Brevet FR2548438A1 — publié le 19850104

Dispositif électromagnétique bistable d'actionnement La présente invention se rapporte à un dispositif électromagnétique bistable d'actionnement, en particulier pour une soupape d'arrêt avec un organe de commutation commutable entre ses positions extrêmes au moyen d'un agencement de bobines magnétiques de polarité réversible, et avec un agencement d'aimants permanents maintenant l'organe de commutation à chaque position extrême. Les dispositifs connus d'actionnement de ce 10 type présentent une forte consommation, compte tenu des forces ou respectivement temps de commutation pouvant être atteints, et nécessitent des agencements d'électro-aimants et d'aimants permanents relativement puissants, ils ne sont donc que peu adaptés à des cas d'utilisation o il faut, en plus d'une consommation minimale de courant de pointe, une construction prenant peu de place et avant tout légère, par exemple pour des soupapes d'arrêt en astronautique. La présente invention a pour tâche d'améliorer le dispositif d'actionnement du type ci-dessus de façon que, compte tenu de la force ou respectivement la vitesse effective de commutation, on puisse obtenir une réduction importante du poids et de la taille ainsi que de la consommation de courant. Cette tâche est atteinte, selon l'invention, par un dispositif dans lequel l'agencement d'aimants permanents contient deux aimants permanents disposés en étant polarisés de manière opposée dans le trajet de flux principal de l'agencement de bobines magnétiques, et à distance l'un de l'autre dans la direction de déplacement de l'organe de commutation. Selon l'invention, on est assuré, en raison de la 30 disposition particulière et de l'orientation réciproque des aimants permanents dans le trajet d'écoulement principal des bobines magnétiques, qu'à l'excitation de l'agencement de bobines magnétiques, le flux magnétique se trouve accru, du côté de l'aimant permanent situé dans le sens d'inversion, d'une valeur identique à la diminution que subit la force de retenue que l'autre aimant permanent oppose à l'inversion Par cette modification identique et en sens opposée de l'intensité de champ sur les deux aimants permanents, on obtient une très importante augmentation de la force de commutation agissant sur l'organe de commutation précisément dans la phase de début du processus d'inversion qui est essentielle pour la consommation de courant de pointe, de sorte que le dispositif d'actionnement selon l'invention répond, d'une manière remarquable, aux exigences relatives à un comportement bistable avec des forces utiles élevées d'actionnement et/ou de hautes vitesses de commutation, et cela avec l'utilisation d'un agencement de bobines magnétiques et d'aimants permanents de très faible puissance et de volume ainsi que de poids réduits. Dans de nombreux cas d'utilisations, la force 15 d'actionnement, qui est nécessitée par l'inversion de l'installation commandée par le dispositif d'actionnement; dépend du sens de commutation, par exemple lorsque le dispositif d'actionnement est utilisé pour une soupape d'arrêt, qui est verrouillée hydrauliquement en position de fermeture, et nécessite donc une plus grande force d'actionnement pour l'ouverture que pour la fermeture Dans ce cas, dans une configuration particulièrement préférée de l'invention, les deux aimants permanents présentent des forces différentes de retenue, de telle façon que l'aimant permanent retenant l'organe de commutation à la position extrême à partir de laquelle l'inversion doit se faire avec une plus importante force d'actionnement, donc, dans le cas d'une soupape d'arrêt hydrauliquement verrouillée en position de fermeture, l'aimant permanent de retenue à la position de fermeture, a la plus forte intensité 30 de champ et/ou présente, grâce à un réglage variable de la perméance, un flux magnétique plus important que l'aimant permanent agissant en sens opposé Etant donné que dans le dispositif d'actionnement selon l'invention, en raison de la commande particulière du flux magnétique par excitation de l'agencement de bobines magnétiques, le flux magnétique agissant dans le sens de commutation augmente du côté d'un aimant permanent simultanément