Brevet FR2542497A1 — publié le 19840914

La présente invention se rapporte aux dispositifs de commande linéaires à courant continu Il existe essen- tiellement deux types de dispositifs de commande linéaire, le type le plus courant étant un électro aimant à courant continu à enveloppe ferromagnétique, qui comprend un noyau ferromagnétique entouré d'une bobine fixe enfermée dans un boîtier ferromagnétique Le noyau est attiré dans la bobine et il s'approche d'une butée ou pièce polaire fixe qui est engagée dans la lumière de la bobine en partant d'une extré- mité de la bobine et, habituellement, il entre en contact avec cette butée ou pièce polaire Lorsque la bobine est excitée, l'armature ou le noyau est attiré dans la bobine et effectue le travail désiré La force exercée sur l'armature croit lorsque l'entreferentre l'armature et la pièce polai- re fixe décroît Ces électro-aimants sont utiles lorsque la charge se déplace sur une distance ou course fixe mais ils sont moins avantageux lorsque la course doit être variable. Dans ce cas, l'électro-aimant ne peut-pas être utilisé ef- ficacement. L'autre type de dispositif de commande linéaire à courant continu est qualifié de dispositif de commande li- néaire à bobine mobile, il comprend un aimant fixé dans une carcasse ferromagnétique et un noyau ferromagnétique Une bobine mobile est située entre l'aimant et le-noyau et se déplace par rapport à l'aimant lorsque l'intensité passant dans la bobine varie Le mouvement de la bobine a pour con- séquence d'exiger des fils-conducteurs très souples ou des balais pour connecter la bobine à une source de courant é- lectrique continu Ceci peut être coûteux et se traduit par des pertes mécaniques de la bobine affecte la force de sortie et le temps de ré- ponse, ce qui a pour résultat que certaines applications li- mitent les dimensions physiques de la bobine et que ceci à son tour impose des limites à la dissipation de la cha- leur et limite la capacité d'absorption de puissance de la bobine et du mécanisme Toutefois, l'avantage de la bobine mobile consiste en ce qu'elle développe une force raison- nablement uniforme sur toute la longueur de la course de la bobine Ceci est à opposer à l'accroissement rapide de la force qu'on rencontre dans le dispositif de commande du type à électro-aimant lorsqu'il approche de la pièce polaire fi- la xe (c'est-à-dire lorsque l'entrefer décroît). Le principal but de l'invention est de réaliser un dispositif de commande linéaire à courant continu qui réunisse les caractéristiques avantageuses d'un dispositif de commande linéaire à bobine mobile et celles d'un électro- aimant Dans cette construction, des aimants permanents fi- xes augmentent le champ magnétique développé par une bobine fixe Ceci se traduit par un dispositif de commande linéaire qui développe une force de sortie mécanique plus élevée (c'est-à-dire plus grande qu'un ensemble analogue ne compor- tant pas d'aimant permanent) et qui est essentiellement constante puisque le noyau ou l'armature se déplace dans les limites nominales. La présente invention utilise une armature ou un noyau ayant un grand diamètre et un-petit diamètre pour com- biner efficacement les champs magnétiques de la bobine et les aimants permanents de manière à obtenir une force à peu près uniforme Il va de soi que, si l'on ne désire pas une force uniforme, le mode de construction permet de modifier les diamètres, etc, pour adapter les caractéristiques de la force à chaque cas particulier considéré. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de commande linéaire qui possède une courbe de force de sortie analogue à celle d'un dispositif de comman- de linéaire à bobine mobile mais qui possède une bobine fixe et une armature mobile, en éliminant ainsi les problèmes liés aux balais et aux fils conducteurs de connexion abou- tissant à une bobine mobile. La présente invention présente l'avantage de per- mettre d'obtenir les caractéristiques de force avantageuses précitées tout en réduisant en même temps la longueur des aimants, en réduisant ainsi le coût des aimants. La masse de la bobine selon l'invention n'affecte pas directement la force de sortie ni le temps de réponse, comme c'est le cas dans le dispositif de commande linéaire à bobine mobile Un autre avantage de cette construction consiste en ce que, lorsque la bobine n'est pas excitée, il s'exerce une force sur l'armature lorsque cette dernière est tenue dans une position autre que sa position de repos. