Brevet FR2262434A1 — publié le 19750919

l'invention se rapporte à un ensemble à piston électrique dans lequel nn organe mobile aimante' ou magnétique est entraîné positivement en un mouvement de va-et-vient à l'intérieur d'un cylindre sous l'action d'une force électrodynamique0 On a proposé divers ensembles à piston dans lesquels un organe mobile sous la forme dun piston est entraîné en un mouvement de va-et-vient à l'intérieur dsun cylindre. Dans un ensemble à piston connu, un organe mobile ou piston est entraîné en va-et-vient à l'intérieur d'un cylindre au moyen d'un mécanisme convenable qui transforme un mouvement de rotation d'un moteur en un mouvement de va-et-vient.Dans un autre ensemble à piston connu, un organe mobile ou piston est entrain' en va-et-vient à l'intérieur d'un cylindre sous l'action d'une force attractive ou répulsive d'un électro-aimantO Dans le premier type ou dispositif mécanique, comme il est difficile de transformer un mouvement rapide de rotation du moteur en un mouvement rapide de va-et-vient au moyen d'un mécanisme à manivelle à cause des limitations mécaniques, on utilise habituellement de -l'air comprimé pour entraîner le piston en va-et-vient à grande vitesse dans un tel mécanisme.Cependant, l'utilisation d'air comprimé pour la transmission de puissance est thermodynamiquement tout à fait inefficace et en pratique il est difficile d'obtenir de l'air comprimé à une pression supérieure à 7 kg/cm2. Bien qu'une force d'accélération qu'on peut obtenir d'un cylindre particulier soit proportionnelle au carré du diamètre intérieur du cylindre (ou du diamètre extérieur d'un piston qui se meut dans le cylindre), comme la masse du piston est proportionnelle au cube du diamètre du piston, l'augmentation du diamètre du piston rend de plus en plus difficile l'entratnement du piston en va-et-vient.Ainsi, dans le fonctionnement d'un marteau à haute performance, tel qu'un marteau de sonnette employant un piston comme moyen pour fournir une force de frappe au marteau, par exemple, la pratique classique a été de soulever seulement le poids du piston par la pression engendrée dans une explosion et on laisse ensuite le piston retomber par son propre poids pour frapper contre le marteau qui à son tour exerce l'action de frappe. Selon une autre technique connue pour obtenir une force de frappe, un lourd marteau de fer est d'abord soulevé jusqu'à une hauteur désirée ou prédéterminée par un moyen de levage actionne par un moteur et on laisse ensuite retomber le marteau par son propre poids. Cela montre qu'il est encore difficile d'entratner en va-et-vient un organe ou un ensemble mobile. Dans le dernier type ou dispositif électromagnétique, bien qutil semble qu'un mouvement de va-et-vient d'un piston puisse être effectué de façon tout à fait simple comme dans le cas du dispositif employant des bobines de solénoSde comme moyen pour déplacer en va-et-vient un organe mobile,puisque le mouvement de va-et-vient de organe mobile ne résulte que d'une force attractive ou répulsive dtun aimant, le pôle ayant la polarité opposée à celle de l'aimant est déplacé par la force attractive convergente des lignes de force magnétiques engendrées dans l'espace entre les pôles opposés (ou dans un espace prévu dans le circuit magnétique de l'aimant). Ainsi, le dispositif électromagnétique employant l'aimant comme moyen pour entraîner en va-et-vient un organe mobile à l'intérieur d'un cylindre nécessite un espace entre les pôles magnétiques et cet espace détermine la course de l'organe mobile. Cependant, pour que les lignes de force magnétiques puissent passer à travers cet espace, une force d'aimantation notable est nécessaire par suite de la nature des lignes de force magnétiques et, en outre, l'aimant nécessite une bobine de forte paissance Quand la dimension de l'espace augmente, la puissance des lignes de force magnétiques détroit en proportion inverse de la dimension de l'espace, ce qui aboutit à une diminution de la force magnétique à un point tel qu'on ne peut pas obtenir une course convenable pour l'organe mobile0 C'est la raison principale pour laquelle le dispositif ne peut pas être employé comme dispositif pratique pour entraîner en va-et-vient un organe mobile et un tel dispositif est simplement