Brevet FR2529029A1 — publié le 19831223

MOTEUR LINEAIRE POUR LE DEPLACEMENT D'UNE CHARGE LE LONG D'UNE TRA3ECTOIRE L'invention concerne un moteur linéaire pour le déplacement d'une charge le long d'une trajectoire. Elle peut en particulier être appliquée pour véhiculer des pièces d'un poste de travail à un autre dans divers secteurs industriels. Les équipements de transferts actuellement en place sur les channes industrielles de fabrication ou de montage sont essentiellement pneumatiques et, de par leur conception, n'autorisent que des déplacements lents, à des vitesses inférieures à environ 1 mètre par seconde. On con nait également des moteurs électriques linéaires qui présentent les graves défauts de conduire à des consommations électriques importantes et de développer des puissances disponibles peu élevées ne permettant de véhiculer que des charges réduites. La présente invention se propose d'indiquer une nouvelle solution au problème du transfert d'une charge d'un point à un autre en fournissant un nouveau type de moteur linéaire. Un objectif essentiel de l'invention est de fournir un moteur linéaire autorisant des transferts de grande amplitude, à vitesses élevées (de 11 ordre de 1 à 5 m/s et même davantage). Un autre objectif est de permettre le transport de charges relativement lourdes, ayant des masses pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de kilogrammes. Un autre objectif est de fournir un moteur de prix de revient réduit, déterminant des consommations énergétiques modérées compatibles avec une utilisation comme moyen de transfert de pièces dans une chaine. A cet effet, le moteur linéaire conforme à l'invention, destiné à assurer le déplacement dune charge le long d'une trajectoire, comprend essentiellement deux ensembles mobiles, comportant, l'un un noyau en matériau magnétique, l'autre une bobine électro magnétique, des moyens de guidage desdits ensembles mobiles s'étendant parallèlement à la trajectoire de la charge à déplacer et positionnés pour autoriser, sur toute leur longueur, un couplage électromagnétique du noyau du premier ensemble avec la bobine du second, des moyens d'entrainement de l'un des deux ensembles mobiles le long desdits moyens de guidage, la charge à déplacer étant liée à l'autre ensemble mobile, et des moyens d'excitation électrique de la bobine du second ensemble, adaptés pour pouvoir générer dans celle-ci un courant apte à développer entre ladite bobine et le noyau magnétique de l'autre ensemble, des forces électtromagnétiques engendrant un verrouillage magnétique des deux ensembles mobiles. Les moyens de guidage du noyau magnétique sont avantageusement constitués par un tube en un matériau amagnétique ou faiblement magnétique, à l'intérieur duquel est logé ledit noyau magnétique, ce dernier ayant une section adaptée à la section intérieure dudit tube en vue de pouvoir coulisser à l'intérieur de celui-ci avec un faible jeu. La bobine électromagnétique présente alors, de préférence, une forme annulaire ou partiellement annulaire et est agencée autour du tube de guidage du noyau magnétique, ladite bobine comprenant un bobinage électrique et une carcasse ferromagnétique possédant une portion cylindrique disposée autour dudit tube avec un faible Jeu. Les moyens de guidage de ladite bobine peuvent en particulier comprendre deux rails porteurs, parallèles au tube précité et situés de part et d'autre de celuici, et des moyens de roulement, solidarisés à ladite bobine du côté de chacun des rails et adaptés pour coopérer avec lesdits rails. Par ailleurs, selon un mode de réalisation préféré, les moyens d'entrainement de l'ensemble mobile non chargé sont pneumatiques ou hydrauliques et adaptés pour exercer sur le noyau magnétique des forces de poussée engendrant son déplacement dans un sens et dans l'autre le long des moyens de guidage précités. Le principe de fonctionnement du moteur linéaire conforme à l'invention est le suivant. L'ensemble mobile non chargé (en particulier le noyau dans le mode de réalisation visé plus haut) joue le rôle de projectile et est amené à circuler le long des moyens de guidage,par les moyens d'entrainement qui lui sont associés et ce, jusqu'à atteindre des vitesses qui peuvent être très élevées. Lorsque ce noyau parvient à proximité de la bobine électromagnétique, celle-ci est excitée dans des conditions propres à assurer son "accrochage magnétique" avec le noyau, qui la met brusquement en mouvement et lentraIne le long des moyens de guidage ; après son accrochage magnétique, la bobine est électriquement excitée pour assurer le maintien de cet accrochage jusqu'en fin de parcours ; son excitation est et alors interrompue, Iselon l'application envisagée, des