Brevet FR2430827A1 — publié le 19800208

La présente invention se rapporte aux marteaux électromagnétiques et elle concerne donc le domaine aes appareils de percussion, intéressant les industries ou activités dans lesquelles l'utilisation de chocs isolés ou répétés est nécessaire. Plus particulièrement, l'invention perfectionne les marteaux électro-magnétiques du genre de ceux comprenant un électroaimant dont le bobinage est apte à attirer un noyau plongeur déplaçable suivant l'axe du bobinage,avec, pour accumuler l'énergie électrique et la restituer brutalement dans le bobinage de l'électro-aimant,des condensateurs dont la charge est contrôlée par un premier thyristor et dont la dEaharge,créant une impulsion de courant électrique de courte durée dans le bobinage de l'électro-aimant, provoquant l'attraction du noyau plongeur et le choc de l'outil de percussion, est contrôlée par un second thyristor, les électrodes de commande des thyristors de charge et de décharge étant reliées à des circuits de commande électroniques délivrant des impulsions sur chacune d'elles.Ce genre d'appareil est décrit dans la demande de brevet français publiée NO 2 356 483. Par ailleurs, toujours dans le secteur technique des appareils de percussion électro-magnétiques, il est déåà connu de réaliser une suspension élastique de la partie mobile comprenant le noyau plongeur de llélectro-aimant,telle que la fréquence propre d'oscillation de ce système mécanique soit égale à la fréquence des impulsions électriques périodiques amenées au bobinage de l'électro-aimant (voir le brevet suisse NO 315.674). Toutefois ce principe de fonctionnement en résonance n'est pas directement transposable aux marteaux électro-magnétiques du genre indiqué plus haut. En effet, dans ces appareils où le bobinage de l'électroaimant est alimenté par des impulsions d'énergie électrique fournies par des condensateurs, il existe deux dispositifs particuliers qui constituent, l'un et l'autre, des systèmes vibratoires : -Le dispositif électrique,dont la " self-induction " du bobinage et la capacité des condensateurs précités constituent les deux composants fondamentaux,formant un premier système oscillant ayant une fréquence propre fonction des valeurs de ces deux composants. -Un dispositif magnéto-mécanique,constitué par la masse mobile du noyau plongeur et par la force impulsionnelle du champ magnétique produit par le bobinage,cette force étant déterminée dans son sens, sa valeur et ses variations en fonction du temps par le dispositif électrique précédent. La masse mobile et la force impulsionnelle considérée forment,pendant la durée d'application de cette force, un second système oscillant qui suit les lois des vibrations mécaniques et qui a,par conséquent,sa fréquence propre. Les deux systèmes étant liés pour assurer la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique,cette transformation aura lieu avec le minimum de pertes si les deux systèmes fonctionnent en résonance. Pour obtenir un tel fonctionnement, on peu agir en théorie sur les valeurs de la masse mobile,de la force impulsionnelle, de la" self-induction " et de la capacité, pour une certaine tension de charge des condensateurs, c'est-à-dire pour une certaine énergie fournie. En réalité, les différentes grandeurs qui interviennent ici ne sont pas indépendantes, la force d'attraction et le coefficient de n self-induction n étant fonction l'une de l'autre, et la position du noyau plongeur déterminant, à chaque instant,le coefficient de" self-induction n du bobinage. De plus, pour une construction d'appareil donnée,les valeurs de la masse mobile et de la capacité sont fixes, et la seule variable utilisable pour la mise en accord du système, avec une tension de charge déterminée, est le coefficient de self-induction". Compte tenu de ce qui précède, le perfectionnement selon la présente invention consiste essentiellement à prévoir des moyens permettant un réglage du début des impulsions électriques dans le temps,par rapport à la position du noyau plongeur dans le bobinage, de telle manière qu'on puisse ajuster le coefficient de 't self-induction " et mettre