Brevet FR2489893A1 — publié le 19820312

1. Des pompes à pistons avec un entrainement mécanique sont déjà connum depuis l'antiquité. L'actionnement par la vapeur a surtout été utilisé dans l'exploitation minière et sur les locomotives. L'actionnement électrique de pompes à pistons s'est effectué la plupart du temps par le biais d'un mouvement de rotation à partir de moteurs électriques. Il existe également des pompes avec un piston oscillant entratné électromagnétiquement, connues sous le nom de compresseurs à action réciproque. Dans ces pompes, la force d'entraînement est engendrée dans des systèmes fermés en fer en ce qu'on insère dans le circuit magnétique le piston luimême ou bien une pièce ferro-magnétique conductrice de lignes de force reliée à ce piston, et dont la position influence la résistance magné- tique de ce circuit. Les inconvénients sont le mauvais rendement et la constante électrique de temps élevée qui limite la fré- quence de déplacement. Pour des processus rapides de pompage ou d'injection, par exemple dans le cas d'une application comme pompe d'injection sur un véhicule automobile, cela constitue une limitation non souhaitable. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à ceeffet une pompe à piston actionnée électromagnétiquement et agissant d'un seul côte, pompe carac- térisée en ce que le piston est réalisé sous la forme d'un cy- lindre avec un perçage traversant, cylindre réalisé en un maté- riau de haute rémanence et de haute force coercitive, par exem- ple en cobalt-samarium, ce piston étant magnétisé axialement de façon permanente et se déplaçant d'un mouvement de va et vient, dans une douille de déplacement en un matériau non magnétique, entre les pôles de deux électro-aimants disposés coaxialement, sous l'influence d'un courant d'excitation, le circuit magnéti- que étant respectivement fermé par l'intermédiaire d'une pièce commune, conductrice des lignes de force, et orientée radiale- ment dans le milieu du piston, une soupape, placée de préféren- ce dans le perçage longitudinal axial du piston, assurant l'é- coulement vers un seul côté. La pompe conforme à l'invention ci-dessus dé- finie élimine les inconvénients précités, et rend possible en outre, une commande de la vitesse et de la position du piston 2.- selon des lois de temps prédéterminées. Dans le cas d'un cylindre sans perçage tra- versant, cet écoulement dirigé d'un seul c8té peut également être obtenu grâce à un canal muni d'une soupape de retenue qui passe à travers la partie immobile de la pompe en reliant les espaces creux cylindriques qui se trouvent devant les faces frontales du piston. La partie immobile de la pompe est constituée, selon la figure 1, des noyaux de fer coaxiaux 1 et 2, en forme de coquilles, avec les bobinages 3 et 4 et la pièce commune an- nulaire 5 conductrice de lignes de force. Entre les p8les cen- traux, munis de perçages traversants, des noyaux 1, 2, est insé- rée une douille de déplacement 6 non magnétique, qui s'adapte à l'alésage de la pièce conductrice 5, L'espace cylindrique ain- si créé entre les surfaces polaires des noyaux 1 et 2, est rem- ili dans une large mesure par le piston 7 réalisé en un maté- riau ferro-magnétique de haute rémanence et haute force coerci- tive, par exemple en cobalt-samarium. Dans le perçage 11, muni d'un siège conique 10, de ce piston, se trouve la bille de sou- pape 8 non magnétique. La liaison de l'espace cylindrique de la pompe audessus du piston avec l'espace cylindrique au-dessous du piston, peut également s'effectuer par l'intermédiaire d'un canal passant à travers la partie immobile de la pompe et dans lequel est insérée une soupape de retenue. Cette soupape de retenue dans la canalisation d'alimentation emptche un re- tour de liquide à la source. Deux plaques circulaires 9 en ma- tériau non magnétique, placées contre les faces frontales du piston, emp8chent le collage magnétique du piston 7 sur les surfaces polaires des noyaux 1 et 2. Lorsque le piston, sous l'influence de cou- rants d'excitation doit être déplacé à travers les bobinages 3 et 4, deux types de magnétisation schématiquement représentés sur les figures 2 et 3 doivent être pris en considération. Dans le premier cas, selon la figure 2, le piston 7 est magnétisé sur toute sa longueur et les bobinages sont branchés de façon telle que les faces polaires des électro-aimants sont de même plarité lorsque la tension est appliquée, Il se produit alors à l'une des extrémités du piston 7, une attraction, à l'autre extrémité une répulsion et il en résulte une force K dont le sens dépend de la polarité de la source de tension. 