moyens de freinage peuvent être prévus pour permettre de l'arrenter de façon appropriée. La charge peut alors être déposée et la la phase retour peut s'effectuer en sens inverse de façon analogue, jusqu'à ramener le noyau et la bobine à leur point de départ pour l'accomplissement d'un nouveau cycle. Le moteur conforme à l'invention utilise donc deux formes d'énergie différentes, d'une part l'énergie électrique pour assurer le verrouillage entre le noyau et la bobine, d'autre part, une autre forme d'énergie, en particulier pneumatique (ou hydraulique) pour entrainer le noyau. Le noyau indépendant de la charge dans la première partie de son parcours peut ainsi être lancé à très grandes vitesses et engendrer une mise en mouvement très rapide de la bobine et de la charge lors du verrouillage magnétique. Comme les expérimentations l'ont démontré dans le cas d'un moteur électropneumatique, les vitesses atteintes par la charge peuvent être élevées (largement supérieures à tres 1 m/s) et les démarrages et arrêts de celle-ci/brusques, ce qui permet d'effectuer des transferts de pièces à très grandes cadences, sur des déplacements de plusieurs mètres. La consommation d'énergie électrique pour assurer et maintenir le verrouillage entre la bobine et le noyau est faible de sorte que la consommation énergétique totale du moteur porte essentiellement sur l'autre forme d'énergie, en particulier énergie pneumatique ou hydraulique que l'on sait utiliser de façon très économique, avec des rapports consommations/puissances développées, relativement faibles. Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'invention, le moteur linéaire est avantageusement équipé de moyens de détection de l'approche du noyau par rapport à la bobine électromagnétique, moyens de détection qui sont reliés aux moyens d'excitation électrique, en vue de déclencher ces moyens d'excitation lorsque le noyau parvient au niveau de la bobine et assurer le verrouillage magnétique de cette dernière En outre, en vue d'assurer un verrouillage magnétique entre bobine et noyau dans les conditions les plus économiques sur le pla?, énergétique, les moyens d'excitation électrique comprennent de préférence, d'une part, un circuit de décharge apte à délivrer une brève impulsion de courant d'intensité élevée lors du déclenchement des moyens d'excitation, en vue d'nerer l'aorochage magnétique, et d'autre part, un circuit d'alimentation apte à délivrer un courant permanent d'intensité plus faible après ladite impulsion, en vue d'assurer le maintien de l'accrochage magnétique. L'invention ci-dessus exposée dans sa forme générale sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés qui en présentent à titre non limitatif, un mode de réalisation ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description : . la figure 1 est une vue en coupe axiale par un plan vertical AA d'un moteur linéaire électropneumatique conforme à l'invention, . la figuretenest une vue en coupe transversale par un plan BB, . la figure 3 est une vue de dessus dudit moteur, . la figure 4 en est une vue de détail en coupe par un plan CC, la figure 5 est un schéma synoptique des circuits électriques de commande dudit moteur, cependant que la figure 6 représente un exemple de circuit de détection. Le moteur linéaire électropneumatique représenté à titre d'exemple aux figures comprend un tube cylindrique rectiligne 1 qui peut s'étendre par exemple entre deux postes de travail pour le transfert de pièces. Ce tube peut être en titane ou en acier inoxydable, de façon à être amagnétique (ou très faiblement magnétique) et à présenter de bonnes caractéristiques mécaniques. Le tube 1 est maintenu à ses deux extrémités par des embouts tels que 2, qui sont adaptés pour autoriser une mise sous pression pneumatique ou une mise à l'air libre taré de l'intérieur du tube. Comme le schématise la figure 4, le tube 1 est monté "flottant" danstchaque embout 2 grâce à des blocs de mousse 3 prévus dans les embouts. Ce montage permet de réduire à quelques centièmes de mm le jeu fonction- nel entre bobine et tube sans risque de coincement. Chaque embout 2 possède un organe 4 permettant de faire communiquer l'intérieur du tube avec une source de fluide sous pression (non représentée) et un organe taré 5 permettant de réaliser une mise à l'air libre de l'intérieur dudit tube. Des distributeurs classiques (non représentés) sont prévus pour établir à la commande les communications appropriées entre extrémités du tube et sources de pression ou moyens de mise à l'air libre ou, au contraire, pour fermer ces communications. Le tube 1 contient un noyau magnétique 6 en métal ferreux, de forme cylindrique adaptée pour lui permettre de