employé comme dispositif de commutation électromagnétique ou comme dispositif analogue, ce qui ne peut pas être appelé véritablement un dispositif pour entraîner en va-et-vient un organe mobile0 C'est pourquoi un but de l'invention est d'établir un ensemble à piston qui puisse éliminer efficacement les inconvénients inhérents aux dispositifs connus dont il a été question ci-dessus, Un autre but de l'invention est de proposer un ensemble à piston qui mette en jeu une force électrodynamique rationnelle en direction linéaire pour assurer un mouvement de va-et-vient positif et à plus longue course d'un organe mobile et qui puisse être employé dans les domaines des industries minières et de construction d'une manière plus se et plus fiable, tout en éliminant la nécessité du procédé à la dynamite qui a été le seul moyen deruptuni Selon la présente invention, on propose un ensemble à piston électrique comprenant une enveloppe cylindrique, un noyau creux cylindrique en fer feuilleté entourant une cavité cylindrique et mnni, dans les régions extrêmes opposées de sa surface intérieure limitant la dite cavité cylindrique, de plusieurs rainures annulaires espacées, une première bobine annulaire reçue dans les dites rainures espacées de l'une des régions extrOmes de la surface intérieure, une seconde bobine annulaire reçue dans les dites rainures espacées de l'autre région extrtne de la surface intérieure, les dites bobines annulaires étant reliées ensemble de façon que le courant électrique les traverse alternativement en sens direct et on sens inverse et un organe aimanté mobile en va-et-vient logé dans la dite cavité cylindrique et ayast des pAoles nord et sud dont les lignes de force magnétiques coupent la direction transversale des dites bobines ammiaires pratiquement à angle droit de façon que le dit organe mobile se déplace en va-et-vient selon la variation ou la commutation dn sens du courant électrique qui s'écoule à travers les dites bobines annulaires. Les buts ci-dessus ainsi que dtautres et les avantages correspondants de la présente invention apparaîtront facilement aux techniciens à la lecture de la description détaillée qui suit en référence au dessin annexé qui montre une forme d'exécution préférée de l'invention à simple titre d'exemple et sans aucun caractère limitatif. Le dessin annexé montre une forme d' exécution d'un ensemble à piston électrique constitué selon la présente invention et comprend les figures suivantes : la figure 1 est une coupe longitudinale du dit ensemble à piston électrique et elle montre l'utilisation de cet ensemble en association avec un dispositif de frappe la figure 2 est une coupe établie pratiquement selon la ligne À - À de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique gui montre en particulier les directions des lignes de force magnétiques partant des piles d1un piston detitiné etre entraîné en va-et-vient ; et la figure 4 est une vue schématique du circuit magnétique du dit ensemble à piston électrique. On décrira maintenant l'invention en référence au dessin annexe qui montre une forme d1 exécution préférée d'un ensemble à piston électrique de l'invention. L'ensemble à piston électrique comprend de façon générale un manchon cylindrique 1 qui peut être en toute matière rigide convenable telle que l'acier ou une matière analogue et qui est largement ouvert à l'une de ses extrémités {ltextrdxité de gauche sur la figure 1). Le manchon 1 présente une cavité cylindrique intérieure dans laquelle est disposé en position fixe un noyan de fer=cylindrique creux 3 qui peut être formé de tales minces de fer et la surface intérieure du noyau constitue un alésage de cylindre 4. Un organe mobile sous la forme d'un piston double 5 est placé dans l'alésage de cylindre 4 pour un mouvement de va-et-vient en sens contraires et le piston double comprend deux pistons élémentaires opposés 5a-5b écartés en direction axiale et unJ tige de piston 5c dont les extrémités opposées sont fixées respectivement aux pistons élémentaires 5a et 5b.L'un des pistons 5a sert de tette de frappe comme on le décrira dans la suite de l'exposé. Dans la partie centrale de l'alésage de cylindre 4 du noyau de fer 3 se trouve un enroulement d'aimantation 6 parcoure par un courant électrique et les