Brevet FR2311394A1 — publié le 19761210

La présente invention due à la collaboration de Messieurs C. LOMBARD et J.M. BOUVET se rapporte à un dispositif les troxagnétique permettant dtactionner une vanne hydraulique de servocommande et drune manière plus générale tout organe réclamant une relation sensiblement linéaire entre le courant d'excitation et la force résultante. Le dispositif s'applique particulièrement aux bottes de vitesses automatiques à commande hydraulique de véhicules automobiles, en vue du réglage d'une pression en fonction d'un signal électrique de commander Dans les bottes de vitesses automatiques, le système de commande hydraulique comprend habituellement une ou plusieurs valves de régulation destinées à régler unou plusieurs pressions dont celle de ligne à un niveau optimum correspondant à un régime de marche donné. Ces valves de régulation sont commandées le plus souvent par une pression auxiliaire appelée pression de pilotage. Cette pression de pilotage doit être proportionnelle à une grandeur électrique qui représente les conditions de marche du véhicule automobile : vitesse moteur ou vitesse turbine, charge moteur, rapport engagés etc ... Il est donc nécessaire dans ce cas de faire varier avec précision la pression de pilotage fournie à la valve de régulation en stricte conformité avec le signal électrique. Divers dispo sitifF ont donc été proposés pour obtenir une pression proportionnel- lement à un signal électrique de commande. Ces dispositif classiques présentent une difficulté non seulement dans le fait de faire varier avec précision la pression en fonction du signal électrique mais aussi dans le fait de réaliser une construction simple de la valve de servo-commande. Ces dispositifs connus utilisent le plus souvent une force d'attraction électromagndtique agissant sur une armature mobile. Ces dispositifs sont peu précis car ils possèdent une hystérésis ce qui altère la précision du règlage de pression. On connait également des dispositifs dérivés des circuits magnétiques de haut-parleur mais ils sont lourds, encombrants et de faible force car ils ne possèdent qu'un seul entrefer actif contrairement au dispositif qui fait l'objet de la description ci-après. La présente invention a pour objet un dispositif électromagnétique permettant notamment d'actionner une vanne hydraulique de pilotage proportionnell@@ent à un signal électrique de commande, le dispositif de l'invention présentant des caractéristiques de facilité de construction, de précision et de linéarité qu'il n'était pas possible dtobtenir Jussiutà présent. Le dispositif de l'invontion suivant sa forme préféren- tielle se présente sous la forme d'un actuateur électromagnétique relié fonctionnellement à une valve hydraulique de servo-commande. L'actuateur électromagnétique se compose d'un aimant permanent prolongé à chacune de ses extrémités par une pièce polaire. Une carcasse extérieure as-ure la fermeture du champ. Chaque pièce polaire détermine un entrefer dans lequel est placée une bobine. Chaque spire de cette bobine reçoit un flux sensiblement radial et perpendiculaire au sens du courant circulant dans la bobine. On obtient donc une force due à l'action d'un courant sur un champ (Loi de Laplace) et qui est exempte d'hystérésis. Cette forme de réalisation comprenant un aimant intérieur et deux entrefers de travaIl est particulièrement adapte aux aimants à fort champ coercitif et énergie spécifique élevée tels que ceux à alliage Samarium-Cobalt et mischmétal de Cériu@-Cobalt ; elle permet notamment d'utiliser la plus grande partie des lignes de force et de réduire les flux ce fuite. La tartie intérieure de l'actuateur (aimant et pièces polaires ou bobines) est montée en bout du tiroir de servo-commande. Cette disposition coaxiale permet d'obtenir un dispositif particulièrement simple et compact. La carcasse extérieure de l'actuateur comporte une vis règlable qui sert de pièce d'appui pour un ressort. Ce ressort représente la force initiale exercée sr le tiroir de servo-valve et que modifie la force électromagnétique agissant sur l'induit lorsque les bobines sont parcourues par un mourant électrique. La butée du ressort par vis règlable pormet d'effecture un règlage exact de la force du ressort ; la valeur limite de in gamme de pression à règler (dans le cas présent la valeur limite supérieure) peut ainsi être modifiée et règlée. La force d'action électromagnétique agit en sens contraire de la force du ressort, de tolle façon qu'en cas d'interruption accidentelle du courant, on obtienne une pression maximale évitant ainsi d'endom@ager les erg@@es actionnés par le fluide hydraulique. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, appliqué a une valve de servo-commande, décrit de façon détaillée et pris à titre d'exemple nullement limitatif. La description sera illustrée par les dessins annexés, sur lesquels - la figure i représente, schématiquement, la disposition d'ensemble d'un traducteur électrohydraulique formé par l'assemblage d'un actuateur électromagnétique et d'un tiroir hydraulique, l'aimant étant mobile et les bobines fixes. - les figures 2a et 2b representent des graphiques de la variation de la force d'action de l'actuateur en fonction du courant de commande dans la bobine et du déplacement de l'induit. - la figure 3 représente la variation de la pression de pilotage fournie par le tiroir hydraulique en fonction du courant de commande. - la figure 4a représente, schématiquement, le mode théorique de réalisation de la double bobine de ltactuateur, la figure 4b étant la réalisation pratique de cette bobine. - la figure 5 représente, schématiquement, un deuxième mode de realisation d'actuateur avec une pièce polaire conique et dans lequel un effet ressort,-en l'absence de tout courant d'exci- tation est obtenu grace à la forme particulière du circuit magnétique. - les figures 6a et 6b représentent des graphique caractérisant la force d'action en fonction du courant et du déplacement de l'actuateur précédent. - la figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'actuateur avec effet ressort. - la figure 8 représente une variante dans laquelle l'aimant est fixe et les bobines mobiles. Sur la représentation schématique de la figure 1, la référence 1 désigne l'ensemble de l'actuateur électromagnétique relié mécaniquement à une vanne hydraulique repérée 2. L'actuateur 1 est composé d'un aimant permanent 3 aimanté suivant l'axe et de deux pièces polaires fixées sur l'aimant par collage et repérées 4 et 5. L'ensemble des éléments 3, 4 et 5 forme un induit cylindrique monté en bout d'un tiroir hydraulique repéré 6. Les pièces polaires 4 et 5 assurent la continuité du champ magnetique qui se referme grace à une carcasse cylindrique extérieure 7. Dans l'entrefer compris entre les pièces polaires 4 et 5 et la carcasse 7 se trouve une double bobine repérée 8. La bobine 8 est alimentée par un courant électrique véhiculé par les connexions 9a et 9b. Un ressort enmatériau non magnétique 10 permet d'appliquer une force d'action initiale sur 1 tiroir central 6 de ia vanne 2. Cette force d'action initiale est règlable par l'intermédiaire d'une vis 11 liée à la carcasse 7. L'ensemble de la vanne hydraulique repérée 2 comprend un tiroir 6 pouvant se déplacer dans un fourreau 12 en aluminium. Le fluide hydraulique à la pression d'alimentation 13 pénètre par la e@ lisation 13b dans uné chambre de commande 14 comportant un premier piston 15, coopérant avec un premier orifice de restriction 16 et un deuxième piston 17 ccopérant avec un denxiè e orifice de restriction 18. La chambre de commande 14 communique avec une chambre de réaction 19 par un conduit de retour 21a. Cette chambre de réaction 19 comporte um piston 20 faisant partie de l'ensemble du tiroir 6. Un conduit de sortie 21b délivre la pression depilotage 21. L'ensemble de la vanne hydraulique 2 est relié par des conduits de fuite repérés 22 et 23 à un réservoir Ce fluide hydraulique non représente sur la figure. La figure 2a représente la force d action s'appliquant sur l'induit de l'actuateur 1 en fonction du courant de commande appliqué dans la bobine 8. Cette force d'action F est dirigée vers la droite de la figure 1. Flle est égale à la force initiale Fo produite par le ressort 10 moins la force électromagnétique due à l'action du courant dans la bobine 8 sur le champ dans les entrefers. Cette force d'action est une fonction linéaire decroissante du courant de commande. Cette force d'action provoque donc le déplacement de l'induit de l'actuateur. Comme la longueur de la bobine 8 est supérieure à la longueur de l'induit, on voit sur la figure 2b que la force est indépendante du déplacement de l'induit.Cette caractéristique est particulièrement intéressante crr la force d'action produite par l'induit et s'appliquant sur le tiroir o est une grandeur de consigne qui ne dépend que du courant appliqué dans la bobine 8. La figure 3 représente les variations de la pression de pilotage 21 en fonction du courant de commande appliqué dans la bobine 8. La pression Po est la pression maximale due à la force initiale Fo du ressort 10 en l'absence de tout courant de commande. Cette disposition est un facteur de sécurité pour les organes hy- drauliques alimentés par la pression de pilotage 21 en cas de coupure accidentelle du courant de commande dans la bobine 8. La figure 4a représente le mode de