3,- Une estimation quantitative approchée pour la force d'attraction au milieu du piston se traduit par Po u = a 02E o 0. est le flux produit par le piston magnétisé tandis que C est une constante. Les forces d'attraction supérieure et infé- rieure sont de m8me grandeur et de sens opposés, si bien qu'el- les se neutralisent. Si maintenant un flux supplémentaire 0st est engendré par les électro-aimants, ce flux s'ajoute à l'une des extrémités et au flux de l'aimant, tandis qu'il s'en sous- trait à l'autre extrémité. On a les forces: PO- C (0K + st) 2 FX =_C (0E _ 0) dont la résultante est donnée par la relation: F = F - = 4 ó0K 0st Cette force est proportionnelle au flux sup- plémentaire 0st et son signe s'inverse avec le signe de celui-ci le facteur 0E indique que grâce à l'aimant permanent, la puis- sance électrique est économisée et que, du fait d'un flux sup- plémentaire réduit pour un flux permanent élevé, tel que celui qui peut être notamment obtenu dans le cas des matériaux magné- tiques modernes à haute puissance, la constante de temps est également réduite. Dans le second cas selon la figure 3, les deux moitiés du piston 7 sont magnétisées en sens inverses, si bien que leurs faces frontales sont de même polarité. Les bobi- nages 3, 4 des électro-aimants 1, 2, sont branchés de façon telle que les faces polaires des électro-aimants sont de polari- tés opposées lors du passage du courant de commande. Ici égale- ment, le flux commandé s'ajoute au flux propre à une extrémité de l'aimant, tandis qu'il s'en soustrait à l'autre extrémité. Dans la position médiane, on a en conséquence à nouveau, une force proportionnelle au flux commandé. Dans le cas des nouveaux matériaux magnéti- ques hautement coercitifs, la perméabilité relative n'est que peu supérieure à 1. De ce-fait, il se formeentre les pôles des électroaimants 1, 2 et la pièce annulaire conductrice de ligne de force, le tracé de lignes de forces esquissé dans la figure 4, pour lequel à l'intérieur de l'aimant permanent on a un cham 4.- auxiliaire non homogène. De ce fait, la force résultante se trouve réduite par rapport à celle résultant d'un champ homogène. le champ dans le piston magnétique permanent peut être homogéné- isé par insertion dans le piston d'une plaque en un matériau faiblement magnétique, si bien que la force d'entra nement sus- ceptible d'être obtenue se trouve augmentée. Cet état de cho- ses est schématiquement représenté sur la figure 5. A partir de la pièce 5 conductrice de lignes de forces, les lignes d'induc- tion magnétique pénètrent radialement dans la plaque indiquée par des hachures. Elles sortent de cette plaque en étant orien- tées axialement et traversent alors, abstraction faite d'une certaine dispersion dont il n'est pas tenu compte sur la figure , les pièces cylindriques 13 et 14 magnétisées en permanence, également en direction pratiquement axiale, si bien qu'elles pénètrent comme précédemment selon la normale dans les faces polaires des électro-aimants 1, 2. La relation linéaire entre la force d'entrai- nement du piston et le courant, et notamment l'inversion possi- ble du sens de cette force, permet de commander le déroulement dans le temps du déplacement du piston par une évolution prédé- terminée du courant. C'est ainsi par exemple qu'une évolution linéaire dans le temps peut être imposée par un processus de régulations évolution pour laquelle la vitesse du piston est maintenue constante. Comme signal pour la vitesse du piston, on prendra en considération la tension induite par le déplace- ment de ce piston magnétique. Cette tension peut être extraite par des branchements fictifs, et être utilisée comme signal d'entrée d'un circuit pour la commande du courant alimentant les bobinages comme cela est indiqué sur la figure 6. Le courant d'excitation passe dans les bobinages 3 et 4 des électro-aimants par l'intermédiaire de l'installation de commande 15 et