PT929904E - Elevador com magnetes electropermanentes dotados de um dispositivo de seguranca - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

ELEVADOR COM MAGNETES ELECTROPERMANENTES DOTADOS DE UM DISPOSITIVO DE SEGURANÇA A presente invenção abrange elevadores de magnete e em particular um elevador com magnetes electropermanentes dotado de um dispositivo de segurança para controlar o seu ponto de funcionamento.

Como se sabe, os elevadores dividem-se em três categorias, dependendo do tipo de magnetes utilizados, isto é, magnetes permanentes, magnetes electropermanentes e electromagnetes. Cada tipo de elevador tem as suas vantagens e desvantagens.

Os elevadores com magnetes permanentes têm a vantagem de o seu consumo de energia ser quase desprezível e de a força magnética produzida ser constante de modo fiável e independente de fontes de fornecimento exteriores. Por outro lado, não é possível aumentar a força magnética se necessário e os magnetes são excessivamente volumosos para içar cargas pesadas. Além disso, a libertação da carga exige a aplicação de uma força mecânica considerável para reduzir a força magnética para um valor inferior ao peso da carga. Em alternativa, os magnetes têm de ser amovíveis para serem afastados da carga, reduzindo assim a atracção magnética.

Em contrapartida, nos elevadores com electromagnetes é possível variar livremente a força magnética pela simples regulação da corrente que percorre o bobinado que gera o campo magnético. Contudo, qualquer interrupção, por muito breve que seja, do fornecimento de energia cancela imediatamente a força magnética, provocando assim a libertação da carga. É portanto evidente que é essencial a instalação de sistemas de segurança para garantir a continuidade do fornecimento.

Os elevadores com magnetes electropermanentes aliam substancialmente as vantagens dos dois tipos de elevadores acima mencionados. Isto deve-se à utilização de uma magnete permanente do tipo reversível, isto é, um magnete em que a polaridade é facilmente reversível mediante a aplicação de um impulso eléctrico. O magnete reversível gera assim um fluxo regulável que também pode orientar o fluxo de um magnete permanente convencional combinado com ele. É assim possível curto-circuitar os dois 1 magnetes quando se pretende desactivar o elevador, ou dispô-los em paralelo para activar o elevador. Dado que é apenas necessário um impulso eléctrico mas não um fornecimento contínuo para inverter o magnete reversível, ficam ultrapassados os problemas de segurança que afectam os electromagnetes. Ao mesmo tempo, mesmo que se utilizem magnetes permanentes, é possível variar a força magnética dentro de certos limites e é fácil proceder à libertação da carga com um consumo mínimo de energia e sem estruturas complexas para deslocar os magnetes.

Contudo, em relação aos outros dois tipos de magnetes, constitui um inconveniente dos magnetes electropermanentes a instabilidade de funcionamento devida à curva de magnetização específica do magnete reversível. De facto, os magnetes reversíveis são normalmente feitos de uma liga de alumínio-níquel-cobalto (alnico) com uma histerese que se caracteriza por uma indução elevada corresponder a uma força coerciva reduzida. Esta característica permite orientar o fluxo magnético no magnete permanente que forma o magnete electropermanente.

Contudo, a curva de magnetização tem um «joelho» para além do qual o comportamento do magnete reversível continua a ser linear mas com um declive muito maior que na primeira zona. Isto implica grandes variações de indução correspondentes a pequenas variações de força coerciva. Na prática, isto significa que os elevadores com magnetes electropermanentes são fortemente afectado pela dinâmica do material içado. É um facto conhecido que as oscilações das placas erguidas por uma unidade destas implicam uma variação do entreferro e portanto uma variação da resistência magnética total do circuito magnético, o que pode desviar o ponto de funcionamento das massas magnéticas do elevador abaixo do referido «joelho». Esta dinâmica é afectada até por pequenos desvios do material içado, pelo que bastam ligeiros arqueamentos ou curvaturas dificilmente detectáveis para provocar uma variação considerável da força motriz magnética, tornando portanto o sistema elevador muito instável.