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au'cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, la Fig 1 est une coupe schématique d'un dispo- sitif de commande linéaire selon l'invention la Fig 2 est analogue à la Fig 1 mais-o l'ar- mature a été amenée à une autre position, la Fig 3 est analogue aux Fig 1 et 2 mais o maintenant, l'armature a été amenée à une position qui peut être considérée comme une position de repos, la Fig 4 est un graphique sur lequel la courbe inférieure représente la force qui agit-sur l'armature ou le noyau dans les positions représentées sur les Fig 1, 2 et 3 en l'absence de courant appliqué à la bobine, et la courbe supérieure représente la force exercée sur le noyau lorsque ce dernier passe de la position de la Fig 1 à cel- le de la Fig 2 alors qu'un courant est appliqué à la bo- bine; la Fig 5 est une représentation schématique d'une variante de construction; la Fig 6 est une représentation schématique d'une autre variante; la Fig 7 représente un appareil qui utilise le dispositif de commande linéaire, la Fig 8 est une coupe de l'appareil de la Fig 7 prise selon la ligne 8-8. Les Fig 1, 2 et 3 peuvent être considérées de deux façons Dans cette descriptions on considérera tout d'abord chacune des figures dans le cas o la bobine n'est pas excitée, cde sorte qu'on peut considérer uniquement les forces magnétiques développées-par les aimants permanents. On examinera ensuite ce qui se produit lorsque la bobine est excitée. Le dispositif de commande comprend une bobine 10 montée dans une carcasse ferromagnétique 12 en forme de godet et munie d'aimants permanents 14 montés à l'extrémité ouverte de la carcasse Une armature ou un noyau ferroma- gnétique 16 d'un seul tenant est monté à coulissement dans l'axe de cet ensemble L'armature 16 possède une partie de grand diamètre 18 qui présente un diamètre d et une petite partie saillante 20 qui présente un diamètre d' plus petit. Les aimants 14 sont orientés de manière que les lignes de force passent à travers l'entrefer X pour atteindre la pro- tubérance 20 du noyau, puis à travers le noyau 18 pour at- teindre la carcasse 12 à travers un entrefer X' puis re- venir à l'ensemble magnétique 14 en passant par la car- casse 12, le tout comme représenté sur la Fig 1 La fonc- tion de la protubérance de petit diamètre 20, qui présente la dimension d', consiste à atténuer ou à réduire à un mi- nimum la variation subie par l'induction magnétique lors- que la distance entre la partie de grand diamètre 18 et les aimants permanents 14 croit Lorsque la bobine n'est pas excitée et que le noyau est positionné comme représenté sur la Fig 1, les lignes d'induction produisent une force mécanique dans la direction F' Lorsque le noyau 16 passe de la position Y' représentée sur la Fig 1 à la position X" représentée sur la Fig 2, la force mécanique varie com- me on l'a représenté par la courbe inférieure de la Fig 4, la valeur correspondant à la Fig 1 ou valeur Y' étant dé- signée par Y'-l et la valeur correspondant à la position de la Fig 2 étant désignée par Y"-2 sur la courbe inférieure. Sur la Fig 2, certaines lignes de force passent directement de la partie de grand diamètre 18 aux aimants 14-tandis que certaines des lignes de force passent par la partie de petit diamètre 20 pour atteindre les aimants 14. Il est évident que la force F' croit lorsqu'on passe de Y' à Y" (ou de la position de la Fig 1 à la positionde la Fig ?). Si la bobine 10 reste désexcitée et si l'armature est libérée de toute résistance, cette armature passe à la position représentée sur la Fig 3, qui est désignée par Y"' sur-la Fig 4 On peut voir que la force F' est tombée à zé- ro Tout est en équilibre et l'ensemble est au repos. Lorsque la bobine est excitée pour produire un champ magnétique qui renforce le champ magnétique des ai- mants permanents 14, la force mécanique résultante qui s'e- xerce sur le noyau (dans la direction F') croit Par exem- ple, dans la position représentée sur la Fig 1, la combi- naison des champs magnétiques a pour effet que la force exercée sur le noyau croit comme représenté sur la courbe supérieure de la Fig 4 et cette force est désignée par Y'. Il est évident que la force est considérablement augmen- tée Lorsque le noyau 16 passe à la position de la Fig 2, alors que la bobine 10 est encore excitée, la force suit la courbe supérieure (Fig 4) pour passer de Y' à Y" On voit