du branchement d'extraction 16. En 16, est formé le signal wist pour la vitesse instantanée du piston. La différence entre wist et la valeur théorique wsoll de la vitessecommande l'ins- tallation 15. En principe, le signal wist peut également être obtenu avec un bobinage distinct dans lequel le déplacement du piston magnétisé induit une tension proportionnelle à la vitesse. Si ce signal est intégré électriquement, il en résulte un signal de position. Par la réinjection, confor- mément à la figure 7, de ce signal dans l'installation 15 de commande du courant d'excitation, une position souhaitée peut être assurée. A cet effet, dans l'exemple choisi, il est prévu le bobinage de détection 17 qui commande l'intégrateur 18 et qui, par l'intermédiaire de celui-ci, délivre le signal de position Sist. Après soustraction de la valeur théorique sdoli de position, le signal est appliqué à l'installation de com- mande 15, qui peut par exemple être un régulateur PD et influ- ence ainsi le courant d'excitation. De cette façon un réglage à volonté d'un volume de déplacement déterminé de la pompe est possible, et ceci au choix en marche avant ou en marche arrière. Au lieu d'Otre détermindepar une intégration du signal de vites- se, la position peut également être mesurée par d'autres moyens de la technique de mesure des longueurs, par exemple par mesu- re de la fréquence porteuse, par mesure inductive, galvano- magnétique, ou optique. R B V E N D I C AT 1 0 N S 1.- Pompe à piston actionnée électromagnéti- quement et agissant dtun seul c8té, pompe caractérisée en ce le piston (7) est réalisé sous la forme d'un cylindre avec un perçage traversant, cylindre réalisé en un matériau de haute rémanence et de haute force coercitive, par exemple en cobalt- samarium, ce piston étant magnétisé axialement de façon perma- nente et se déplaçant d'un mouvement de va et vient, dans une douille de déplacement (6) en un matériau non magnétique, entre les pôles de deux électro-aimants (1, 2) disposés coaxialement, sous l'influence d'un courant d'excitation, le circuit magné- tique étant respectivement fermé par l'intermédiaire d'une piè- ce commune (5), conductrice des lignes de force, et orientée radialement dans le milieu du piston, une soupape (8), placée de préférence dans le perçage longitudinal axial (11) du piston, assurant l'écoulement vers un seul côté. 2.- Pompe à piston selon la revendication 1 caractérisée en ce que le piston (7) est magnétisé axiale- ment sur toute sa longueur, tandis que les bobinages (3, 4) des deux électro-aimants (1, 2) sont branches de façon telle que lors du passage du courant, deux pôles de même nom se trou- vent en face des surfaces frontales du piston (7). 3.- Pompe à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (7) comporte deux moitiés (13, 14) magnétisées axialement dans des sens opposes, dont deux pôles de noms différents se trouvent frontalement face à face lors de l'excitation des électro-aimants (1, 2). 4.- Pompe à piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, une plaque (12) d'un matériau faiblement magnétique est insérée dans le milieu du piq+'- (7), cette plaque se trouvant à l'intérieur de la pièce(5), étant de préférence de forme annulaire, conductrice des lignes de iorce et assurant une meilleure utilisation du matériau magnétique permanent. 5.- Pompe à piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le courant cir- culant dans les bohines (3, 4) des électro-aimants (1, 2) est commandé au moyen d'un circuit électronique de façon à obtenir le déroulement souhaité du déplacement du piston. 6.- Pompe à piston selon l'une quelconque 7.- des revendications 1 à 5s caractérisée en ce que, comme gran- deur d'entrée du circuit électronique, est utilisée une tension induite dans les bobinages (3-, 4) par le déplacement de l'ai- mant (7) et qui constitue une mesure pour la vitesse instanta- née de cet aimant. 7.- Pompe à piston selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'un bobinage distinct est prévu pour engendrer le signal de vitesse du pis- ton. 8.- Pompe à piston selon la revendication 6, caractérisée en ce que le signal de vitesse est transformé par intégration électrique en un signal de position qui est utilisé pour commander la course du piston.