Brevet FR2487974A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne une balance à compensation électro- magnétique de force, avec un plateau en haut, recevant le produit à peser, et une bobine mobile, parcourue par le courant, située dans l'entrefer d'un ensemble d'aimants permanents et produisant la force de compensation. Des balances de ce type sont connues et leur forme de réalisation habituelle est décrite par exemple dans le brevet US 4 062 416. L'en- semble d'aimants permanents est cylindrique et produit une champ magnétique horizontal, à symétrie radiale et dans lequel plonge une bobine d'axe vertical, de façon à produire une force de compensation verticale, qui compense directement le poids du produit pesé. Dans les balances à transmission par leviers aussi (cf. par exemple DE-28 53 074), l'ensemble d'aimants permanents est habituellement cylindrique et produit une force de compensation verticale. La forme cylindrique impose toutefois à l'ensemble d'aimants per- manents une hauteur relativement grande, déterminée par la hauteur du matériau magnétique et l'épaisseur des plaques polaires de part et d'autre. Cette hauteur détermine la hauteur minimale de la balance. Elle est critique, en particulier dans le cas de balances à compensa- tion directe avec un guidage rectiligne par parallélogramme articulé, car les éléments articulés doivent en outre être logés au-dessus et audessous de l'ensemble d'aimants permanents. La forme cylindrique est en outre défavorable dans le cas de matériaux qui, tels les matériaux magnétiques, ne permettent pas un usinage par enlèvement de copeaux. Le brevet US 3 322 222 décrit par ailleurs l'emploi d'une bobine sensiblement rectangulaire d'axe horizontal. Les côtés supérieur et inférieur de la bobine se trouvent alors dans le champ magnétique horizontal de deux aimants permanents en C, de sorte qu'une force de compensation verticale est produite directement. Une hauteur relativement grande en résulte dans ce cas aussi. La production d'ai- mants permanents en C est en outre coûteuse. L'invention vise par suite à développer une balance à compensa- tion électromangétique de force, de façon à permettre la réalisation d'un ensemble d'aimants permanents particulièrement plat. L'invention vise en outre à indiquer une forme de l'ensemble d'aimants permanents permettant une production économique. L'invention vise enfin à indi- quer un ensemble d'aimants permanents à coefficient de température réduit ou nul. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la bobine a une forme sensiblement rectangulaire; l'ensemble d'aimants permanents est constitué par des plaques rectangulaires d'un matériau magnétique à direction d'aimantation verticale, disposées au-dessus ou/et au- dessous des grands côtés de la bobine, et une culasse en fer doux, ce qui produit une force de compensation horizontale; et des moyens de renvoi de la force sont prévus entre la bobine et le plateau. La constitution de l'ensemble d'aimants permanents a l'aide de plaques rectangulaires d'un matériau magnétique permet la production économique et sans chutes de ces pièces, par simple sciage. Cette possibilité est particulièrement importante, car ces matériaux (alliages cobalt-samarium par exemple) sont coûteux et difficiles à usiner.La forme sensiblement rectangulaire de la bobine assure une utilisation optimale du champ magnétique pour la production de la force de com- pensation. La division du matériau magnétique en deux plaques affectées aux deux grands côtés de la bobine rectangulaire réduit de moitié la hauteur résultant du matériau magnétique par rapport à celle d'un aimant cylindrique classique. Il est indifférent que les deux plaques se trouvent au-dessus ou au-dessous de la bobine, ou soient de nouveau divisées, de façon que quatre plaques au total se trouvent au-dessus et au-dessous des grands côtés de la bobine rectangulaire. Dans une forme de réalisation préférentielle, la culasse en fer doux de l'ensemble d'aimants permanents est de même réalisé en plaques rectangulaires, sous forme d'un caisson ouvert à l'avant et à l'arrière. Une production simple et économique de ces plaques est également pos- sible par sciage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bobine est aussi plate que possible, c'est-à-dire présente une largeur de bobi- nage aussi faible que possible pour une grande hauteur de bobinage. Le rapport de la hauteur à la largeur de bobinage est au moins de 2/1. Pour un même nombre de spires et une même section du fil, il est ainsi possible de réduire l'entrefer recevant la bobine à un minimum, de sorte que la hauteur totale de l'ensemble d'aimants permanents demeure minimale. Un renvoi de force est nécessaire pour compenser le poids verti- cal du produit pesé par-la force de compensation électromagnétique horizontale. Ce renvoi de force est avantageusement réalisé avec ampli- fication simultanée, afin qu'une force de compensation électromagné- tique faible puisse équilibrer un poids élevé. Il est ainsi possible de maintenir le courant électrique dans la bobine et le champ magné- tique de l'ensemble d'aimants permanents à de faibles valeurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, le renvoi de force est obtenu à l'aide d'un levier coudé. Pour permettre un réglage facile de l'intensité du champ magné- tique, il est avantageux de fixer une plaque de la culasse en fer doux à l'aide de vis de réglage et de pouvoir ainsi ajuster l'intensité du champ à la valeur requise par une légère variation de l'entrefer. Il est également possible, par un choix approprié de la longueur libre des vis et de leur matériau, de compenser au moins approximativement l'influence de la température sur la rémanence du matériau magnétique par la variation de la largeur de l'entrefer en fonction de la tempé- rature, résultant du coefficient différent de dilatation thermique du matériau des vis. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est l'élévation latérale en coupe des pièces de la balance essentielles pour l'invention; la figure 2 représente en perspective l'ensemble d'aimants permanents, la bobine étant représentée par une seule spire; la figure 3 est la coupe d'une forme de réalisation particulière de l'ensemble d'aimants permanents; la figure 4a représente la bobine et l'aimant permanent d'une bobine ronde; et la figure 4b représente la bobine et l'aimant permanent d'une bobine sensiblement rectangulaire. 2487c74 La balance selon figure 1 est constituée par un support 1, so!i- daire du corps non représenté. Deux éléments articulés 4 et 5 sont fixés sur ce support 1 et guident, sous forme d'un parallélcgra=ne articulé, le déplacement vertical de la pièce de liaison 3 et du plateau 2. Les bras articulés 4 et 5 sont soit élastiques sur tcu-e leur longueur, soit rigides et munis d'étranglements élastiques aux points 6. La force exercée par le poids du produit sur le plateau 2 et la pièce de liaison 3 est transmise au bras court d'un levier cc:é 8 par un ruban d'accouplement 7. Le levier coudé 8 est monté sur le support 1 par l'intermédiaire d'un joint universel en feuillard 9. La bobine l! est fixée sur une saillie isolée 10 du bras long du levier coudé ?. Elle est bobinée selon une forme rectangulaire, avec des coins arrondis et sans carcasse, comme l'indique la spire de la vue en perspective de la figure 2. Elle se trouve entre les pôles d'un ensemble d'aimants permanents, constitué par quatre plaques rectangu- laires 12 à 15 du matériau magnétique et deux plaques 16 et 17 de fer doux formant la culasse. Les deux plaques 16 et 17 de fer doux sont maintenues par deux entretoises latérales 18 et 19 (figure 2). L'en- semble d'aimants permanents 12 à 19 est également fixé sur le support 1. Le matériau magnétique est aimanté verticalement; les deux plaques 12 et 13 présentent, par exemple, chacune le pôle nord magnétique sur leur face inférieure, tandis que les deux plaques 14 et 15 présernter.t le pôle nord magnétique sur leur face supérieure. Les lignes de champ magnétique passent ainsi dans l'exemple considéré de la plaque magné- tique 12 dans la partie de la bobine 11 située à gauche sur la figure ', la plaque magnétique 13, la plaque de fer doux 17, la plaque magnéti-que , la partie de la bobine 11 située à droite sur la figure 1, la plaque magnétique 14 et la plaque de fer doux 16, pour revenir à la plaque magnétique 12. Les deux grands côtés de la bobine rectan2.u!aire I1 sont ainsi traversés par un champ magnétique vertical, de serte qu'u:: courant dans la bobine 11 produit une force horizontale. Cette derniè-re s'exerce sur la saillie 10 du bras long du levier coudé Set y ee uiiit Lre le poids du produit pesé, s'exerçant sur le bras court du lev:er cce. Les détails de l'électronique correspondante, avec capteur de ste: et amplificateur régulateur, sont usuels dans les bascules Ac:ues. compensation de force électromagnétique, de sorte qu'une description est superflue. La bobine 11 est réalisée avec peu de spires contiguës, mais avec de nombreuses couches superposées. Il est ainsi possible de réduire l'écartement des plaques magnétiques 12 et 13 ou 14 et 15 de l'ensemble d'aimants permanents, ce quid'une part,favorise une faible hauteur de l'ensemble et répond,d'autre part,à l'exigence magnétique d'un entrefer étroit de grande section. La bobine sensiblement rectangulaire entraîne certes une produc- tion plus coûteuse que celle d'une bobine ronde, mais elle permet, pour la production d'une mime force, d'économiser les matériaux magnétique et de bobine, ainsi que la puissance électrique (chaleur dissipée), comme le montre la description suivante à l'aide des figures 4a et 4b. Une bobine ronde (111 sur la figure 4a), ayant un rayon moyen R, une hauteur de bobinage H et un nombre de spires n, produit dans un champ magnétique B et pour un courant I une force F de grandeur F = fB. I.sinp. dl = B. I. 2. n. R. f sinLp. dp =B. I. 4. n. R La longueur totale L du fil est alors L = 2.. R. n et la surface S requise de l'aimant 112 est S = 2. n R. H Une bobine rectangulaire (211 sur la figure 4b), ayant des côtés de longueur moyenne a ou b, une hauteur de bobinage H et un nombre de spires n, produit dans un champ magnétique B et pour un courant I une force F de grandeur: F = B.. 2. a. n La longueur totale L du fil est alors L=2. (a + b). n et la surface S requise de l'aimant 212 est S = 2. a. H Avec un grand côté a de la bobine rectangulaire égal au diamètre de la bobine ronde, soit a = 2. R, et b = a/3, la comparaison des formules montre que la force F produite est égale dans les deux cas, mais que la surface de l'aimant requise pour la bobine rectangulaire ne représente que la fraction 2/fr = 0,64 de la surface