Brevet FR2545974A1 — publié le 19841116

La présente invention concerne les dispositifs électromagnétiques du type comprenant une structure de noyau ou de stator, une armature mobile par rapport à la structure de noyau, au moins une pièce polaire définie par ladite structure de noyau, un enroulement d'excitation bobiné autour d'une partie de la struc- ture de noyau et qui, lorsqu'il est alimenté en courant électrique, excite un flux magnétique dans ladite pièce polaire, ladite pièce polaire définissant une face polaire entre laquelle face polaire et l'armature un flux magnétique peut traverser un entrefer s'éten- dant dans la direction du déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau, et un entrefer de retour défini entre l'arma- ture et la structure de noyau. Le but de l'invention est de proposer un dispositif électromagnétique du type indiqué, sous une forme améliorée. Selon l'invention, dans un dispositif électromagnétique du type indiqué, ledit entrefer de retour s'étend dans une direction sensiblement à angle droit à la direction du déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature, la structure de noyau portant un enroulement supplémentaire servant à exciter un flux dans ladite pièce polaire suivant la même direction que ledit enroulement men- tionné en premier, le dispositif comportant un entrefer de retour supplémentaire pour le flux produit par ledit enroulement supplémen- taire, ledit entrefer de retour supplémentaire s'étendant également dans une direction sensiblement à angle droit de la direction du déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: les figures 1 à 3 présentent chacune deux vues de dispositifs électromagnétiques, les dispositifs situés sur la gauche des figures étant des dispositifs classiques,, et ceux situés sur la droite montrant la modification apportée selon l'invention aux dispositifs classiques, et la figure 4 montre une autre modification. 2 2545974 Dans le dispositif classique présenté sur la figure 1, la structure de noyau a une forme annulaire et une section en "E" et elle définit une pièce polaire annulaire extérieure 10 et une pièce polaire intérieure Il qui s'étend au-delà de la pièce polaire 10 et qui passe au travers d'une ouverture formée dans une armature 12 Autour de la pièce polaire intérieure, se trouve un enroulement 13 La pièce polaire 10 définit une face polaire annulaire qui est présentée à l'armature, l'entrefer entre la face polaire et l'armature s'étendant dans la direction du déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau L'entrefer existant entre la pièce polaire intérieure 11 et la paroi de l'ouverture ménagée dans l'armature s'étend suivant une direction perpendiculaire & la direction du déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau. Lorsque l'enroulement reçoit un courant électrique, les pièces polaires 10 et 11 acquièrent des polarités magnétiques opposées, un flux passant dans les deux entrefers Le flux passant dans l'entre- fer défini entre la face polaire 10 et l'armature 12 crée une force agissant sur l'armature afin de rapprocher 10 armature de la pièce polaire 10. Dans le montage présenté sur la figure 2, la pièce polaire intérieure 14 possède la même longueur axiale que la pièce polaire 10 et l'armature 15 n'est pas dotée d'une ouverture Dans cette construction, deux entrefers sont donc définis entre l'armature et la structure de noyau, mais les deux entrefers s'étendent suivant la direction du déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau Alors que, comme décrit, les dispositifs de la technique antérieure présentés sur les figures 1 et 2, le dispositif connu présenté sur la figure 3 étant le même que celui présenté sur la figure 2, sont d'une forme cylindrique, ceci n'est pas nécessaire et ils peuvent être de simples noyaux en ". Les dispositifs classiques possèdent un circuit magné- tique simple à un seul enroulement pour produire la force magnéto- motrice créant le flux Si l'on ne tient pas compte des fuites magnétiques, la section droite du circuit magnétique correspondant à une densité de flux spécifiée dans le circuit magnétique est déterminée par la section droite de l'entrefer et la densité de flux voulue dans l'entrefer. Les facteurs qui limitent la vitesse d'augmentation de la force et, par conséquent, la vitesse de déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature sont l'inductance, plus spécia- lement la constante de temps inductive qui limite le taux de montée du courant dans l'enroulement, et les courants de bord dans le courant magnétique qui limitent le taux de montée du flux dans celui-ci Pour tenter d'obtenir un fonctionnement plus rapide du dispositif, le but visé doit être de minimiser la constante de temps inductive ainsi que le temps nécessaire pour que le flux pénètre dans le matériau magnétique, ce que l'on appelle le temps de pénétration du flux L'inductance est unefonction des dimensions du noyau, du matériau dont il est formé, et des fuites de flux La vitesm depénétration du flux dépend du matériau du noyau et du niveau d'excitation, et le temps de pénétration du flux dépend de la