Os documentos WO-97/03911, que descreve um elevador de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, e GB-A-2043354 descrevem elevadores com um sistema para medir a força magnética que é o mesmo para qualquer tipo de magnetes. Este sistema de medição só serve para calcular o factor de segurança operativa comparando a força magnética gerada com o peso da carga a ser içada. Este cálculo é efectuado instalando um dispositivo de medição próximo dos componentes dos pólos em contacto com a carga, de modo a medir de forma bastante rigorosa o fluxo total ligado à carga. É evidente que esta medição não fornece uma indicação rigorosa acerca do ponto de funcionamento, pelo que não tem possibilidade de assinalar o risco resultante da instabilidade, se esta se verificar, do magnete reversível. É um objectivo da presente invenção proporcionar um elevador com magnetes electropermanentes dotado de um dispositivo de segurança que permite controlar a instabilidade, se estas se verificar, da unidade elevadora consoante as condições reais de trabalho.

Este objectivo é alcançado por meio de um elevador dotado de um sensor capaz de medir exclusivamente o contributo do magnete reversível e portanto o seu ponto de funcionamento. A principal vantagem do presente elevador é assim assegurar a máxima segurança de funcionamento ao indicar não só o factor de segurança total mas também a aproximação da situação de instabilidade.

Outra vantagem do elevador de acordo com a presente invenção é que, combinando adequadamente os dados fornecidos pelo sensor que mede o fluxo do magnete reversível com os dados fornecidos pelo sensor que mede o fluxo magnético total, é possível compensar o erro de leitura do segundo devido às dispersões magnéticas provocadas pelo entreferro entre as polaridades activas e a carga, sendo o referido erro proporcional à dimensão do entreferro.

Outras vantagens e características do elevador de acordo com a presente invenção serão evidentes para os peritos a partir da descrição pormenorizada que se segue de uma sua forma de realização com referencia aos desenhos anexos, em que: - a Fia. 1 é uma vista frontal esquemática, com a metade da esquerda em corte, de um elevador de acordo com a invenção na fase de não-funcionamento; - a Fia. 2 ó uma vista parcial em corte horizontal de uma metade simétrica do elevador da Fig. 1; - a Fia. 3 é um diagrama que compreende as curvas de magnetização do magnete reversível e do magnete permanente; e - a Fia. 4 é uma vista do elevador da Fig. 1, na fase de transporte de carga.

Com referência à Fig. 1, o elevador com magnetes electropermanentes de acordo com a presente invenção compreende, de uma maneira conhecida, uma estrutura exterior de suporte, uma pluralidade de magnetes e uma unidade de regulação e controlo. A estrutura de suporte é constituída por um bloco superior 1, dotado de juntas 2 para a sua fixação ao dispositivo elevador, por exemplo um guindaste, quatro lados 3 e uma chapa de apoio de encerramento 4. É evidente que tal estrutura é feita de materiais magneticamente altamente condutores para minimizar a resistência magnética do circuito magnético.

Cada magnete electropermanente é constituído por um magnete reversível 5 e um magnete permanente 6 dispostos respectivamente um por cima do outro. As polaridades do magnete reversível 5 são dispostas nos lados horizontais de um núcleo 5a, feito de alnico, em volta do qual é disposta uma bobina comutadora 5b para controlar a inversão dos pólos. Enquanto o elevador não está a funcionar, como se mostra na Fig. 1, o pólo norte (N) está no lado de cima e o pólo sul (S) está no lado de baixo. O magnete permanente 6 compreende uma pluralidade de blocos de ferrite 6a dispostos ao longo das partes laterais de um núcleo de ferro 6b. Este núcleo 6b é fixado ao bloco 1 por meio de uma pluralidade de barras 7 que atravessam o núcleo de alnico 5a e imobilizado por porcas 8 em encaixes 9 adequados Assim, o magnete permanente 5 também é fixado sob o bloco 1. O núcleo 6b prolonga-se para baixo num componente dos pólos 6 c que sobressai da chapa 4 e que se destina a entrar em contacto com a carga que se pretende içar. A disposição das polaridades dos blocos de ferrite 6a está claramente representada na Fig. 2 em que, em todos os lados, o pólo norte está virado para o núcleo 6b e o pólo sul está virado para fora. A descrição acima refere-se aos magnetes 5, 6 dispostos à esquerda do elevador representado na Fig. 1, isto é, aos que são visíveis na meia secção. Para fechar os circuitos magnéticos indicados pelas setas, é devidamente disposto no lado direito do elevador outro magnete electropermanente com as polaridades invertidas. Por outras palavras, existe um segundo magnete reversível 6’ com o pólo sul no lado de cima e o pólo norte na parte de baixo. O segundo magnete permanente 6’ compreende igualmente uma pluralidade de blocos de ferrite 6a’ dispostos com os pólos sul virados para o núcleo 6b’ e os pólos norte virados para fora (ver a Fig. 2).