réalisation théorique de la bobine double 8 de l'actuateur 1. Cette faible bobine 8 est formée de deux bobines B1 et B2 produisant des flux en sens inverse. Chaque bobine B1 et B2 se présente sous une forme annu- laire qui permet un loement facile lans chaque entrefer déterminé par l'espace compris entre les pièces polaires 4 et 5 et la carcasse extérieure 7 .L'intérêt de cette forme de réalisation est d'assurer l'interconnexion automatique entre les bobines B1 et B2 et d'obtenir les fils d'entrée et de sortie disposés du même côté de l'ensemble comme on peut le voir sur la figure 4b qui sera détaillée plus loin. La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'actuateur avec pièce polaire en bout d'aimant, On y retrouve un aimant central 24 aimanté suivant l'axe prolongé à une de ses extrémités par une pièce polaire conique repérée 25. A l'autre extrémité de l'aimant, on trouve une pièce 24 présentant des épanouissements polaires. Une carcasse extérieure cylindrique 27 assure la fermeture du champ magnétique. Lu alésage repéré 28, de dimensions judicieusement choisies, permet de contenir tout OU partie de la pièce conique 25.Une bobine repérée 29 est olcée d-cns l'entrefer compris entre la pièce 26 et la carcasse 27. Un cou- vercle 30 fixé sur la carcasse 27 par sertissage permet de fermer l'ensemble de l'actuateur. La carcasse 27 de l'actuateur est vissée sur le fourreau de vanne hydraulique repéré 31. Des cales d'épaisseur repérées 32 permettent de régler la distance relative D représentant la position de la pièce conique 25 dans l'alésage 28. Les figures 6a et 6b représentent un graphique tes variations de la force d'action F obtenu@en fonction du courant de commande et du déplac@@ent de l'induit de l'actuateur. La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'actuateur. On y retrouve un aimant permanent 42 aimanté suivant l'axe. Cet aimant n'est prolongé que d'un seul côté par une pièce polaire conique 13. Cette pièce conique 43 pénètre plus ou moins dans un alésage 46 faisant partie de la carcasse 44. Le tiroir hydraulique 47 est fixé en bout de l'induit con;rne dans les autres versions. Une bobine repérée 45, de forme dite en "U" entoure une partie de l'aimant. Un flasque serti 48 permet de fermer l'ensemble de l'actuateur. Cette forme de réalisation est moins favorable à l'obtention d'une bonne linéarité entre effort obtenu et courant de commande. Elle peut être suffisante si le déplacement du tiroir 47 est faible. La figure 8 représente un autre rode de réalisation de l'actuateur dans lequel la bobine est mobile tandis que l'aimant est fixe. Celui-ci porte la référence 49 tandis que ses pièces polaires sont 50 et 51. La pièce polaire 50 est reliée par une pièce de fi- xation 52 non magnétique à la carcasse 53. La bobine double 54 est portée par un support 55 non magnétique lié au tiroir de la vanne et susceptible de se déplacer dans l'entrefer compris entre l'aimant 49- et la carcasse 53. Le support 55 et la carcasse 53 portent des anneaux 55, a, b et 57, a, b recevant la poussée de ressorts concentriques 60 et 61 assurant également les liaisons éléctriques 62 et 53 vers la bobine double 54. La disposition générale est done identique à calle des figures précédentes, , mais les perties fixes et mobiles sont inversées. On va maintenant décrire le fonctionnement du traduit teur électrohydraulique de la figure 1 en se repérant n 1. ires 2a, 2b et 3. Le ressort de tarage 10, par l'intermédiaire de la vis ce règlage il applique une force initiale Fo à la tartie centrale (induit et tiroir) du traducteur électrohydraulique. Les dimensions relatives de l'aimant 3, des piecrs polaires 4 et 5 et ce la carcasse extérieure 7 déterminent une valeur d'induction dans 1' entrefer occupé par la double bobine . Quant un courant circule dans le bobine 8 formée par B1 et B2, on obtient l'action du champ dans l'entrefer sur un courant ciroulant dans un fil conducteur. On obtient donc une force orientée qui tend à déplacer l'induit de l'actuateur. Cette force d'origine électromagnétique vient en déduction de la force initiale Fo appliquée par le ressort 10. On obtient donc au niveau de la partie centrale du traducteur une force d'action F, qui est une fonction décroissante du courant de commande dans la bobine 8. Cette force F tend à déplacer le tiroir 6 de la vanne ?, elle constitue une grandeur de consigne. Quand le tiroir 5, composé des istons 15 et 17, se déplace vers la droite, il tend à augmenter la surf ce de l'orifice de restriction 16 et à diminuer la section de l'orifice Ce restriction 18. Il tend donc à augmenter le degré de communication entre la canalisation 13b et la chambre 14. Ceci a donc pour effet d'augmenter