extrémités opposées de ltenroulement passent à travers des trous alignés convenables (non représentés) formés dans le noyau 3 et le manchon i pour leur oonne4ion auz bornes d'une source extérieure de courant continu. La source de courant continu 7 est destinée à aimanter le piston double 5. L'enroulement 6 est placé pratiquement dans la partie centrale de l'alésage de cylindre 4 en étant écarté des extrémités opposées de cet alésage et il entoure la tige de piston 5c en ménageant un intervalle périphérique autour de cette tige. La surface intérieure du noyau de fer 3 est munie dans ses régions extrtses opposées de deux groupes de rainures annulaires comprenant chacun plusieurs rainures espacées en direction axiale (non représentées) et, pour la commodité de la description, le groupe de rainures de la région extrême de gauche sera appelé le premier groupe de rainures, tandis que le groupe de rainures de la région extr8me de droite sera appelé le second groupe de rainures. Une première bobine annulaire 8a est placée et maintenu. dans le premier groupe de rainures et une seconde bobine annulaire 8b est placée et maintenue dans le secona groupe de rainures, une extrémité des bobines annulaires Sa et 8b s'étendant à travers des trous alignés convenables (non représentés) ménagés dans le noyau de fer 3 et dans le manchon 1 pour leur liaison électrique avec une source extérieure de courant alternatif 9o Chacune des première et seconde bobines 8a et 8b comprend plusieurs conducteurs annulaires espacés en direction axiale, logés individuellement et maintenus dans leurs rainures annulaires associées respectives.Comme on le voit sur la figure 1, les conducteurs annulaires les plus extérieurs à la fois dans les première et seconde bobines 8a et 8b ont une borne reliée électriquement à la source de courant alternatif 9 et les autres extrémités des conducteurs les plus extérieurs dans les deux bobines annulaires sont reliées électriquement aux extrémités adjacentes des conducteurs intérieurs qui leur sont respectivement adjacents dont les autres extrémités sont à leur tour reliées électriquement aux extrémités correspondantes des conducteurs intérieurs adjacents, La maeme connexion électrique est appliquée jusqu'aux conducteurs les plusintérieurs dans les deux bobines annulaires de façon à former ainsi des bobines annulaires reliées en spirale.Tes extrémités correspondantes des conducteurs les plus intérieurs des deux bobines 8a et 8b sont reliées l'une à 11 autre. On a indiqué en 10 un trépan cylindrique plein ayant son extrémité intérieure tourillonnant dans un trou de palier 11 formé dans le fond de gauche du manchon (comme on le voit sur la figure l)o Si on suppose que les signes + représentent le courant électrique qui s ' écoule de l'arrière de la feuille de la figure 3 vers l'observateur de la figure, les signes - représentent le courant électrique qui s'écoule de l'observateur de la figure 3 vers la face opposée de la feuille de la figure. Comme la bobine d'aimantation 6 est alimentée en courant continu par la source 7, le sens du courant électrique à travers l'enroulement 6 reste sans changement. La tige de piston 5c entourée par l'enroulement 6 est donc aimantée et en conséquence, tout le piston S est aimanté.Les lignes de force magnétiquesdans le piston double 5 sont donc disposées selon la loi d'Ampère de sorte que le piston élémentaire de gauche Sa aura un pôle nord tandis que le piston de droite 5b aura un pôle sud0 Quand on considère le piston double aimanté 5, les lignes de force magnétiques émergeant du piston 5a de polarité nord formant la tête de frappe sont absorbées dans le piston 5b de polarité sud.Comme le piston double 5 est disposé dans le noyau de fer cylindrique 3 de construction feuilletée, les lignes de force magnétiques suivent le chemin magnétique représenté sur la figure 3 et quand ces lignes traversent le noyau de fer, elles passent à travers la première bobine 8a et la seconde bobine 8b pratiquement à angle droit par rapport à la direction transversale des conducteurs annulaires des bobines0 En pareil cas, du courant électrique est fourni par la source à courant alternatif 9 aux bobines 8a et 8b dans les sens représentés sur la figure 3 par les signes + et - ou dans les sens contraires0 