vitesse de pénétration du flux et de la section droite du circuit magnétique, ou de la section droite de chacune des tôles du feuilletage dans le cas o le circuit magnétique est feuilleté. Une solution au problème consiste à produire un flux pour chaque pièce polaire qui est associée à un entrefer diminuant pendant le déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau à partir de deux circuits magnétiques et, par ce moyen, pour une aire de travail polaire donnée, une densité de flux et des pertes de flux données, l'aire totale du circuit magnétique reste constante et se répartit entre les-deux circuits magnétiques La section de chacun des circuits magnétiques ainsi formés subit une diminution par comparaison avec les structures classiques et, par conséquent, il s'ensuit une réduction du temps nécessaire pour que la pénétration du flux ait lieu Un enroulement d'excitation est nécessaire pour chaque circuit magnétique et la polarité de la force magnétomotrice doit être telle que le flux résultant soit additif dans la pièce polaire qui est associée à l'entrefer qui réduit sa longueur lors- qu'un déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature a lieu. Sur la figure 1, on peut voir que la structure de noyau a été modifiée de façon à former une pièce polaire annulaire centrale 16 et une paire de pièces polaires extérieures 17, 18 Des enroule- Ments 19 sont bobinés dans les entrefers définis entre la pièce polaire centrale et les pièces polaires extérieures L'armature 20 présente une forme cylindrique creuse en escalier et chevauche la pièce polaire 16 dans la direction radiale Il est donc défini entre la pièce polaire 16 et le décrochement de l'armature un entrefer orienté axialement, mais, entre l'armature et les pièces polaires 17, 18, il existe des entrefers radiaux dont les dimensions ne varient pas lorsqu'un déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau a lieu Les enroulements sont connectés en oppo- sition série et chaque enroulement, lorsqu'il reçoit un courant électrique, induit un flux dans son circuit magnétique, le flux des deux circuits magnétiques étant additif dans la pièce polaire 16. Pour un courant d'excitation donné, chaque enroulement 19 aura approximativement le même nombre de spires que l'enroulement 13. Si les dimensions de l'enroulement sont les mêmes pour les deux structures, alors,dans le cas du dispositif modifié, la résistance des deux enroulements 19 sera double de celle de l'enrou- lement 30 Toutefois, l'inductance série des deux enroulements sera moins que deux fois celle de l'enroulement unique, en raison de l'inductance mutuelle existant entre les deux enroulements Puisque l'inductance des deux enroulements est inférieure au double de l'inductance de l'enroulement unique,alors que la résistance est doublée, la constante de temps inductive est inférieure à celle d'une bobine unique. On se reporte maintenant à la figure 2 Deux pièces polaires annulaires 21 forment l'équivalent des pièces polaires 10 et 14, et l'armature est conformée de façon à définir des parties se présentant vers les c 6 tés des pièces polaires 21 afin de définir les entrefers orientés axialement La structure de noyau est également dotée de deux pièces polaires supplémentaires 23 qui définissent des entrefers orientés radialement par rapport à l'armature Un enroulement 24 est disposé dans la rainure définie entre les pièces polaires 21, et des enroulements 25 sont définis entre les pièces polaires 23 et les pièces polaires 21 Les trois enroulements sont de nouveaux connectés en série, les sens de passage des courants dans des enroulements adjacents étant opposés Les pièces polaires 21, lorsque les enroulements sont excités, prennent des polarités magnétiques opposées, mais chaque pièce polaire 21 reçoit un flux de la part de deux circuits magnétiques, dont l'un est commun aux deux pièces polaires Dans ce cas, les enroulements possèdent moitié moins de spires que l'enroulement 24. La structure modifiée présentée sur la figure 3 est sensiblement identique à celle présentée sur la figure 2, la diffé- rence résidant dans le fait que l'armature a une forme de cylindre sensiblement droit possédant des rainures orientées vers l'intérieur en opposition avec les décrochements de l'armature présentée sur la figure 2. Une variante de la structure présentée dans la partie droite de la figure 1 est montrée sur la figure 4 Dans ce cas, l'armature est placée à l'intérieur de la structure de noyau La structure de noyau 26 comprend un corps 27 creux en forme de cuvette dans la paroi de base 28 duquel se trouve une ouverture 29, La paroi de base porte également une partie saillante annulaire 30 axialement orientée dont la surface intérieure radiale a la forme d'un cylindre droit La paroi extérieure radiale de la partie saillante 30 est inclinée vers l'intérieur dans le sens d'éloignement par rapport à la paroi de base La jupe du corps 27 définit un décrochement 31 contre lequel est placé un pôle de noyau annulaire 32 Le pôle est maintenu en position par un élément tubulaire 33 qui est luimême maintenu en position par un élément couvercle 34 qui