Brevet FR2486620A1 — publié le 19820115

L'invention concerne une soupape électromagnétique dont le siège et le corps d'étranglement sont sphériques. On connaît déjà des soupapes à manoeuvre électro- magnétique dans lesquelles un c8ne, ou une bille, est poussé à l'aide d'un ressort sur un siège de soupape et assure, dans cette position, une fermeture étanche, et ainsi l'interruption d'un écoulement. Pour remettre l'écoulement en route, on attire la bille de son siège, contre la force du ressort, au moyen d'un électro-aimant, par l'intermédiaire d'une plaque en matière ferro-magnétique reliée à la bille. L'écoulement se poursuit aussi longtemps que l'électro-aimant maintient la plaque. Bien que ces soupapes aient déjà parcouru une longue vie de dévelop- pement, elles présentent cependant des inconvénients qui procè- dent de leur nature, et qu'il est difficile de surmonter. Elles présentent fondamentalement des temps morts importants. Cela résulte du diagramme de la figure 2, qui indi- que sur l'axe des temps la courbe de la tension, de l'intensité, de la force d'attraction, de l'accélération, de la vitesse et du parcours. Si au moment t = O, on applique une tension cons- tante U sur la bobine d'électro-aimant, comme cela se produit en général dans l'utilisation pratique, l'intensité monte sui- vant une fonction exponentielle I Ima (1 - e-t/t) à une valeur maximum ' Max = U/R ma o R signifie la résistance ohmique de la bobine, rc est sa constante de temps pour laquelle on a ' L/R, quand L repré- sente l'induction propre de la bobine. En conséquence, la force d'attraction monte de zéro suivant approximativement une fonction k1 M2 /1 o 1 est l'ouverture de la fente, et k, une constante dans laquelle rentrent la section du fer et le nombre de spires de la bobine, la résistance magnétique dans le fer étant négligea- ble. Au moment t1 la force d'attraction magnétique atteint la valeur de la force du ressort Ff! majorée de la force de pres- sion, et la bille est alors soulevée. Pour la force de pression l'équation Fp = p -A est valable. A est ici la surface active, A partir de ce moment, la force du ressort diminue linéairement, la force d'attraction augmente dans une proportion plus forte, car d'une part l'in- tensité augmente et d'autre part, la fente d'air diminue, La force de la pression s'évanouit sur un court parcours. La force d'attraction maximum est atteinte sur la butée supérieure au moment t2. Si la tension est coupée au moment t3 et s'il est prévu une diode de marche à vide, l'intensité s'évanouit alors normalement, d'une façon exponentielle. Toutefois, pendant le parcours de la bille, la constante de temps diminue ici parce que la fente d'air s'accroît. La force d'attraction diminue proportionnellement au carré de l'intensité, et également avec une valeur inverse de celle de la fente d'air, et la bille se déplace, accélérée, sur le siège avec lequel elle entre en con- tact au moment t4. Peu auparavant, la contre-pression p du liquide commence à s'établir à nouveau. Il résulte de ces considérations quelors de l'ou- verture et de la fermeture, des retards importants se produi- sent. Ces retards sont d'importance incertaine dans la mesure o la tension de fonctionnement, la résistance ohmique de la bobine et la contre-pression varient. En outre, la force d'attraction doit être mainte- nue pendant la durée de l'ouverture par le passage d'une inten- sité appropriée, de sorte qu'il se produit une perte d'énergie qui n'est pas négligeable. L'invention sera mieux comprise grâce à la des- cription ci-après d'un mode de réalisation, d'une soupape dont l'organe de commande est constitué par un aimant permanent, et grâce aux dessins annexés o: - la figure 1 représente schématiquement la dispo- sition, - la figure 2 est un diagramme en fonction du temps des courbes de la tension, de l'intensité de la force attractive, de l'accélération, de la vitesse et du parcours. - la figure 3 montre le comportement pratique. Suivant la figure 1, les noyaux en forme de coquil- les 1 et 2, en matière ferro-magnétique, de préférence à haute induction de saturation, contiennent des bobines (3 et 4) qui sont connectées de façon telle qu'un courant qui les parcourt produit sur les surfaces planes intérieures tournées l'une vers l'autre, des pôles de mêmes signes. Les lignes de champ magnéti- que partent des pales vers l'extérieur, vers l'enveloppe concen- trique formée par les coquilles. Pour condenser les lignes de champ, il est inséré, dans la partie centrale, un anneau (5) fait de la même matière ferro-magnétique que les coquilles for- mant les noyaux et qui est réalisé avec une mince couche d'une matière dont le coefficient de frottement est faible. Le noyau inférieur (2) est perforé axialement et est pourvu d'un siège de soupape (6) qui y est vissé. La surface intérieure polaire du noyau (1) porte une mince plaque (7) d'une matière amagnétique. Dans l'espace creux qui se trouve entre les p8les des noyaux et la paroi intérieure de l'anneau (5), est placé un cylindre à aimantation permanente, magnétisé axialement, en cobalt-samarium (8) par exemple. Il porte sur sa face inférieure une pièce d'acier qui est réalisée centrale- ment convexe, de préférence sphérique et qui est pousse par le cylindre (8) dans sa position inférieure de façon à fermer her- métiquement le siège de soupape. Dans cette position, la sur- face annulaire plane de cette pièce n'est que peu éloignée de la surface polaire du noyau (2). Dans le noyau inférieur sont insérés, au-dessus de l'enroulement, des tubes d'arrivée et d'évacuation (9 et 10) de l'écoulement. Par ces tubes peut passer par exemple continuellement un fluide que l'on soutire quand on ouvre la soupape. Le système magnétique possède les propriétés suivantes: 1.) Le plan de symétrie de l'anneau (5) constitue en même temps, quand l'aimant (9) est dans la position centrale, le plan de symétrie du champ magnétique. Quand les bobines ne reçoivent pas de courant, il n'est exercé dans cette position aucune force sur l'aimant. Il se trouve dans un équilibre instable. 