en résonance les deux systèmes vibratoires, l'un électrique et l'autre magnétomécanique. Les moyens de réglage considérés sont par exemple réalisés sous la forme & un potentiomètre associé aux circuits de contrôle électroniques et réglant la périodicité des impulsions de commande. Dans la perspective d'un fonctionnement à fréquence fixe, le noyau mobile sera monté avec un dispositif de suspension élastique,tel qu'un ressort,de façon à ce qu'en régime établi, la masse puisse se déplacer de part et d'autre d'une position de repos. L'impulsion électrique commandant la décharge des condensateurs dans le bobinage de l'électro-aimant devra alors être produite à l'instant où le noyau passe au point qui détermine le coefficient de "self-induction " de résonance.Le dispositif de suspension et la masse mobile forment également un système oscillant qui a sa fréquence propre et qui, en dehors des instants où le noyau est soumis à l'action du champ magnétique, détermine la position du noyau dans l'espace en fonction du temps.La fréquence de fonctionnement du marteau sera donc, en fait, une fréquence résultante déterminée par le système oscillant composé de la masse et du ressort de suspension,et par la fréquence propre des deux autres systèmes vibratoires, l'un électrique et l'autre magnéto-mécanique.Lorsque 1'ensemble de l'appareil est correctement accordé,le fonctionnement est régulier,sans battement audible, et l'intensité du courant électrique parcourant le bobinage est stable et minimale. La suspension élastique a également l'avantage d'éviter les effets des chocs de retour de la masse mobile sur le carter de 1'appareil, et elle rend inutile tout dispositif d'amortisse- ment de ces chocs, simplifie la construction et ajoute au confort de l'opérateur,en réduisant les efforts de réaction sur les poignées de maintien de l'appareil. Par ailleurs, il est intéressant de prévoir que la pièce polaire fixe et le blindage de l'électro-aimant sont réalisés dans un matériau magnétique présentant une hystérésis magnétique la plus faible possible, alors que le matériau utilisé pour le noyau a une hystérésis plus importante. Cette différence de cycle d'hystérésis entre les matériaux des parties considérées produira un effet de répulsion entre le noyau et la pièce polaire fixe,lorsqu'au cours de l'oscillation électrique,l'in- tensité du courant traversant le bobinage changera de sens,provoquant également un changement de sens du champ màgnétique.En effet,dans la pièce polaire et le blindage,ce phénomène suivra avec un léger retard, alors que dans le noyau l'inversion de polarité 'effctuer plus lentement, et l'on aura donc pendant un certain temps des piles de même nom qui s'opposeront, provoquant l'effet de répulsion entre le circuit magnétique fixe et le noyau mobile.L'inversion de polarité se produisant peu après le choc, dans le cas du fonctionnement en résonance évoqué plus haut, cet effet de répulsion favorisera le retour du noyau mobile vers sa position de départ. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif,une forme de réalisation du marteau électro-magnétique ainsi perfectionné, et illustrant le fonctionnement de celui-ci Figure 1 est un schéma de principe général de l'appareil; Figures 2, 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs du fonctionnement en résonance Figure 5 est une vue en coupe longitudinale du marteau, montrant sa réalisation mécanique; Figures 6 et 7 sont des vues très schématiques illustrant le fonctionnement par différence d 'hystérésis; Figure 8 montre les cycles d'hystérésis des matériaux pouvant être utilisés. Comme le montre le schéma de la figure 1, la partie électrique de l'appareil comprend une alimentation 1 fournissant, à partir du secteur,une tension continue qui, par l'intermédiaire d'une inductance 2 et d'un premier thyristor 3,permet la charge de condensateurs 4. Une autre partie du circuit comprenant un deuxième thyristor 5 permet la décharge des condensateurs 4 dans le bobinage 6 d'un électro-aimant ?,dont le noyau plongeur mobile 8 est suspendu élastiquement par un ressort 9. La commande des deux thyristors 3 et 5 est