la pression dans les conduits 21b et 21a et donc dans la chambre de réaction 19, ce qui se traduit par un effort de réaction s'appliquant sur la face arrière du piston 20. Cet effort de réaction est proportionnel à la section du piston 20 et à la pression règnant dans la chambre 19.La force de réaction vient stonnoser à la grandeur de consigne constituée par la force d'action F définie précédemment. Ces deux forces s'équilibrent de façon à déterminer une position du tiroir 6 à laquelle correspond une pression de pilotage 21. On voit donc que l'on peut ainsi obtenir un traducteur ou convertis- seur electrohydraulique fournissant une pression de pilotage 91 proportionnelle au courant fourni à la bobine 8.De plus, on voit que dans ce iode de réalisation du traducteur électro-hydrau- lique, celui-ci est un système asservi comportant une boucle de réaction hydraulique constituée par le co@duit de retour 21a, la chambre de réaction 19 et le piston 20. Les figures 2a, 2b et 3 illustrent lafores d'action s'appliquant sur l'induit de l'actuateur ainsi que la pression de pilotage 21, obtenues en fonction du courant de consigne envoya dons la bobine 8. Comme on le sait, le tiroir d'une vanne hydraulique peut présenter une hystérésis Ce friction car d1une art, on ne neut obtenir une aptitude absolue au glissement et d'autre part, le tiroir peut coller lors d'un arrêt de courte durée. On peut éviter une hystérésis de friction en veillant à ce que le tiroir ne vienne jamais à s'arrêtre mais exécute toujours un mouvement d'oscillation faible. Dans le cas du dispositif suivant l'invention, il suffit de superposer zu courent de commande de la bobine 8, un signal alternatif de Caible amplitude et de fréquence déterminées. Comme on l'a vu en référence aux figures 1, 2-a, 2b, la force F produite sur la partie centrale de l'actuateur 1, est l'action d'un champ présent dans l'entrefer, sur le courant circulant dans la double bobine W. Cettebobine 8 est en réalité formée de deux bobines Bu et B2 comme l'illustrent les figures 4a et 4b. Comme il est nécessaire que les courants circulant dans B1 et B2 soient de sens inverse d'une part, et que les lonaseurs de fil contenues dans El et B2 soient sensiblement identioues d'autre part, la double bobine 8 est bobinée de la façon suivante B1C en sens horaire, puis B2 en sens anti-horaire, et enfin B7d en sens horaire. Cette disposition permet de disposer d'une double bobine à sens d'enroulement inversé et dont les longueurs sont sensiblement équilibrées.De plus, les connexions de sortie de la bobine 8, repérées 9a et 9b, se trouvent d'un même caté sanssurépaisseur. La double bobine 8 est bobinée sur luz mandrin en Téflon avec du fil thermo-adhérent ou avec fil émaillé simple plus résine thermodurcissable le mandrin étant ensuite enlevé. Ceci évite l'utilisation d'une carcasse de maintien des spires de la bobine, et permet d'utiliser au mieux l'entrefer utïle compris entre pièces polaires et carcasse extérieure. L'importance relative de Blc et de Bld est quelconque, mais par commodité chacun des enroulements contiendra au moins une couche de spires. La figure 5 représente une variante de réalisation d'actuateur électromagnétique. Ce type de réalisation comporte deux entrefers : un premier entrefer compris e-tre la pièce polaire 26 et la carcasse 27, un deuxième entrefer compris entre la pièce polaire conique 25 et l'alésage 28 de la carcasse 27. Grâce à ce deuxième entrefer dans lequel le champ à une composante axiale, il est possible d'obtenir sur l'induit de l'actuateur une force d'attraction initiale Fo qui est fonction de la distance D repérée sur la figure 5. De plus, on voit que le graphique de la figure 6b que cette force Fo est sensiblement constante (autour d'une position repérée Do) en fonction du déplacement de la partie mobile.Cette force initiale Fo est due à la géométrie particulière de la pièce polaire 2j, elle tend donc à déplacer le tiroir 33 vers la droite de la figure. Cette force Fo, obtenue sans aucune liaison mécanique à la même utilité que dans le cas de l'appareil décrit à la figure 1, c'est-à-dire assurer une sécurité de fonctionnement en l'absence de toute commande électrique. La force électromagnétique due au courant de commande circulant dans la bobine 29 vient se retrancher de la force initiale Fo. On obtient donc sur l'induit de l'actuateur une force F qui est une fonction décroissante du courant de commande comme l'indique le graphique de la figure 6a. De plus la force F est sensiblement indépendante du déplacement de l'induit autour d'une position Do. Cette position Do est réglable grâce aux cales d'épaisseur repérées 32. Le fonctionnement de la vanne hydraulique