Esta disposição dos magnetes induz um campo magnético constituído por três feixes de linhas de fluxo substancialmente orientados na direcção indicada pelas setas da Fig. 1. O feixe central destas linhas de fluxo atravessa os dois magnetes reversíveis 5, 5’, os dois núcleos 6b, 6b’ e os blocos de ferrite 6a, 6a’ dispostos entre eles, além de algumas partes da estrutura exterior de suporte. Em contrapartida, os dois feixes laterais de linhas de fluxo só atravessam um dos magnetes reversíveis 5, 5’, um dos núcleos 6b, 6b’ e os blocos de ferrite 6a, 6a’ dispostos entre um destes núcleos e os lados 3. Dado estarem ligadas umas às outras, estas linhas de fluxo circulam dentro do elevador, pelo que uma carga ferromagnética, disposta perto dos componentes dos pólos 6c, 6c’, não poderia ser atraída pelo elevador.

Os circuitos de regulação e controlo compreendem pelo menos um circuito de controlo 10 de bobina comutadora 5b, um primeiro sensor magnético 11 e um segundo sensor magnético 12, respectivamente dispostos por cima e por baixo dos blocos de ferrite 6a, bem como pelo menos um dispositivo de segurança 13 para processar os sinais provenientes dos referidos sensores 11 e 12. O sensor magnético inferior 11 é constituído por exemplo por uma bobina cujas voltas rodeiam a base do núcleo 6b para medir o fluxo ligado à carga. O sensor magnético superior 12, constituído por exemplo por uma bobina adicional cujas voltas rodeiam a parte superior do núcleo 6b, é o aspecto inovador do presente elevador dado que permite medir unicamente a contribuição do magnete reversível 5, como se explicará seguidamente.

Embora um único par de sensores 11 e 12 seja suficiente para controlar o funcionamento de um par de pólos de um magnete electropermanente, cada magnete electropermanente é de preferência dotado do seu próprio par de sensores, para alcançar um maior rigor de medição. Assim, uma bobina inferior e uma bobina superior (não representadas na figura) são também dispostas em volta do núcleo 6b’ do magnete, ambas ligadas a um dispositivo de segurança 13, para reduzir o erro de medição ao estabelecer a média das leituras dos dois pares de bobinas.

Com referência à Fig. 3, a curva de magnetização que mostra a proporção entre a indução residual Br e a intensidade do campo coercivo Hc tem duas características diferentes dependentes do tipo de magnete do elevador. Em particular, a curva de magnetização 14 de magnetes reversíveis 5, 5’, ao contrário da curva 15 de magnetes permanentes 6, 6’, tem um segmento linear 16 bastante curto entre o «joelho» 17 e o eixo de indução residual Br correspondente a um nível zero de intensidade do campo coercivo Hc. Para além do «joelho» 17, a curva de magnetização 14 apresenta um forte declive e revela fenómenos de histerese, pelo que, se o ponto de funcionamento do elevador entrar acidentalmente nessa zona, a sua força elevatória é instável, dado que a indução residual Br varia rapidamente por efeito de ligeiras variações de intensidade Hc e além disso não se verifica bijecção entre estas duas quantidades devido à histerese magnética.