On considèrera maintenant la relation entre les première et seconde bobines 8a et 8b et les lignes de force magnétiques qui passent à travers les bobines pratiquement à angle droit par rapport à la direction transversale des bobines.Quand le courant électrique provenant de la source de courant alternatif 9 s'écoule dans le sens de la flèche Pa le courant électrique s'écoule à travers la première bobine annulaire 8a dans le sens + vers - et dans la seconde bobine annulaire dans le sens - vers + (le signe + représentant le courant électrique qui s'écoule de l'arrière de la feuille de la figure 3 vers ltobservateur de la figure 3, tandis que le signe - représente le courant électrique qui s'écoule de l'observateur de la figure 3 vers la face opposée de la feuille de la figure ). En d'autres termes, quand le courant électrique provenant de la source de courant alternatif 9 'écoule dans le sens de la flèche PS il engendre dans la première bobine annulaire 8a une force électrodynamique qui coupe les lignes de force magnétiques émergeant du piston de gauche ou de la tête de frappe 5a du piston double 5 pratiquement à angle droit et en conséquence la direction de la force électrodynamique engendre à son tour une force qui tend à déplacer la première bobine annulaire 8a dans le sens à droite selon la figure 3 selon les lois de l'électromagnétisme. Cependant, comme la première bobine annulaire 8a est entièrement incorporée dans la surface intérieure du noyau de fer 3, la bobine ne peut pas se déplacer. Par conséquent une force de réaction est engendrée dans la première bobine annulaire 8a pour agir contre la force électrodynamique et cette force tend à déplacer le piston 5a de polarité nord en sens inverse, c'est-à-dire vers la gauche en poussant à son tour l'ensemble de piston dans le sens de la flèche R. On considèrera maintenant la relation entre les lignes de force magnétiques et la seconde bobine annulaire 8bo Comme mentionné ci-dessus, le courant électrique s'écoule à travers la seconde bobine annulaire 8b dans le sens opposé à celui dans lequel le courant s'écoule à travers la première bobine annulaire 8a et en conséquence les lignes de force magnétiques qui passent à travers la seconde bobine annulaire 8b passeront dans le sene contraire à celui dans lequel les lignes de force magnétiques passent à travers la première bobine annulaire 8a et sont absorbées dans le piston 5b de polarité sud. ainsi, la force électrodynamique engendrée dans le piston 5b agit dans le stse sens que la force électrodynamique engendrée dans le piston 5a et les deux forces électrodynamiques engendrées dans les pistons de polarités contraires 5a et 5b coopèrent pour déplacer ou faire avancer le piston double 5 dans le sens de la flèche R. Comte la source d'énergie électrique 9 est une source de courant alternatif et que le sens du courant 'inverse dans chaque cycle, les sens de l'écoulement du courant à travers la première bobine Sa et la, seconde 8b, représentés par les indications + à - et - à + respectivement, stinversent aussi dans chaque cycle. Cependant, comme la source d'énergie électrique 7 pour l'enroulement d'aimanta- tion 6 est une source de courant continu, la disposition des pôles nord et sud aux extrémités du piston double 5 reste sans changement pendant le cycle entier.Ainsi, le piston double 5, disposé dans l'alésage de cylindre 4, se déplace alternativement vers la gauche et vers la droite selon le sens du courant électrique s'écoulant à travers la première bobine 8a et la seconde Sb. Comme il apparattra aux techniciens l'ensemble de piston 5 avance ou se déplace vers la gauche dans une moitié de chaque cycle de fonctionnement pour frapper le trépan 10 qui à son tour remplit sa fonction attendue puis sTécartera du trépan 10 dans la seconde moitié restante du cycle. Dans la forme d'exécution représentée, bien que l'organe mobile ou le piston double 5 soit conçu pour être aimanté par ltenreileeent 6, organe mobile peut, au lieu de cela, être constitué par un aimant permanent sans qu'on s'écarte du cadre de l'invention. Comme autre modification, la bobine 6 peut aussi être fixée à l'organe mobile ou-au piston double 5 pour se déplacer en va-et-vient avec lui.Cela rentre encore dans le cadre de ltinven tison. De