et dans la même mesure o le champ magnétique opposé de l'autre aimant permanent maintenant l'organe de commutation à sa position extrême, est amené à disparaître, une telle conception consistant à réaliser l'un des aimants permanents plus fort que l'autre a pour effet une augmentation correspondante de la force de commutation dans le sens de la position extrême opposée à cet aimant permanent, ce qui permet de la façon la plus simple et avec une diminution encore plus 10 importante de la consommation d'électricité, d'obtenir une commande de la force de commutation adaptée à chaque cas d'utilisation; par exemple, dans le cas de la soupape mentionnée, par un aimant permanent plus fort de retenue en position de fermeture, la force de commutation peut être augmentée unila15 téralement à l'ouverture de la soupape. Par ailleurs, selon un autre aspect important de l'invention, l'organe de commutation est réalisé en deux parties avec une armature et un élément d'actionnement qui est relié à l'armature élastiquement avec mobilité limitée dans le sens de déplacement de l'organe de commutation, et qui effectue l'inversion de l'installation commandée par le disposit d'actionnement, c'est-à-dire en particulier la soupape mentionnée d'arrêt Cet accouplement élastique limité repose sur la considération que la force magnétique agissant dans le sens de commutation croit exponentiellement automatiquement lorsque l'organe de commutation se rapproche de sa nouvelle position extrême, c'est-à-dire sans augmentation du flux de courant magnétique de l'agencement de bobines magnétiques, et les pointes de puissance habituelles, qui sont nécessaires pour 30 un dispositif d'actionnement dans le cas d'un accouplement rigide à l'installation à commander (soupape d'arrêt), peuvent être fortement réduites par le fait que le dispositif d'actionnement, précisément en raison de la course à vide limitée prévue dans l'organe de commutation, ne subit pas, à la phase 35 du début du processus d'inversion, la force d'actionnement pour l'installation à commander, jusqu'à ce que la force magnétique effective pour la commutation ait atteint, sans augmentation de la consommation de courant de l'agencement de bobines magnétiques, une valeur de seuil prédéterminée par le jeu de mouvement dans l'organe de commutation, ce qui permet d'obtenir une amélioration supplémentaire considérable concernant la consommation de puissance ainsi que le poids et la taille du dispositif d'actionnement, en particulier dans des cas d'utilisations o une force importante d'actionnement 10 doit être appliquée à l'installation à commander, par exemple dans le cas d'une soupape d'arrêt à verrouillage hydraulique. Enfin, les aimants permanents sont avantageusement fixes aux extrémités de l'agencement de bobines magnétiques et sont rendus étanches, avec celle-ci, par rapport à 15 l'organe de commutation, de manière hermétique, ce qui offre une disposition très favorable et avant tout une protection sûre des aimants permanents et des bobines magnétiques dans le cas o l'organe de commutation fonctionne dans des milieux agressifs. La présente invention sera mieux décrite à la lecture de la description qui suit, en se référant aux dessins joints dans lesquels: la figure 1 montre une vue en coupe schématique d'un dispositif d'actionnement avec une soupape d'arrêt à com25 mander; la figure 2 montre le tracé fortement schématisé du flux magnétique de l'agencement de bobines magnétiques et d'aimants permanents. Selon la figure 1, le dispositif d'actionnement 30 2 est disposé, avec la soupape d'arrêt 4, qu'il actionne, dans un bottier 6 en plusieurs parties, partiellement vissées et partiellement soudées, de forte perméance et comprend, comme pièces principales, un organe de commutation 8 qui est guidé, dans un manchon cylindrique 10, mobile entre des poeitions extrêmes délimitées par des surfaces d'arrêt 12 et respective- ment 14 solidaires du boîtier, un agencement de bobines magnétiques 16, de forme annulaire de polarité réversible avec une bobine magnétique externe 18 excitée pour la commutation de l'organe de commutation 8 à la position extrême inférieure correspondant à la position de fermeture de la soupape avec une bobine magnétique