembragado. Entonces se detiene la
circulación de gas.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante no tiene otro propósito que servir de ayuda al lector y
no forma parte del documento de Patente Europea. A pesar de la gran
atención dedicada a su confección, no puede descartarse la
presencia de errores u omisiones, en cuyo caso la OEP declina toda
responsabilidad.
- \bullet WO 2004099669 A [0002]
- \bullet EP 0512139 A [0002]
- \bullet EP 0623989 A [0002]
- \bullet WO 02070936 A [0002]
Claims (6)
1. Actuador lineal seguro que comprende:
- una varilla de mando móvil (1) que tiene un
primer extremo previsto para ir conectado a un disco (2) de una
válvula, y un segundo extremo conectado a un núcleo móvil (3) por un
conjunto de tornillo y tuerca (15), quedando la varilla de mando
(1), bloqueada para el movimiento giratorio, libre para desplazarse
a lo largo de un eje longitudinal de referencia (100),
- un motor (10) que tiene un rotor (5) fijo en
traslación a lo largo del eje longitudinal de referencia (100) y
que está destinado a accionar el desplazamiento de la varilla de
mando (1) a través del núcleo móvil (3), girando el núcleo móvil
(3) accionado por el rotor (5) y pudiendo desplazarse siguiendo el
eje longitudinal de referencia (100), teniendo el rotor (5) una
parte anterior del lado del disco (2) y una parte posterior del lado
del núcleo móvil (3),
- medios de guía (7) de rotación de la parte
anterior del rotor (5),
- un muelle de cierre (12) que tiende a alejar
el núcleo móvil (3) del rotor (5) siguiendo el eje longitudinal de
referencia (100),
- un electroimán (13) destinado a mantener el
núcleo móvil (3) aplicado a la parte posterior del rotor (5) y
- una campana de contención (8) que envuelve al
rotor (5), al muelle de cierre (12), al núcleo móvil (3) y al
conjunto de tornillo y tuerca (15),
caracterizado porque la parte posterior
del rotor (5) es guiada en movimiento giratorio en la campana de
contención (8) por medio de un segmento de guía (19) abierto, de
forma anular sin llegar a cerrarse, que comprende una ranura (33),
posicionado sobre dicha parte posterior, siendo el diámetro exterior
de dicho segmento sensiblemente igual al diámetro interior de la
campana (8) y siendo el diámetro interior del segmento de guía (19)
sensiblemente superior al diámetro exterior de la parte posterior
del rotor (5) sobre la que va posicionado, a fin de dejar un juego
residual entre el rotor (5) y la campana de contención (8).
2. Actuador lineal seguro según la
reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro exterior
del segmento de guía (19) en estado libre es superior al diámetro
interior de la campana de contención (8).
3. Actuador lineal seguro según las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el segmento de
guía (19) está posicionado en el interior de una garganta de
sujeción (20).
4. Actuador lineal seguro según la
reivindicación 3, caracterizado porque la garganta de
sujeción (20) está ubicada a nivel de la parte posterior del rotor
(5).
5. Actuador lineal seguro según la
reivindicación 4, caracterizado porque la parte posterior del
rotor (5) integra un núcleo fijo (11) en el que está ubicada la
garganta de sujeción (20).
6. Actuador lineal seguro según una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
núcleo fijo (11) forma junto con el núcleo móvil (3) el núcleo
magnético del electroimán (13).
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