plus, également dans le cadre de l'invention, la source d'énergie électrique 9 à courant alternatif 'pour la première bobine annulaire 8a et la seconde 8b peut être remplacée par une source de courant continu associée à un moyen séparé d'inversion du sens du courant (non représenté) qui change le sens du courant électrique comme désiré, de façon que ltorgane mobile 5 puisse se déplacer en va-et-vient à l'intérieur de l'alésage du cylindre 4 de la wandbre mentionnée en référence à la forme d'exécution préférée qui a été représentée. Comme autre modification, il est possible aussi d'établir les bobines annulaires et l'organe mobile de telle façon qurà chacune des première et seconde bobines et à 11 organe mobile soient respectivement associés un commatateur et un balai pour constituer un mécanisme semblable à un moteur à courant continu ou un moteur à répulsion monophasé, L'ensemble de piston électrique de l'invention se caractérise par le fait que les lignes de force magnétiques partent radialement d'un pôle magnétique et sont absorbées dans l'autre pôle magnétique et que ces lignes, en passant d'un pôle à l'autre, pénètrent dans les parties du noyau de fer interposé entre les conducteurs annulaires des bobines annulaires maintenues dans les rainures de la surface intérieure et elles en sortent en coupant la direction transversale des bobines annulaires pratiquement à angle droit de façon à engendrer la force électrodynamláe. D'autre part, dans le dispositif à bobine de soldnosde classique, comme il y a un espace entre les extrémités adjacentes des bobines dans le circuit magnétique du dispositif, afin d'utiliser la force magnétique dans cet espace, une puissance électrique notable est nécessaire pour qu'on puisse obtenir une course convenable. Dans l'ensemble de piston électrique selon l'invention, le circuit magnétique est muni d'un petit espace entre alésage de cylindre et les pales magnétiques et cet espace peut entre maintenu constant quelle que soit la position des pâles par rapport au cylindre. in d'autres termes, les parties présentes entre les conducteurs annulaires des bobines annulaires de la surface intérieure du noyau de fer qui sont destinées à être exposées aux pôles constituent un circuit magnétique très important dans lequel les bobines annulaires sont confinées dans le circuit magnétique. La disposition des-bobines annuaires selon l'invention est différente de la disposition dite à double bobine dans laquelle deux bobines de solénolde cylindriques espacées, disposées en tandem à l'intérieur de l'alésage cylindrique formé par le noyau de fer, sont reliées ensemble de telle façon que le courant électrique s'écoule dans un sens à travers l'une des bobines et dans le sens opposé à travers l'autre bobine.Bien que la disposition à double bobine de solénoïde paraisse à première vue semblable à la disposition des bobines annulaires de l'invention, la disposition à double bobine de solénolde est différente de la disposition à bobines annulaires par le fait que les lignes de force magnétiques y sont parallèles à l'axe du cylindre, mais non disposées dans les rainures du noyau de fer cylindrique de façon à couper la direction transversale des bobines annulaires pratiquement à angle droit comme envisagé dans la présente invention0 Comme la disposition a' double bobine de solénolde n'est pas constituée de façon que les parties de la surface intérieure du noyau de fer présentes entre les bobines annulaires soient exposées aux pôles, les lignes de force magnétiques ont inévitablement à passer à travers l'espace situé entre les bobines de solénoïde en tandem. Ainsi, la disposition classique à double bobine de solénoïde présente les inconvénients qu'une grande force magnétique ou une puissance notable doit être appliquée, que l'utilisation d'un aimant permanent n1 assure pas des flux de force magnétiques suffisants et que la force magnétique agissant sur les pales magnétiques, qui dépend de la longueur axiale de I1 espace, varie d'un moment à l'autre Les inconvénients mentionnés ci-dessus, inhérents à la disposition classique à double bobine de solénoïde constituaient des limitations pour l'utilisation pratique d'une telle disposition. D'après la description qui précède de la forme d'exécution préférée