interne 20 inversant l'organe de commutation 8 à la position ouverte de la soupape, ainsi que deux aimants permanents 22,24 de forme annulaire, disposés en étant polarisés de manière opposée dans la direction de déplace10 ment de l'organe de commutation 8, aux extrémités de l'agencement de bobines magnétiques 16, respectivement à hauteur des surfaces d'arrêt 12 et 14. Les aimants permanents 22 et 24 sont recouverts sur leur côté interne, vers l'organe de commutation 8, par 15 des segments de manchon magnétiquement conducteurs 26 et 28, qui sont reliésaux parties de boîtier portant les surfaces d'arrêt 12 et 14, tandis que la partie médiane intermédiaire du manchon 10 se compose d'un matériau de moindre perméance. Par ailleurs, on peut également laisser libre un interstice 20 annulaire entre les segments de manchon 26 et 28. L'organe de commutation 8 se compose d'une armature 32 guidée mobile axialement dans le manchon 10 et d'un élément d'actionnement 36 qui y est accouplé avec une mobilité limitée en direction axiale, avec interposition d'un ressort 25 de compression 36, lequel élément forme le poussoir de la soupape d'arrêt 4 et porte, à son extrémité inférieure, un joint d'étanchéité 40 en élastomère coopérant avec le siège de soupape 38 Un canal 44 de fluide sous pression s'étendant de la chambre d'arrivée 42 par l'élément d'actionnement 36 jus30 qu'au côté supérieur de l'armature magnétique 32 sert au verrouillage hydraulique de la soupape 4 à sa position de fermeture, à partir de laquelle l'élément d'actionnement 36 ne peut être déplacé par l'armature 32 que lorsque celle-ci s'est éloignée de sa position inférieure de la distance correspon35 dante au jeu 46 entre l'armature 32 et l'élément d'actionne- ment 36 La force de retenue agissant contre l'inversion de la soupape 4, en raison du verrouillage hydraulique, ne doit donc être surmontée qu'après une course à vide prédéterminée de l'armature 32, de sorte que le dispositif d'actionnement 2 n'est pas sollicité, à la phase du début du processus d'inversion, jusqu'à ce que la force magnétique agissant sur l'armature 32 dans le sens de commutation ait atteint un seuil dépendant de l'importance du jeu prévu 46. Pour éviter une adhérence magnétique excessive 10 de l'armature 32, à chaque position extrême, contre la surface d'arrêt 12 ou 14, une couche très mince 48 de plus faible perméance, par exemple une couche de chrome, peut être prévue sur les faces frontales de l'armature 32, de façon que l'entrefer 50 ou 52 variable entre la surface frontale de 15 l'armature et les surfaces 12,14 du bottier tournées vers elle, présente une largeur minimale, même très faible (de quelques centièmes de millimètre), comme on peut le voir sur la figure 1 à la position inférieure de l'armature pour l'entrefer 52, de manière fortement exagérée. Pour l'explication du processus de commutation, on se réfèrera à la figure 2 o sont représentées très schématiquement,, en trait plein, les boucles de champ magnétique internes des aimants permanents 22 et 24 polarisés de manière axialement opposée et en pôintillé le trajet du flux princi25 pal des bobines magnétiques 18,20 Tant qu'aucun courant de bobine ne s'écoule à la position extrême inférieure de l'armature 32, le champ magnétique et par suite la force d'attraction est maximum dans l'entrefer 52, qui présente la largeur minimale (presque nulle) Ainsi, l'armature 32 reste verrouil30 lée à cette position extrême par le flux magnétique de l'aimant permanent 24 Le trajet du flux magnétique principal qui est produit par le passage de courant dans la bobine magnétique 20 et qui traverse l'armature 32 en direction axiale, a le même dans l'entrefer 50, que le flux magnétique 35 de l'aimant permanent 22, mais est cependant opposé dans l'entrefer 52 au flux magnétique de l'aimant permanent 24, comme cela est signalé par les flèches sur la figure 2 De ce fait, à l'excitation de la bobine 20, le flux magnétique total dans l'entrefer 52 est amené à disparaître tandis qu'en même temps le flux magnétique dans l'entrefer 50 augmente. Lorsque la force d'attraction devient suffisamment importante dans l'entrefer 50, l'armature 32 parcourt d'abord la course à vide prédéterminée par le