obtenue par un ensemble électronique 10, fournissant des impulsions de commande aux gâchettes de chacun des transistors,à l'instant nécessaire,ceci à partir d'une impulsion unique fournie périodiquement,dont le réglage de la périodicité est réalisable par un potentiomètre 11.La commande impérative du fonctionnement de l'ensemble électronique 10 est réalisée par un contact à fermeture 12. Une diode 13 permet le passage de l'intensité négative de la décharge oscillante des condensateurs 4. Ces circuits, et notamment l'ensemble électronique 10, sont décrits en détail dans la demande de brevet français publiée NO 2 356 483, déjà mentionnée plus haut. La masse mobile suspendue élastiquement formée par le noyau mobile 8 constitue un système oscillant amorti,ayant une fréquence propre,dont la courbe de déplacement en fonction du temps est représentée,pour un fonctionnement libre,par la figure 2. Si l'on applique une force impulsionnelle à cette masse mobile,la courbe de déplacement aura la forme indiquée sur la figure 3. Si cette force devient périodique,le mouvement sera entretenu et la courbe obtenue prendra forme visible sur la figure 4. Dans ce cas,on pourra faire partir le début de l'application de la force impulsionnelle entre les points A et B de la courbe de la figure 3.Le rendement optimum sera obtenu,suivant le procédé défini précédemment, en faisant partir le début des impulsions électriques de telle façon qu'elles correspondent avec une position du noyau 8 à l'intérieur du bobinage 6 donnant la valeur d'accord de la " self-induction ".Ce réglage du début des impulsions électriques dans le temps, par rapport à la position du noyau 8 dans le bobinage 6, est effectué à l'aide du potentiomètre 11 réglant la périodicité des impulsions de commande. Pour réaliser ceci concrètement,le marteau et notamment son dispositif de percussion électro-magnétique,peuvent être réalisés de la façon suivante, illustrée par la figure 5 L'électro-aimant 7 comprend un bobinage en spires rangées 6, entouré d'un blindage en métal ferro-magnétique formé de deux pièces 14 et 15, qui constitue le circuit magnétique fixe extérieur. A l'intérieur du bobinage 6, et suivant l'axe de celui-ci, est disposée une pièce polaire fixe 16 en matériau ferro-magnétique qui occupe une partie de la cavité définie par le bobinage.La pièce polaire 16 comporte, suivant son axe,un alésage servant de logement pour un emmanchement d'outil,dont la partie arrière 17 reçoit les chocs produits par le noyau mobile 8. C noyau mobile 8 est monté lui aussi dans l'axe du bobinage 6, en opposition avec la pièce polaire 16, et de manière à pouvoir se déplacer suivant cet axe. La matière utilisée pour ce noyau doit être un matériau magnétique et doit aussi posséder les caractéristiques mécaniques nécessaires à sa fonction d'organe de percussion. Dans la partie médiane du noyau 8 est ménagé un filetage -au même pas que le ressort t ce qui permet d'assembler le noyau 8 et le ressort 9,le verrouillage de cet assemblage étant obtenu par la formation d'un ergot à l'extrémité du ressort,en pliant celle-ci vers l'intérieur et en logeant l'ergot ainsi formé dans un trou ménagé à cet effet dans le noyau.L'autre extrémité du ressort 9 est assemblée de la même manière autour d'une pièce 18 solidaire d'un premier élément de carter 19 et constituant le point fixe,par rapport au bobinage, du ressort de suspension. Le guidage du noyau 8 est assuré par une bague de frottement métallique 20, en contact avec la partie avant du noyau, et par une autre bague de frottement 21,portée par la pièce 18 et en contact avec la queue formant la partie arrière du noyau. Un deuxième élément de carter 22 entoure la partie de l'électro-aimant 7 comprenant le bobinage 6. L'appareil comprend encore à sa partie avant un troisième élément de carter 23 entourant une douille de guidage 24 de l'outil de travail 25 (en forme de pic par exemple), un amortisseur élastique 26, et une butée élastique 27, retenue par un écrou de maintien 28. Les trois éléments 19,22 et 23 du carter sont réunis au moyen de tirants 29 qui réalisent l'assemblage de l'ensemble. Enfin, l'arrière