Agora também com referência à Fig. 4, uma carga ferromagnética 18 pode ser atraída pelo elevador de acordo com a presente invenção colocando-a próximo dos componentes dos pólos 6c, 6c’ e invertendo as polaridades dos magnetes reversíveis 5, 5’ através das bobinas comutadoras respectivas. Assim, as linhas de fluxo magnético deixam de estar ligadas às dos magnetes permanentes 6a, 6a’, como se mostra na Fig. 1. Pelo contrário, todas as linhas de fluxo passam pela carga 18 dado que, graças à disposição específica dos magnetes, o circuito magnético é forçado a sair do componente dos pólos 6c e a entrar novamente no componente dos pólos 6c’. Também neste caso é induzido um campo magnético que compreende três feixes de linhas de fluxo, os quais são contudo substancialmente orientados na direcção indicada pelas setas na Fig. 4, sendo portanto concêntricos.

Deve salientar-se especialmente que as linhas de fluxo que passam através dos magnetes reversíveis 5, 5’ não atravessam os blocos de ferrite 6a, 6a’, não sendo portanto afectadas pelo campo magnético gerado a partir deles. Portanto, os sensores 12 detectam a intensidade do fluxo magnético gerado apenas pelos magnetes reversíveis, enquanto os sensores 11 detectam também a contribuição proporcionada pelos blocos de ferrite 6a, 6a’. O dispositivo de segurança 13 da presente forma de realização compreende um circuito electrónico controlado por um microprocessador que recebe como entradas os sinais transmitidos pelos sensores 11 e 12 e subsequentemente amplificados e convertidos para forma digital. O dispositivo 13 processa os sinais dos sensores 11 e 12 para obter respectivamente a força magnética total dos magnetes electropermanentes e o ponto de funcionamento dos magnetes reversíveis 5, 5’ na curva 14. Comparando estes valores uns com os outros, o dispositivo 13 compensa a diferença entre o fluxo magnético medido pelos sensores 11 e o fluxo magnético que atravessa realmente a carga 18. Esta diferença resulta das dispersões do fluxo magnético devidas ao entreferro Δ, isto é, às variações da distância entre a carga 18 e os componentes dos pólos 6c, 6c’. Na Fig. 4, à esquerda, as linhas de fluxo estão representadas a atravessar o entreferro Δ (aumentado) em condições reais, isto é, com os efeitos de dispersão, e, à direita, as mesmas linhas de fluxo em condições ideais, isto é, sem os efeitos de dispersão.

Graças aos sensores 12 dispostos sobre os magnetes permanentes, o dispositivo 13 determina o ponto de funcionamento dos magnetes reversíveis 5, 5’ na curva 14 da Fig. 3, e calcula assim, em sequência, o tamanho do entreferro Δ, o valor da indução Br, a ligação magnética com a carga 18 e, finalmente, a força magnética efectiva que actua sobre esta. O software do dispositivo de segurança 13 compreende assim um algoritmo específico capaz de corrigir automaticamente as leituras dos sensores 11, por forma a eliminar os erros devidos aos fluxos magnéticos dispersos devido ao entreferro Δ.

Caso a força magnética efectiva que actua na carga 18 fosse insuficiente para a sua elevação ou caso o ponto de funcionamento dos magnetes reversíveis 5,5’ não estivesse no segmento linear 16, o dispositivo 13 providenciaria a sinalização imediata da situação de risco aos operadores por meio de sinais de alarme acústicos ou ópticos ou similares. É evidente que a forma de realização acima descrita e ilustrada do elevador de acordo com a invenção é apenas um exemplo susceptível de várias modificações. Em particular, o material de que os magnetes são feitos pode variar consoante os requisitos do elevador. Por exemplo, os magnetes permanentes podem ser feitos de neodímio ou de outras terras raras. É igualmente evidente que, noutra forma de realização do elevador de acordo com a presente invenção, os sensores magnéticos 11 e 12 podem não compreender bobinas, mas sim outro tipo de sensores, por exemplo sensores de efeito de Hall.

Lisboa,

Por Railfix N.V.