coulisser avec un Jeu très faible à l'intérieur du tube 1. Ce noyau peut ainsi être amené à circuler à grande vitesse d'un côté à l'autre du tube, en mettant en pression l'une de ces faces et à l'air libre la face opposée. Autour du tube 1, est disposée une bobine électromagnétique 7 qui est composéed'une carcasse ferromagnétique 8 de forme annulaire et d'un bobinage de puissance 9 contenu dans ladite carcasse. Cette dernière présente en regard du tube 1 une portion cylindrique distante d'un très faible Jeu de l'ordre de quelques centièmes de mm par rapport à la surface externe du tube, de façon à réaliser entre noyau et bobine un entrefer de très faible épaisseur. Outre son bobinage de puissance 9, la bobine 7 comporte un enroulement auxiliaire (notamment d'une dizaine de spires) symboiisé en 10 sur les schémas des figures 5 et 6, qui permet de détecter les variations d'inductance engendrées dans la bobine par l'approche du noyau 7. La charge déplacer est accrochée à la bobine 7 par tout moyen approprié fonction de l'application envisagée. La bobine 7 est supportée et guidée le long du tube 1, par des rails parallèles 11 et 12, disposés audessous de celle-ci, de part et d'autre de son axe ; la bobine est munie extérieurement de deux ensembles de roulement 13 et 14 qui coopèrent avec les rails 11 et 12. Pour écArter tout risque de coincement, les ensembles de roulement 13 et 14 sont adaptés pour constituer un système isostatique ; l'ensemble 13 est composé de galets qui assurent un appui ponctuel de part et d'autre du rail 11 prévu de section rectangulaire, cependant que l'ensemble 14 est constitué de deux douilles à billesodécal- lées le long du rail 12 et qui assurent une liaison pivotante autour de ce rail prévu de section cylindrique. I1 est à noter que, pour de lourdes charges, chaque douille à billes est de préférence remplacée par un système connu à 3 galets à 1200. Les rails 11 et 12 sont fixés de façon classique sur une membrure-porteuse 15 qui s'étend parallèlement au tube 1 et porte à son extrémité les embouts 2. Par ailleurs, le moteur linéaire est muni de moyens de freinage, qui en l'exemple sont constitués par une paire d'électro-freins à friction 16 et 17, disposée à chaque extrémité du tube 1 ; chaque frein possède des garnitures aptes à venir serrer une courte ailette tellequel8 qui s'étend horizontalement de chaque côté de la bobine 7. I1 est également possible de prévoir un (ou deux) electrofrein monté sur la bobine mobile et coopérant avec une ailette fixe, s'étendant le long du tube 1 et fixée sur la mem- brure 15 ; cette variante exige la présence d'une ailette de grande longueur mais donne beaucoup plus de souplesse pour arrêter la bobine en tout point du parcours. La figure 5 est un schéma synoptique des moyens électriques de commande du moteur. Le bobinage 9 est alimenté par l'entremise d'un interrupteur électronique 19 (thyristor ou autre) soit par une source de courant continu 20 en série avec un élément résistif 21, soit par une batterie de condensateurs 22, chargée par une source de courant à faible temps de montée 23. Les enroulements auxiliaires 10 de la bobine détectent l'approche du noyau et engendrent un signal qui est traité dans un ensemble 24 ; le signal traité est reçu dans une unité centrale de gestion 25 adaptée pour mettre, à l'instant approprié, l'interrupteur 19 dans un état de conduction correspondant à la décharge des condensateurs 22 dans le bobinage,9. L'impulsion de courant de haute intensité délivrée assure l'accrochage magnétique de la bobine avec le noyau, et l'unité 25 commande ensuite l'interrupteur 19 pour assurer une alimentation continue du bobinage 9 par la source 20, afin de maintenir l'accrochage magnétique jusqu'en fin de parcours. En fin de parcours un ordre externe délivré à l'unité de gestion engendre l'interruption de l'alimentation électrique de la bobine, la mise en oeuvre des moyens de freinage de ladite bobine et une commande pneumatique en vue de l'arret du noyau. L'ordre externe précité peut être fourni par des capteurs de position de type classique (micro-contacts ou autre) disposés sur le parcours de la bobine. A titre illustratif, la figure 6 est un schéma d'un ensemble de traitement du signal de détection auxi iaîre délivré par l'enroulement 10 de la bobine. Cet enroulement est alimenté par une source 26 de tension alternative de faible amplitude (de l'ordre de quelques volts) et de fréquence élevée (quelques kilohertz) afin de s'affranchir de la vitesse élevée du noyau et d'accroitre la précision de la détection des variations d'inductance ; la tension image du courant est relevée aux bornes d'un shunt 27, amplifiée dans un amplificateur 28, redressée à travers un pont à diode 29 et filtrée dans un étage approprié 30, avant d'être comparée à une tension de référence dans un comparateur 31 délivrant un signal qui change d'états lorsque le noyau parvient à proximité de la bobine. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description précédente mais en comprend toutes les variantes. REVENDICATIONS 1/ - Moteur linéaire pour le déplacement d'une charge le long d'une trajectoire, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles mobiles, comportant, l'un un noyau (6) en matériau magnétique, l'autre une bobine électromagnétique (7). des moyens de guidage desdits ensembles mobiles (1, 11, 12) s'étendant parallèlement à la trajectoire de la charge à déplacer et positionnés pour autoriser, sur toute leur longueur, un couplage électromagnétique du noyau du premier ensemble avec la bobine du second, . des moyens d'entrainement de l'un des deux ensembles mobiles le long desdits moyens de guidage, la charge à déplacer étant liée à l'autre ensemble mobile, ét des moyens d'excitation électrique de la bobine du second ensemble, adaptés pour pouvoir générer dans celle-ci un courant apte à développer entre ladite bobine et le noyau magnétique de l'autre ensemble, des forces électromagnétiques engendrant un verrouillage magnétique des deux ensembles mobiles. 2/ - Moteur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage du noyau magnétique (6) sont constitués par un tube (1) en un matériau amagnétique ou faiblement magnétique, à l'intérieur duquel est logé ledit noyau magnétique, ce dernier ayant une section adaptée à la section intérieure dudit tube en vue de pouvoir coulisser à l'intérieur de celui-ci avec un faible jeu. 3/ - Moteur linéaire selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'entre nement comprennent des moyens pneumatiques ou hydrauliques, adaptés pour exercer sur le noyau magnétique (6) des forces de poussée engendrant son déplacement dans un sens et dans l'autre le long des moyens de guidage (1) précités. 4/ - Moteur linéaire selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé ence que les moyens d'entrainement pneumatiques ou hydrauliques du noyau comprennent une source de fluide sous pression, des moyens de communication entre ladite source et les deux extrémités du tube (4), des moyens tarés de mise à l'air libre de ces extrémités (5), et des distributeurs pneumatiques ou hydrauliques adaptés pour établir à la commande des communications entre les extrémités du tube et la source de pression ou entre ces extrémités et les moyens de mise à l'air libre ou, au contraire, pour fermer ces communications. 5/ - Moteur linéaire selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que la bobine électromagnétique (7) présente une forme annulaire ou partiellement annulaire et est agencée autour du tube de guidage (1) du noyau magnétique, ladite bobine comprenant un bobinage électriq une ,,e carcasse ferromagnétique (8) possédant une portion cylindrique disposée autour dudit tube (1) avec un faible jeu. 6/ - Moteur linéaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de guidage de la bobine électromagnétique comprennent deux rails porteurs (11, 12), parallèles au tube (1) précité et situés de part et d'autre de celui-ci, et des moyens de roulement (13, 14), solidarisés à ladite bobine du côté de chacun des rails et adaptés pour coopérer avec lesdits rails. 7/ - Moteur linéaire selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10) de détection de l'approche du noyau magnétique (6) par rapport à la bobine (7), lesdits moyens étant reliés aux moyens d'excitation électrique en vue de déclencher ces derniers lorsque le noyau magnétique parvient au voisinage de la bobine. 8/ - Moteur linéaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de détection précités comprennent un enroulement auxiliaire (10) disposé dans la bobine (7) pour déceler la variation d'inductance due à l'approche du noyau magnétique (6), ledit enroulement étant agencé pour commander un interrupteur électronique (19) auquel sont asservis les moyens d'excitation électrique (20, 21, 22, 23). 9/ - Moteur linéaire selon l'une des reven dications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens d'excitation électrique comprennent un circuit de décharge (22, 23) apte à délivrer une impulsion de courant d'intensité élevée lors du déclenchement desdits moyens, et un circuit d'alimentation (20, 21) apte à délivrer un courant permanent d'intensité plus faible après ladite impulsion. 10/ - Moteur linéaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de freinage (16, 17) de la bobine électromagnétique (7) adaptés pour permettre d'immobiliser celle-ci en fin-de parcours.