est retenu dans l'extrémité ouverte du corps 27 d'une manière commode quelconque. L'élément couvercle possède une partie saillante annulaire orientée axialement et solidaire 35 possédant une surface intérieure radiale ayant la forme d'un cylindre droit et une surface extérieure radiale qui s'incline vers l'intérieur dans le sens d'éloignement par rapport à l'élément couvercle Tous ces constituants sont formés d'un matériau aimantable. Autour des parties saillantes 30 et 35, se trouvent des enroulements 36, 37 qui sont respectivement portés par des carcasses de bobine Les enroulements sont commodément connectés en série, le sens d'écoulement des courants étant tel que, lorsqu'un courant électrique passe dans les enroulements, le p 8 le de stator 32 prend une première polarité magnétique et les parties saillantes prennent la polarité opposée Le nombre des spires de chaque roulement est le même. A l'intérieur de la structure de noyau, peut coulisser une armature 38 qui a sensiblement une forme cylindrique creuse dont la surface extérieure forme un cylindre droit et est dimensionnée de façon qu'elle puisse coulisser par rapport aux surfaces internes des parties saillantes 30 et 35 L'armature possède une nervure interne 39 comportant une ouverture centrale si bien qu'elle peut être connectée à un élément de sortie (non représenté) qui passe dans l'ouverture 29 L'armature possède une nervure extérieure 40 dont une face radiale 41 est tournée vers une face radiale du pôle 32 du noyau Les autres c 6 tés et faces terminales de la nervure 40 et du p 6 le 32 sont conformés de façon à minimiser les fuites de flux et, de plus, dans le cas de l'armature, à réduire sa masse. En outre, les surfaces intérieures de l'armature s'amincissent vers l'extérieur depuis la nervure interne, de nouveau pour réduire la masse On notera que la structure de noyau doit être montée par étages autour de l'armature. Les demandes de brevets britanniques publiées 2 036 453 A et 2 105 912 A décrivent des dispositifs électromagnétiques analogues aux dispositifs modifiés présentés sur les figures 1 et 2 Les dispositifs représentés dans les demandes publiées sont toutefois dotés de plus de pièces polaires, mais, dans chaque cas, on remar- quera que les pièces polaires terminales définissent des entrefers orientés axialement par rapport à l'armature et, dans un montage concret, la pratique consiste à prévoir des entrefere terminaux d'aire réduite dans le but de tenter de maintenir la densité de flux dans l'entrefer. L'inconvénient de cet agencement est que la division du flux entre l'entrefer (flux utile) et les trajets de fuite (flux de fuite) dépendent du rapport de la reluctance de l'entrefer à la reluctance de fuite associée à l'entrefer La reluctance de fuite ne varie pas beaucoup avec le chevauchement de l'entrefer, tandis que la reluctance de l'entrefer est inversement proportionnelle au chevauchement de l'entrefer Il s'ensuit un rendement polaire réduit. Un autre facteur qui réduit encore l'efficacité des pôles extérieurs est l'augmentation des fuites provoquée par le matériau magnétique environnant qui est étranger au circuit magnétique En modifiant les p 6 les extérieurs de façon qu'ils définissent des entrefers radiaux, on peut obtenir une amélioration notable dans le fonction- nement du dispositif De plus, la perte du flux est minimisée. Les entrefers radiaux doivent être aussi petits que possible et ils peuvent être suffisamment petits pour constituer des paliers destinés à soutenir l'armature par rapport à la struc- ture de noyau Un matériau approprié pour palier peut être placé entre les pièces polaires et l'armature. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. -45974 R E V E N D I C A T I O N Dispositif électromagnétique comprenant une structure de noyau, ou de stator, une armature ( 20) mobile par rapport à la structure de noyau, au moins une pièce polaire ( 16, 17, 18) définie par ladite structure de noyau, un enroulement d'excitation ( 19) bobiné autour d'une partie de la structure de noyau et qui, lorsqu'il est alimenté en courant électrique, excite un flux magnétique dans ladite pièce polaire, ladite pièce polaire définissant une face polaire entre laquelle face polaire et l'armature un flux magnétique peut traverser un entrefer orienté dans la direction du déplacement relatif de l'armature et de la structure de noyau, et un entrefer de retour défini entre l'armature et la structure de noyau, caracté- risé en ce que ledit entrefer de retour est orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction du déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature, la structure de noyau portant un enroulement supplémentaire ( 19) servant à exciter dans ladite pièce polaire un flux suivant la même direction que ledit enroulement mentionné en premier, le dispositif comportant un entrefer de retour supplémentaire pour le flux produit par ledit enroulement supplémentaire, ledit entrefer de retour supplémentaire étant également orienté dans une direction sensiblement perpendicu- laire à la direction du déplacement relatif de la structure de noyau et de l'armature.