requise pour la bobine ronde et que la longueur totale du fil pour la bobine rec- tangulaire ne représente que la fraction 8/(3 r) = 0,85 de la longueur du fil pour la bobine ronde.le coût des matériaux pour la partie active de l'aimant et la bobine de compensation est donc plus faible pour une bobine rectangulaire que pour une bobine ronde. La longueur de fil plus faible pour la bobine rectangulaire se traduit en outre par une résistance électrique inférieure à la bobine et par suite une dissipation électrique plus faible. La longueur a de la bobine rectangulaire peut être légèrement supérieure à la longueur de la plaque de matériau magnétique. La longueur de la bobine intervenant dans la production de force est alors déterminée par la plaque de matériau magnétique, de sorte que des variations de longueur de la bobine, résultant par exemple d'un échauffement électrique en fonction de la charge, et des tolérances de montage n'exercent aucune influence en première approximation. La longueur a de la bobine rectangulaire peut par contre être légèrement inférieure à la longueur correspondante de la plaque de matériau magné- tique. La bobine détermine alors la longueur intervenant dans la pro- duction de la force et une variation de longueur de la bobine, due à la température, entraîne une variation égale de la force pour un même courant dans la bobine. Il est possible de tenir compte de ce phénomène pour la compensation thermique de l'ensemble d'aimants permanents, dans le cas de balances à résolution élevée par exemple. La rémanence du matériau magnétique et par suite le champ magnétique dans l'entrefer de l'ensemble d'aimants permanents diminuent quand la température augmente la longueur de bobine intervenant dans la production de la force augmen- te avec la température, par suite de la dilatation thermique. Cela suppose évidemment que la chaleur dissipée par la bobine soit rendue indépendante de la charge, ce qui peut s'obtenir par exemple à l'aide des moyens indiqués dans la demande de brevet DE-30 02 462, de sorte que la température de la bobine ne varie qu'avec la température ambiante. La réalisation de l'ensemble d'aimants permanents selon figure 3 permet d'obtenir une compensation thermique totale. Les deux branches latérales 18, 19 ne supportent pas directement la culasse supérieure 16 en fer doux, mais sont prolongées et portent ladite culasse 16 par l'intermédiaire de vis de réglage 20. Ces dernières assurent un réglage facile de l'entrefer pour la bobine 11 et permettent de choi- sir le matériau desdites vis 20 de façon que leur longueur augmente avec la température plus fortement que la longueur de la partie pro- longée de la culasse en fer doux 18, 19, de sorte que l'entrefer dimi- nue légèrement quand la température augmente. L'aluminium par exemple présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du fer doux. Moyennant un dimensionnement correct de la longueur libre des vis de réglage 20, cette largeur de l'entrefer en fonction de la température permet de compenser exactement la diminution de réma- nence du matériau magnétique quand la température augmente. Les autres détails de l'ensemble d'aimants permanents et de la bobine correspondante correspondent à ceux représentés aux figures 1 et 2. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Balance à compensation électromagnétique de force, avec un pla- teau en haut, recevant le produit à peser, et une bobine mobile, parcourue par le courant, située dans l'entrefer d'un ensemble fixe d'aimants permanents et produisant la force de compensation, ladite balance étant caractérisée en ce que la bobine (11) a une forme sen- siblement rectangulaire; l'ensemble d'aimants permanents est constitué par des plaques rectangulaires (12 à 15) d'un matériau magnétique à direc- tion d'aimantation verticale, disposées au-dessus et éventuellement au- dessous des grands côtés de la bobine, et une culasse en fer doux (16, 17) , ce qui produit une force de compensation horizontale; et des moyens (7 à 10) de renvoi de force sont prévus entre la bobine_ et le plateau. 2. Balance selon revendication 1, caractérisée par la réalisation de la culasse en fer doux (16 à 19) sous forme d'un caisson ouvert à l'avant et à l'arrière. 3. Balance selon une des revendications 1 et 2, caractérisée par la réalisation de la bobine (11) sous forme d'une bobine plate, le rapport de la hauteur à la largeur de bobinage étant au moins de 2/1. 4. Balance selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractéri- sée en ce que les moyens de renvoi de force (7 à 10) sont réalisés de façon à produire simultanément une amplification de force. 5. Balance selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractéri- sée en ce que les moyens de renvoi de force comprennent un levier coudé (8). 6. Balance selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractéri- sée en ce qu'une plaque (16) de la culasse en fer doux est fixée par des vis de réglage (20). 7. Balance selon revendication 6, caractérisée en ce que la longueur libre et le matériau des vis de réglage (20) sont choisis de façon que la variation de la rémanence du matériau magnétique -en fonction. de la température soit compensée, partiellement au moins, par la variation de largeur de l'entrefer en fonction de la température, résultant du coefficient de dilatation thermique.