que la force est pratiquement constante, pourvu que la longueur et le diamètre du noyau, c'est-à-dire les di- mensions d et d', soient proportionnés de manière à com- biner efficacement-les champs magnétiques de la bobine 10 et des aimants permanents 14 On peut remarquer-que la par- tie 20 de diamètre réduit du noyau peut être en forme, c'est-à-dire qu'elle peut être conique, en forme de cloche, etc, de manière à donner à la courbe de variation de la force une forme qui répond aux besoins particuliers d'une application donnée Par exemple, si un mécanisme à ressort est prévu pour exercer une résistance sur le noyau ou pour agir en antagonisme par rapport à la force F', ce méca- nisme à ressort possédant une caractéristique déterminée, la courbe peut être adaptée de manière à correspondre à peu près à cette caractéristique Si la polarité-de la bobine est inversée, le champ magnétique de la bobine est antagoniste au champ des aimants permanents et ceci ré- duit l'efficacité L'inversion du champ magnétique de la bobine devrait donc être accompagnée d'une inversion du champ magnétique des aimants permanents, de façon que les deux champs continuent à se renforcer mutuellement. On peut remarquer que les aimants permanents 14 ne doivent pas nécessairement couvrir un arc de 3600 mais que la couverture d'un arc de moins de 3600 peut avoir un certain effet sur les caractéristiques, ce qui peut deman- der d'autres modifications du dessin Si, comme on peut le voir sur la Fig 8, les aimants occupent moins de 3600, de manière à donner passage aux connexions aboutissant à la bobine, on-peut placer des pièces polaires ferromagnéti- ques dans l'entrefer X (tel que l'entrefer X représenté sur la Fig 1), pour appliquer un champ magnétique sur 360 , même si les aimants ne couvrent pas 3600 Ceci lais- se libre un segment en forme de couronne pour donner pas- sage aux connexions électriques aboutissant à la bobine. La Fig 5 montre une autre forme de réalisation qui s'est révélée efficace au laboratoire mais qui est moins avantageuse parce qu'elle est plus coûteuse Ici, la bobine 30 est fixée à l'intérieur de la carcasse 12 avec une entretoise non magnétique 32 à l'extérieur de la bo- bine et un aimant 34 également à l'extérieur de la bobine. L'armature 36 continue à aller et venir dans le centre. Cette forme de réalisation a une caractéristique de force analogue à celle de la forme de réalisation préférée. La forme de réalisation représentée sur la Fig 6 présente une certaine ressemblance avec la forme de réali- sation préférée représentée sur la Fig 1 mais, ici, il y a des aimants 40, 42 à chacune des deux extrémités de la bobine 44, dans la carcasse tubulaire 46 La forme du noyau ou de l'armature 48 est analogue à celle représentée dans la forme préférée de réalisation On remarquera que les polarisations des aimants 40, 42 sont inverses l'-une de l'autre, de sorte que les lignes de force ne butent pas les unes contre les autres et ne sont pas antagonistes. Cette construction possède également une courbe de force forte et raisonnablement plate mais elle-présente évidem- ment un coût supérieur à celui de la forme de réalisation préférée. Le dispositif de commande hybride élimine les per- tes mécaniques résultant de la connexion d'une bobine mo- bile à une source de courant par des fils conducteurs ou des balais Lesaimants sont plus courts dans la direction axiale et ceci réduit considérablement le coût La masse de la bobine n'affecte pas directement la force de sortie ni le temps de réponse comme dans les dispositifs à bobine mobile Il est évident que la caractéristique de force est beaucoup plus uniforme que dans le cas des électro-aimants et qu'elle est égale ou supérieure à celle des dispositifs à bobine mobile Finalement, un avantage distinct consiste en ce qu'il s'exerce une force sur l'armature même lorsque la bobine est désexcitée (si l'armature n'est pas dans son état de repos représenté sur la Fig 3) Ceci présente une grande utilité dans de nombreuses applications Cette cons- truction présente une force de sortie mécanique élevée (supérieure à celle d'un ensemble analogue qui ne comprend pas d'aimant permanent) en raison de l'effet d'addition des forces de la bobine et du champ magnétique l Cette cons- truction peut être utilisée en remplacement des dispo- sitifs de commande à bobine mobile et elle peut être uti- lisée pour positionner un objet ou un organe de commande avec précision en