jeu 46, le long de laquelle la force d'attraction dans l'entrefer 50 augmente exponentiel10 lement en raison de la diminution de la largeur de cet entrefer, et entraîne finalement l'élément d'actionnement 36 en surmontant la force hydraulique de verrouillage à la position extrême supérieure, de façon que la soupape 4 puisse être totalement ouverte Comme à ce moment la largeur de l'entre15 fer supérieur 50 est devenue presque nulle, la bobine magnétique 20 peut être coupée et l'armature 32 reste à sa position extrême supérieure D'une manière correspondante, la soupape 4 est inversée en position de fermeture, par application d'une impulsion de courant à la bobine magnétique 18. 20 On obtient une commande unilatérale asymétrique de la force de commutation dépendant du sens de commutation, de façon que la force utile d'actionnement de l'organe de commutation 8 soit plus importante à l'ouverture de la soupape 4 qu'à sa fermeture, étant donné le verrouillage 25 hydraulique à surmonter en position de fermeture, par le fait que l'aimant permanent 24 de retenue en position de fermeture est établi pour une force magnétique plus importante de retenue que l'aimant permanent 22; à cet effet, soit l'intensité de champ magnétique, soit, comme cela est montré, 30 le flux magnétique du côté de l'aimant permanent 24 est rendu plus important grâce à une rondelle annulaire supplémentaire 54, de haute perméance En raison de l'interdépendance ci-dessus mentionnée, à la position extrême inférieure, le flux magnétique, qui augmente à l'excitation de la bobine 20 35 jusqu'à la disparition de la force de retenue de l'aimant permanent 24, atteint dans la zone de l'entrefer 50 qui est déterminant pour la force d'attraction agissant dans le sens d'ouverture, une valeur plus importante que le flux magnétique induit de manière inverse, à la position extrême supérieure, par la bobine 18 dans l'entrefer 52, alors totalement ouvert, c'est-à-dire que la force de commutation agissant sur l'organe de commutation 8 à l'excitation de l'agencement de bobines magnétiques 16 est plus importante, unilatéralement dans le sens d'ouverture que dans le sens de fermeture. Pour la protection contre les milieux agressifs, qui arrivent par la soupape d'arrêt 4 dans la chambre de commutation de l'organe de commutation 8, l'agencement de bobines magnétiques et d'aimants permanents 16, 22, 24 est rendu étanche de manière hermétique, par rapport à la chambre 15 de commutation,, par exemple par une masse coulée, comme cela est signalé sur la figure 1 en trait mixte. REVENDICATIONS 1 Dispositif électromagnétique bistable d'actionnement, en particulier pour une soupape d'arrêt, avec un organe de commutation réversible entre ses positions extrêmes au moyen d'un agencement de bobines magnétiques de polarité réversible, et avec un agencement d'aimants permanents maintenant l'organe de commutation à chaque position extrême, caractérisé en ce que l'agencement d'aimants permanents contient deux aimants permanents ( 22,24) disposés en étant polari10 sés de manière opposée dans le trajet de flux principal de l'agencement de bobines magnétiques ( 16), et à distance l'un de l'autre dans la direction de déplacement de l'organe de commutation ( 8). 2 Dispositif d'actionnement selon la revendi15 cation 1, caractérisé en ce que les deux aimants permanents ( 22,24) présentent des forces différentes de retenue. 3 Dispositif d'actionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 22,24) ont des intensités de champ différentes. 4 Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le flux magnétique des aimants permanents ( 22,24) peut être établi différemment par réglage variable de la perméance (rondelle annulaire 54). 5 Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de commutation ( 8) est formé de deux parties avec une armature ( 32) et un élément d'actionnement ( 36) qui y est relié avec une mobilité limitée en direction de commutation. 30 6 Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aimants permanents ( 22,24) sont fixés aux extrémités de l'agencement de bobines magnétiques ( 16) et sont rendus étanches de manière hermétique, conjointement avec ce dernier, vis-à-vis 35 de l'organe de commutation ( 8).