Agente Oficia! da Propriedade Indusu AfOT <ta Conceição, ò, K- 1100 LISBOA 8

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Elevador que compreende um magnete reversível (5, 5’) disposto sobre pelo menos um magnete (6, 6’) dotado de um magnete permanente (6a), disposto com as suas polaridades orientadas ao longo de um eixo horizontal nos lados de pelo menos um núcleo ferromagnético (6b, 6b’) adequado para estar em contacto com a carga (18) que se pretende içar, e pelo menos um sensor magnético (11) disposto próximo da base (6c, 6c’) do referido núcleo ferromagnético, bem como um outro sensor magnético (12) e um dispositivo de segurança (13) para processar os sinais transmitidos pelos referidos sensores magnéticos (11, 12) e obter o ponto de funcionamento do elevador na curva de magnetização (14) do magnete reversível (5, 5’), caracterizado por as polaridades do magnete reversível (5, 5’) seres dispostas ao longo de um eixo vertical, por o referido magnete (6, 6’) ser dotado de pelo menos outro magnete permanente (6a’), sendo os referidos magnetes permanentes (6a, 6a’) dispostos com as suas polaridades orientadas ao longo de um eixo horizontal nos lados do referido núcleo ferromagnético (6b, 6b’) e por o referido sensor magnético adicional (12) ser disposto por cima dos referidos magnetes permanentes (6a, 6a’) por forma a medir substancialmente apenas o fluxo magnético que atravessa o magnete reversível (5, 5’).
2. 2. Elevador de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por compreender um par de magnetes reversíveis (5, 5’), sendo cada um deles disposto com as suas polaridades orientadas de modo mutuamente invertido ao longo de um eixo vertical sobre um magnete (6, 6’) dotado de uma pluralidade de magnetes permanentes (6a, 6a’) dispostos com as suas polaridades orientadas ao longo de um eixo horizontal nos lados de um núcleo ferromagnético (6b, 6b’), em que os fluxos magnéticos induzidos pelos magnetes reversíveis (5,5’) são ligados uns aos outros.
3. 3. Elevador de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por compreender um sensor magnético (11) disposto na base de cada um de dois núcleos ferromagnéticos (6b, 6b’) e um outro sensor magnético (12) disposto entre cada um dos dois magnetes reversíveis (5, 5’) e os magnetes permanentes (6a, 6a’) a eles associados.
4. 4. Elevador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos um dos magnetes reversíveis (5, 5’) ser feito de uma liga metálica formada por alumínio, níquel e cobalto.
5. 5. Elevador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos um dos sensores magnéticos (11, 12) compreender um bobina cujas voltas rodeiam uma porção dos referidos núcleos ferromagnéticos (6b, 6b’).
6. 6. Elevador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por pelo menos um dos sensores magnéticos (11,12) compreender um sensor de efeito de Hall.
7. 7. Elevador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os magnetes reversíveis (5, 5’) e os magnetes permanentes (6a, 6a’) serem inseridos dentro de uma estrutura magneticamente altamente condutora (1, 3, 4) apresentando os núcleos ferromagnéticos (6b, 6b’) a destacarem-se parcialmente da sua base.
8. 8. Elevador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o dispositivo de segurança (13) compreender um circuito electrónico controlado por um microprocessador que recebe como entradas os sinais transmitidos pelos sensores magnéticos (11,12) e convertidos para forma digital.
9. 9. Elevador de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o dispositivo de segurança (13) calcular o fluxo magnético que atravessa a carga içada (18) consoante a diferença de valores detectada através dos sensores magnéticos (11,12)
10. 10. Elevador de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o dispositivo de segurança (13) compreender um dispositivo de alarme que é automaticamente activado se o ponto de funcionamento do elevador na curva de magnetização (14) dos magnetes reversíveis (5, 5’) não se situar no segmento linear (16) entre o joelho (17) e o eixo da indução residual (Br) correspondente a um nível zero da intensidade do campo coercivo (Hc). 2 I ·# t * Lisboa, "7 FEV. 2001 Por Railfix N.V.

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