située en bout de cet actuateur est identique à celui décrit à la figure 1. Dans ce mode de réalisation suivant la figure 5 la force initiale Fo est obtenue grâce à l'attraction magnétique de la pièce conique 25 et de l'alésage 28. Pour éviter une hystérésis de friction dans ce mode de réalisation, il peut entre intéressant de faire tourner par action hydraulique la partie centrale du traducteur électrohydraulique, ctest-à-dire l'induit de l'actuateur et le tiroir 33.Ceci est rendu possible car d'une part, il n'y a plus de ressort mécanique de liaison et d'autre part, on dispose d'une énergie cinétique due au fluide hydraulique en mouvement qu'il est possible d'ex- ploiter. En effet, le fluide arrive par un canal d'amenée repéré 37 déporté par rapport au plan de la figure (arrivée tangentielle), pénètre dans une chambre d'action 36 déterminée par le volume compris entre les faces des pistons 34 et 35, et ressort par le canal de sortie repéré 39. La rotation de la partie centrale du traducteur électrohydraulique est obtenue, dans ce mode de réalisation, grâce à des ailettes (non représentées) disposées soit sur la face interne 40 du piston 34, soit sur l'axe de liaison 41 reliant les pistons 34 et 35 et se trouvant dans la chambre d'action 36. Ces ailettes seront sollicitées par le mouvement dn fluide sous pression. On voit donc dans ce mode de réalisation d'actuateur que l'on peut supprimer l'hystérésis de friction en faisant tourner le tiroir par action hydraulique. Il est également possible de combiner la vibration du tiroir hydraulique par la méthode d'alimentation électrique décrite précédemment ainsi que la rotation hydraulique. Le fonctionnement de l'actuateur représenté à la figure 7 est identique à celui représenté figure 5. Dans ce mode de réalisation, la bobine parcourue par le courant de commande a une forme particulière dite en "U". Cette forme de bobine évite l'utilisation d'une pièce polaire en bout d'aimant, elle permet de travailler avec le flux de fuite de l'aimant. De plus, ce mode de réalisation permet d'obtenir un actuateur de dimensions extérieures plus petites. La figure 8 n'appelle aucune remarque particulière pour son fonctionnement. Bien que décrit pour transmettre un effort indépendant du déplacement à une vanne de servo-commande, la présente invention peut s'étendre à tout dispositif demandant une force d'action et devant se déplacer. - REVENDICATIONS lO-Dispositif actuateur électromagnétique permettant d'obtenir une force d'action proportionnelle exempte d'hystérésis magnétique et indépendante du déplacement, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un circuit magnétique composé d'un induit formé d'un aimant permanent central et de deux pièces polaires, une carcasse extérieure déterminant ainsi deux entrefers dans lesquels est située une bobine, composée de deux moitiés enroulées en sens inverse et disposées côte à côte, parcourue par un courant de commande, un ressort mécanique ou magnétique permettant d'obtenir une force initiale, dispositif dans lequel l'action du courant sur le champ dans les entrefers se traduit par une force axiale électromagnétique proportionnelle au courant qui vient en déduction de la force initiale produite par le ressort. 20-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des moitiés est elle même constituée d'un premier demienroulement dont la sortie passe dans l'autre moitié de la bobine en sens inverse et revient dans la première moitié de la bobine où il reprend son sens initial d'enroulement, les entrée et sortie de fil de la bobine (8) étant ainsi situées du même coté. 30 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,- caractérisé en ce que la.double bobine (8) à bobinages inversés n'a pas de carcasse support, se trouve surmoulée dans de la résine thermodurcissable, et constitue une pièce mécaniquement rigide et complète. 40 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'une butée réglable (11) permet d'ajuster la force initiale du ressort (10). 50- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fajt que l'induit de l'actuateur est monté en bout d'un tiroir de vanne hydraulique. 60 Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le tiroir de la vanne hydraulique comprend une section soumise tangentiellement à un débit de fluide, de manière à assurer la rotation dudit tiroir et la suppression de l'hystérésis. 7e- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'appliquer un courant alternatif de faible amplitude superposé au courant continu de commande de la bobine 8. 8 - Dispositif selon 1 à 7 caractérisé en ce que l'aimant permanent contient en proportion notable au moins l'un des éléments du groupe des terres rares.