de l'appareil comporte une poignée 30 ainsi que l'arrivée du cordon d'alimentation 31. Les figures 6 et 7 représentent,de façon très schématique, l'électro-aimant 7 précédemment décrit,pour illustrer une caractéristique additionnelle de l'invention. Suivant celle-ci, le blindage 14 15 et la pièce polaire 16 sont réalisés dans un matériau magnétique présentant une hystérésis magnétique la plus faible possible, par exemple en fer pur ou acier allié au silicium,dont la force coercitive varie entre 0,4 et 0,85 oersted. Au contraire, le matériau utilisé pour le noyau 8 a une hystérésis plus importante; il s'agit par exemple d'acier au carbone, d'acier allié au nickel-chrome-molybdène,d'acier allié au manganèse,traité par trempe à coeur,dont la force coercitive est rle l'ordre de 15 à 60 oersted A titre d'exemples, la figure 8 montre le cycle d'hystérésis I de l'acier au silicium pouvant être utilisé pour le circuit magnétique fixe, et le cycle d'hysrérésis II de l'acier au carbone trempé utilisé pour le noyau mobile, pour mettre en évidence la différence entre les matériaux respectifs utilisés, le cycle d'hystérésis étant beaucoup plus"large " pour le matériau du noyau. En regard des vues en coupe des figures 6 et 7,- on a indiqué les courbes d'intensité i=f(t) en fonction du temps, respectivement pour la première alternance et le début de la deuxième alternance. La figure 7 montre en particulier comment, au début de la deuxième alternance,donc Juste après le changement de sens du courant, deux pôles de même nom coexistent d'une part sur la pièce polaire fixe 16,d'autre part sur le noyau 8, et provoquent l'effet de répulsion signalé plus haut. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation de ce marteau électro-magnétique décrite ci-dessus à titre d'exemple;elle en embrasse,au contraire,toutes les variantes comportant des moyens équivalents, et c'est ainsi notamment que tous dispositifs de suspension élastique de la masse mobile, fournissant un mouvement oscillant de celle-ci,pourront être utilisés à la place du simple ressort,sans que l'on s'éloigne du cadre de l'invention. -REVENDICATIONS - 1.-Perfectionnement aux marteaux électro-magnétiques,du genre de ceux comprenant un électro-aimant dont le bobinage est apte à attirer un noyau plongeur déplaçable suivant l'axe du bobinage,avec,pour accumuler l'énergie électrique et la restituer brutalement dans le bobinage de 1'électro-aimant,des condensateurs dont la charge est contrôlée par un premier thyristor et dont la décharge,créant une impulsion de courant électrique de courte durée dans le bobinage de l'électro-aimant, provoquant lfattraction du noyau plongeur et le choc de l'outil de percussion, est contrôlée par un second thyristor,les électrodes de commande des thyristors de charge et de décharge étant reliées à des circuits de commande électroniques délivrant des impulsions sur chacune d'elles,caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à prévoir des moyens permettant un réglage du début des impulsions électriques dans le temps, par rapport à la position du noyau plongeur dans le bobinage, de telle manière qu'on puisse ajuster le coefficient de "self- induction " et mettre en résonance les deux systèmes vibratoires, l'un électrique et l'autre magnéto-mécanique,constitués le premier par la " self-induction n du bobinage et la capacité des condensateurs précités, et le second par la masse mobile du noyau plongeur soumise à la force impulsionnelle du champ magnétique produit par le bobinage. 2.- Marteau électro-magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant un réglage du début des impulsions électriques sont réalisés sous la forme d'un potentiomètre associé aux circuits de contrôle électroniques et réglant la périodicité des impulsions de commande. 3. - Marteau électro-magnétique selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ca que la pièce polaire fixe et le blindage de l'électro-aimant sont réalisés dans un matériau magnétique présentant une hystérésis magnétique la plus faible possible, alors que le matériau utilisé pour le noyau a une hystérésis plus importante.