de l'invention, il apparait que, par comparaison avec les ensembles à piston électrique qui sont basés sur le principe complètement différent de celui sur lequel est basée la présente invention, l'organe mobile peut avoir une course plus grande parce qu'une force électrodynamique raisonnable,- nécessaire pour le mouvement de va-et-vient de l'organe mobile à une grande vitesse, est engendrée dans une direction linéaire, de sorte que le mouvement de va-et-vient accéléré de l'organe mobile peut être maintenu pendant toute la course de l'organe mobile et que le rendement de l'ensemble à piston peut être augmenté quand le poids et la dimension de l'ensemble augmentent par suite de la construction et de la disposition particulières des éléments électriques de 11 ensemble à piston selon l'invention0 De plus, la dimension de 11 ensemble à piston électrique selon la présente invention peut être augmentée notablement sans limitation et en conséquence la présente invention permet d'établir un ensemble à piston à haute performance qu'on ne peut obtenir par les techniques anciennes. On comprendra que la description qui précède et le dessin annexé n'ont aucun caractère limitatif et que la portée de l'invention n' est limitée que par les revendications annexées, R S V E N D I C A T I O N SO j Ensemble à piston électrique comprenant un manchon creux cylindrique, un noyau creux cylindrique en fer feuilleté entourant une cavité cy-7indrique et muni, dans les régions extrêmes opposées de sa surface intérieure limitant la dite cavité cylindrique, de plusieurs rainures annulaires espacées, une première bobine annulaire reçue dans les dites rainures espacées de l'une des régions extrêmes de la surface intérieure, une seconde bobine annulaire reçue dans les dites rainures espacées de l'autre région extreme de la surface intérieure, les dites bobines annulaires étant reliées ensemble de façon que le courant électrique les traverse alternativement en sens direct et en sens inverse et un organe aimanté mobile en va-et-vient logé dans la dite cavité cylindrique et ayant des pôles nord et sud dont les lignes de force magnétiques coupent la direction transversale des dites bobines annulaires pratiquement à angle droit de façon que le dit organe mobile se déplace en va-et-vient selon la variation ou la commutation du sens du courant électrique qui s'écoule à travers les dites bobines annulaires. 2. Ensemble à piston électrique selon la revendication 1, dans lequel la dite première bobine annulaire comprend plusieurs conducteurs annulaires qui sont logés dans des rainures séparées, prévues dans une région extrême du dit alésage de cylindre délimité par la surface intérieure du noyau de fer, et qui sont reliés électriquement l'un à l'autre et la dite seconde bobine annulaire comprend une pluralité de conducteurs annulaires qui sont logés dans des rainures espacées similaires, prévues dans l'autre région extrême du dit alésage de cylindre délimité par la surface intérieure du noyau de fer et qui sont reliés électriquement l'un à l'autre. 3. Ensemble à piston électrique selon la revendication 1, dans lequel le dit organe mobile en va-et-vient comprend une tige de piston ayant les dits pales nord et sud fixes à ses extrémités opposées et dans lequel un enroulement d'aimantation est prévu à l'intérieur du dit alésage de cylindre autour de la tige de piston pour aimanter le dit organe mobile0 4. Ensemble à piston électrique selon la revendication 1, dans lequel le dit organe mobile comprend un aimant permanent ayant des pales nord et sud fixes à ses extrémités opposées. 5. Ensemble à piston électrique selon la revendication 3, comprenant de plus une source électrique de courant continu qui est prévue dans le dit alésage de cylindre et est destinée à aimanter le dit organe mobiles 60 Ensemble à piston électrique selon la revendication 2, comprenant de plus une source de courant électrique alternatif, prévue à l'extérieur du dit manchon et reliée à des bornes de certains des dits conducteurs choisis dans la première bobine annulaire et dans la seconde. 7. Ensemble à piston électrique selon la revendication 3, dans lequel les dits piles nord et sud de 12 organe mobile comprennent des pistons élémentaires aux extrémités de la tige de piston.