fonction du courant appliqué ou de la largeur des impulsions de courant modulé Les caractéristi- ques de force sont évidemment supérieures à celles de n'im- porte quel dispositif de la technique antérieure dans les applications à course longue qui exigent une grande force mécanique sur toute la course Finalement, étant donné que la masse mobile est fortement réduite, le temps de réponse est plus avantageux. La Fig 7 représente le dispositif de commande li- néaire actionnant une soupape pneumatique Le dispositif de commande est enfermé dans une enveloppe ferromagnétique qui est assemblée au corps 52 de la soupape pneumatique. La bobine 54 est bobinée sur un corps de bobine 56 en ma- tière plastique qui sert également de guide pour l'armature 58 laquelle présente une extrémité de petit diamètre 60 qui porte sur la tige non magnétique 62 de la soupape, qui est portée par un piston de robinet 64 Deux aimants 66 de forme générale semi-annulaire sont montés à l'intérieur de l'enveloppe 50, espacésaxialement-de la bobine 54 et leurs extrémités très rapprochées sont séparées par l'entretoise 58 en matière plastique tandis que leurs autres extrémités sont suffisamment espacées pour donner passage aux connec- teurs 70 qui relient la bobine 54 aux bornes 72 Un res- sort 74 comprimé tend à appliquer le piston 64 sur le siè- ge 76 Lorsque la bobine 54 est excitée, elle ouvre la sou- pape par rapport au cône de dosage 78 -Les autres détails du fonctionnement de cette soupape ne sont pas critiques pour la présente invention. On remarquera que des pièces polaires 80, 80 sont prévues pour amener le champ magnétique des aimants perma- nents 66 à plus grande proximité de l'armature 58 et pour couvrir 360 Le mouvement du piston dans le sens de l'ou- verture est limité par la butée 82 Si la butée 82 était supprimée, le mouvement de l'armature serait limité par le ressort 74 puisque le mouvement en direction de la position de la Fig 3, à partir de celle de la Fig 2, implique une force décroissante et que le ressort finirait par neutrali- ser la force. Un compensateur 84 en fer-Nickelest placé entre les aimants 66 et la collerette du corps de bobine en ma- tière plastique Le compensateur magnétique 84 est réa- lisé en une seule pièce, avec des ouvertures pour le pas- sage des connecteurs électriques 70,et pour l'entretoise 70 en matière plastique Le compensateur 84 est en contact avec toute la surface interne des aimants permanents 66, de sorte qu'une certaine fraction du champ magnétique est dé- rivée à travers le compensateur La fraction dérivée dépend principalement de la composition de la température de la matière (les propriétés magnétiques de la matière du com- pensateur varient avec la température) La fonction du com- pensateur 84 consiste à réduire à un minimum la variation de la force du dispositif de commande (dans la direction F') lorsque tout l'ensemble composé du dispositif de commande et du robinet pneumatique (Fig 7) est soumis à des tempé- ratures ambiantes très chaudes ou froides En l'absence d'une compensation, la force du dispositif de commande varie considérablement lorsque la température ambiante varie en- tre le froid et le chaud Avec une compensation, la force mécanique décroît mais reste à peu près uniforme lorsque la température ambiante varie (à intensité constante dans la bobine) Cette compensation magnétique peut également s'ap- pliquer aux formes de réalisation représentées sur les Fig. et 6 En outre, le compensateur représenté *sur la Fig 7 pourrait avoir été placé sur la surface externe des aimants (le long de la ligne 8-8) et il donnerait alors des résul- tats analogues. Sur toutes les figures, on a représenté une paire d'aimants (par exem-ple les aimants 14 sur la Fig 1) Ces aimants sont plus simples à aimanter que ne le serait un aimant annulaire L'effet est le même. L'invention a été décrite dans son application à un dispositif cylindrique Le dispositif de commande peut avoir une carcasse ouverte ou une géométrie carrée, rectan- gulaire, etc, Toutefois, une telle variante de construc- tion affectera les caractéristiques, ce qui peut exiger la prise en considération d'autres aspects de la construction. R E V E N D I C A T I NS 1 Dispositif de commande caractérisé en ce qu'il comprend une carcasse ferromagnétique ( 12, 46, 50); une bobine électrique ( 10, 30, 44, 54) fixée dans cette car- casse, un aimant ( 14, 34, 40, 42, 66) fixé à la carcasse; et une armature ferromagnétique ( 18, 36, 48, 58) pouvant se déplacer axialement dans le champ magnétique de la bobi- ne et de l'aimant, ladite armature étant d'une forme telle que la force exercée sur l'armature reste à peu près uni- forme sur toute sa course. 