2.) Si le noyau se déplace vers un des pôles des noyaux en coquilles la force d'attraction s'élève alors de ce côté pen- dant qu'elle baisse de l'autre c8té. Si l'entrefer est très petit, elle atteint une valeur très importante que l'on peut calculer d'après le flux qui traverse la surface frontale de l'aimant 0,5 B 2 A F = L o 4 2486620 BL signifie ici l'induction de la fente d'air, A, la surface de la section transversale, o la perméabilité du vide. Si l'on fait le calcul avec l'induction réalisable aujourd'hui de BL = 1 T, puis une section transversale disponi- ble de 0,5 cm2 = O5 10 m2, on obtient F = 0,5 - 1 - 0,5 - -4 / 1,26 - 10-6 W 20 N. Entre la pression p, contre laquelle la soupape doit pouvoir être encore hermétique, la force d'arrêt et la surface active A du corps d'étranglement, on peut considérer comme valable la relation p= F/A. Pour un cercle de contact du corps d'étranglement dans le siège de soupape de 4 mm, on obtient une surface active de 0,13 cm2. La force calculée peut ainsi équilibrer une pression de: 20 N 15 bars en équilibre 0 - 0,13 cm Pour évaluer l'action des enroulements sur l'aimant, considé- rons, pour simplifier, seulement la moitié du système qui est en-dessous du plan de symétrie. La figure 3 indique le comportement pratique. Le flux os produit par la bobine arrive dans l'enveloppe de l'ai- mant cylindrique et sort sur la surface frontale inférieure. Il se superpose avec le flux propre OE empreint, et produit en commun avec celui-ci, la force: F = C (0 +J)2 -Cl 2 -1 "'E>s l'0E = C1 (s2 + 2 0E os), o C1 est une constante. On doit tenir compte ici de ce que la perméabilité réversible de l'aimant permanent est pratiquement égale à-l. Prenons en plus, maintenant, la moitié supérieure du système; les termes en carrés sont chassés du fait que la polarisation des bobines est de sens contraire, le terme mixte est doublé. On a alors: A F = 4 C 0E F avec C1 A 0s représente ici le flux produit par chaque bobine quand l'aimant est dans la position centrale. Si cet aimant se déplace, les flux se modifient alors en sens contraire dans les deux moitiés du système magnétique de sorte qu'au moins en première approximation, la somme reste constante. Par rapport aux soupapes magnétiques connues, on obtient les avantages suivants: 1.) On n'a besoin d'aucun ressort, car la force d'attraction magnétique suffit, quand la soupape est fermée, pour supporter la pression. L'état d'ouverture pourra également être maintenu par la force d'attraction de l'aimant permanent. En conséquence des impulsions suffisent pour commander la soupape, de sorte que les besoins en énergie peuvent être fortement abaissés. 2.) En ajustant le tube vissé dans la coquille inférieure du noyau, on peut régler la force d'adhérence à l'état fermé de façon qu'elle atteigne exactement une valeur voulue. Grâce à ce réglage, l'intensité nécessaire pour le déblocage est ramenée à une valeur minimum, et le temps mort est diminué. 3.) Pour empêcher que le siège de soupape et le corps d'étran- glement soient endommagés et détériorés, on peut inverser la direction du courant quand la moitié du chemin est parcourue, et freiner ainsi le déplacement. En choisissant l'amplitude et la durée des impulsions on peut arriver à ce que l'opération se fasse en un temps optimum. On peut aussi concevoir l'idée d'utiliser, comme corps étrangleur, une bille en matière fortement magnétique. Dans ce cas, le siège de soupape devrait être fait d'une matière faiblement magnétique, afin d'être pris dans le flux magnétique, et le p8le supérieur devrait recevoir une cavité adaptée à la bille. 6 2486620 R E V E N D I C A T I 0 N S ) Soupape électromagnétique comportant un siège sphérique et un corps d'étranglement sphérique, caractériséeen ce que le corps d'étranglement est relié à un aimant permanent (8), qui se déplace, dans un espace creux formé par deux bobi- nes cylindriques (3, 4), et un anneau (5) ferromagnétique, entre les pôles cylindriques de deux noyaux (1, 2) en coquilles ferro-magnétiques, qui entourent les bobines, sous l'effet d'un courant passant dans les bobines et dans la direction de ce courant, ouvrant ainsi ou fermant la soupape. 2 ) Soupape électromagnétique suivant la revendi- cation 1, caractériséeen ce que l'aimant permanent est cylin- drique. ) Soupape électromagnétique suivant la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'on se sert d'impulsions pour commander cette soupape. 4 ) Soupape électromagnétique suivant l'une des revendications 1 et 2, caractériséeen ce que l'aimant permanent est freiné, à mi-chemin de son parcours, par une impulsion de signe opposé. ) Soupape électromagnétique dont le siège et le corps d'étranglement sont sphériques, caractériséeen ce que le corps d'étranglement lui-rhême est fait d'une matière magnétique et constitue l'aimant permanent.