2 Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant ( 14, 34, 40, 42, 66) exerce une force sur l'armature ( 18, 36, 48, 58) sur toute la longueur de la course de l'armature, le champ de la bo- bine s'ajoutant au champ de l'aimant. 3 Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu de l'axe de l'aimant ( 14, 34, 40, 42, 66) est espacé axialement du milieu de l'axe de la bobine ( 10, 30, 44, 54). 4 Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aimant ( 14, 66) est espacé axia- lement de la bobine ( 10, 54) et que l'armature ( 18, 58) possède une extrémité ( 20, 60) de diamètre réduit, qui est plus proche de l'aimant. 5 Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ressort ( 74) agissant sur l'armature ( 58) dans le sens antagoniste à celui de la force magnétique, et des moyens ( 62) qui sont positionnés par l'armature ( 58) en réponse à un cou- rant continu appliqué à la bobine. 6 Dispositif de commande caractérisé en ce qu'il comprend: une carcasse ferromagnétique ( 12, 50), une bo- bine électrique ( 10, 54) fixée dans la carcasse, deux ai- mants permanents ( 14, 66) fixés dans la carcasse, dans des positions espacées axialement du milieu de l'axe de la bo- ll bine, et dont les pôles de même nom sont dirigés vers l'axe; et une armature ferromagnétique ( 18, 59) mobile dans la di- rection axiale de la bobine et des aimants, entre des limi- tes fixes. 7 Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce,que l'extrémité ( 20, 60) de l'armature ( 18, 58) qui est la plus proche des aimants ( 14, 66) est d'une forme appropriée pour donner naissance a une force magnétique agissant sur l'armature (lorsque la bobine est désexcitée) qui est différente de celle qui serait engendrée si l'armature possédait une section uniforme sur toute sa longueur. 8 Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'armature ( 18, 58) possède une section uniforme sur la majeure partie de sa longueur et une section réduite à son extrémité ( 20, 60) la plus proche des aimants permanents ( 14, 66). 9 Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section de l'armature ( 18, 58) est réduite a son extrémité la plus proche des aimants ( 14, 66) et est d'une forme appropriée pour qu'il s'exerce une force à peu près uniforme sur l'armature ( 18, 58) dans tou- tes les positions axiales de l'armature pendant que la bo- bine ( 10, 54) est excitée. 10 Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un compensa- teur ( 84) qui est en contact avec les deux aimants perma- nents ( 66) pour dériver une certaine fraction du champ ma- gnétique et rendre la force combinée exercée sur l'armature ( 58) plus uniforme lorsque la température ambiante varie. ll Dispositif de commande caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe ferromagnétique -( 50), une bobine ( 54) fixée dans l'enveloppe, deux aimants permanents ( 66) fixés dans l'enveloppe, selon l'axe de la bobine et qui ménagent entre eux une ouverture alignée sur l'ouverture centrale de la bobine, les aimants ( 66) étant polarisés de maniè-re que des pôles de même nom des deux aimants soient dirigés vers l'axe et la bobine ( 54) étant adaptée pour être excitée par un courant continu de manière à développer un champ magnétique qui s'ajoute au champ des aimants permanents; une armature ferromagnétique ( 58) pouvant se-déplacer axialement sur l'axe de la bobine et des aimants, la pointe ( 60) de l'armature ( 58) qui est-la plus rapprochée des ai- mants étant réduite; et des moyens élastiques ( 74) exer- çant une action antagoniste au mouvement de l'armature dans le sens dans lequel cette armature se déplace lorsque la bobine ( 54) est excitée. 12 Dispositif de commande selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des pièces polaires semi-cylindriques ( 80) placées à l'intérieur des- dits aimants ( 66), entre ces aimants et l'armature. 13 Dispositif de commande selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un compensa- teur ( 84) qui est en contact avec les deux aimants perma- nents ( 66) pour dériver une certaine fraction-du champ ma- gnétique et rendre la force combinée agissant sur l'arma- ture ( 58)-plus uniforme lorsque la température ambiante varie.