Brevet FR2552196A1 — publié le 19850322

Soupape électromagnétique. La-présente invention concerne une soupape électromagnétique pour fluides gazeux et liquides, comportant un levier pivo5 tant, dont le mouvement est assuré par un système d'électroaimant et auquel est affecté un élément d'obturation au moins qui permet de fermer, ou d'étrangler, un conduit de soupape au minimum. L'avantage des soupapes électromagnétiques de ce type réside dans la simplicité et le faible frottement d:u:système d'étanchéité des boites de distribution, dans lesquelles débouchent les conduits de soupape obturés par les éléments de fermeture Le levier pivotant peut en effet traverser 15 la garniture de la boîte, de manière à ce que son axe de rotation se situe dans la zone du joint ou à proximité immédiate de cette dernière, qu'un mouvement de ce même levier soumet à une déformation élastique Le travail de foulage et de déformation, auquel est exposé le joint, peut donc être réduit a un mininum, ce qui constitue un avantage notable pour la puissance de réglage, les dépenses d'éneraie et la duree de vie de l'étanchéitée Les soupapes déja connues de ce type presentent toutefois un encombrement relativemenrt important, car le levier est manoeuvré par un aimant de levage doté diun poussoir au dépl acement longitudinal; lorsque le système magnétique est excité, ce poussoir comprime 1 'extremité libre iu levier le déplaçant ainsi de l'une de ses positions extrêmes à l'autre, contre la force d'un ressort soumis à une tension initiale. La présente invention vise à créer une soupape électromagné5 tique du type précédemment décrit avec un domaine d'utilisation plus vaste, utilisable notamment comme soupape 4/3 ou 4/2, mais avec un encombrement réduit et une puissance de commutation électrique la plus faible possible. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le système d'électroaimant est complété par celui d'un aimant permanent, dont le circuit magnétique est fermé au travers del'induit du système précité, un bras formé en partie du moins par l'armature permet de déplacer un ou plusieurs 15 éléments d'obturation supplémentaires-qui assurent la fermeture des troisième et quatrième conduits de soupape, euxmêmes reliés aux premier et second conduits, et deux conduits supplémentaires au moins débouchent respectivement dans le compartiment, dans lequel s'ouvrent avec une possibilité 20 de fermeture les premier et second conduits, et dans le compartiment séparé du premier cité, dans lequel débouchent avec une possibilité d'obturation les troisième et quatrième conduits de soupape. Le système supplémentaire d'aimant permanent contribue à réduire l'encombrement, car il permet de maintenir l'in duit dans les différentes positions de commutation, lorsque l'électroaimant est désamorcé, améliorant ainsi le rendement électromagnétique Il est donc possible de ré30 duire le dimensionnement du système d'électroaimant Un autre avantage essentiel de la soupape conforme à l'invention réside dans le fait que des signaux continus, mais aussi des impulsions, en assurent la commutation Le système d'aimant permanent permet en outre de donner facile35 ment à la soupape un comportement mono-, bi ou tristable. Les éléments d'obturation supplémentaires, dont le bras formé en partie du moins par l'armature assure le mouve- ment, le couplage d'un induit rotatif avec le bras pivotant, le raccordement des conduits obturés par ces deux éléments de fermeture supplémentaires aux premier et second conduits de soupape, ainsi que l'ouverture d'un conduit complémentaire dans les compartiments qui recoivent les premier et second conduits d'une part, les troisième et quatrième conduits d'autre part, permettent de réaliser une soupape 4/3 ou 4/2 d'une compacité extrême, telle que celles préférentiellement utilisées pour la commande d'un vérin pneumatique Par suite de cette exécution, les couples générés par la pression et l'écoulement s'exercent en sens inverse sur le système levier pivotant-induit et leur effet gênant pour le mouvement de réglage est annulé, en partie du moins. Il n'est pas nécessaire de prévoir les éléments de fermeture directement sur le siège, ces éléments pouvant euxmêmes assurer la commande de têtes de soupape, billes d'obturation, pistons à clapet ou autres Il est par ailleurs possible de remplacer la mobilité du système levier pivotant20 induit par un déplacement, par rapport à ce dernier, du noyau ou des parties de cage L'induit peut encore exécuter un mouvement linéaire et déplacer le levier pivotant, par l'intermédiaire d'un entraîneur, par exemple. Selon une forme de réalisation préférée, la ou les bobines excitatrices du système d'électroaimant sont montées sur un noyau en E ou en M, dont les trois branches constituent respectivement un pôle magnétique, les deux pâles de l'induit pénétrant entre les pales précités en formant 30 quatre entrefers Une telle exécution des systèmes magnetiques réduit à un minimum le dispositif d'excitation requis, donc l'encombrement Pour le système d'électroaimant, un noyau en E ou en M constitue un avantage notable sur le plan de la fabrication, la ou les bobines excitatrices in35 sérées dans le noyau pouvant être des éléments préfabriqués et ce dernier pouvant 6 tre feuilleté. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, le ou les aimants permanents sont montés entre des pièces polaires, en dehors du flux magnétique du système d'électroaimant fermé au travers de l'induit, et les pièces polaires dépassent l'extrémité de l'aimant permanent distante du support du levier pivotant, leurs sections en saillie constituant les deux pôles d'induit Ces deux caractéristiques contribuent également à réduire l'encombrement Le montage de l'aimant permanent en dehors du circuit magnétique, fermé 10 au travers de l'induit, du système d'électroaimant réduit la puissance d'excitation de ce dernier Le montage de ce même aimant permanent entre deux pièces polaires, dont les sections extrêmes en saillie constituent l'armature, permet également de réduire l'encombrement et la réluctance dans le circuit ma15 gnétique de l'aimant précité, dont les dimensions peuvent être minimales. L'invention prévoit également que le système d'électroaimant et les deux moitiés de cage sont symétriques 20 par rapport au plan médian qui traverse la branche centrale du noyau, et l'induit, y compris le système d'aimant permanent, est symétrique par rapport au plan médian longitudinal du levier pivotant, ce dernier plan se situant dans le plan médian du noyau, lorsque le levier est en position 25 centrale Les coûts de construction sont ainsi diminués, puisque l'exécution symétrique des systèmes d'électroaimant, d'aimant permanent et du corps de soupape réduit le nombre des composants à un minimum. Suivant une forme de réalisation avantageuse, les éléments d'obturation, affectés aux troisième et quatrième conduits, sont maintenus sur des supports, distants latéralement du bras qui constitue l'induit Cette forme de construction est particulièrement avantageuse, l'encombrement requis 35 par les éléments d'obturation, ainsi que la masse supplémentaire indispensable, étant maintenus à une valeur minimale. Cette remarque vaut notamment quand les supports sont moulés sur un corps en plastique qui enveloppe l'aimant permanent et les sections adjacentes à ce dernier des deux pièces polaires Cette mesure contribue à réduire la masse à déplacer lors d'une opération de commnutation. Les éléments d'obturation affectés aux troisième et quatrième conduits peuvent être soumis à la charge d'un ressort qui les comprime contre le siège correspondant Cette mesure vise à maintenir fermés les conduits précités, lorsque le levier pivotant est en position centrale Il est alors judicieux de réaliser la soupape électromagnétique de façon que les éléments d'obturation affectés aux troisième et quatrième conduits soient maintenus dans les supports de manière 15 à permettre une ouverture ou fermeture simultanée du troisième et quatrième conduits, lorsque le levier pivotant est en position centrale. Suivant une autre caractéristique de l'invention, des vis 20 peuvent être prévues pour le réglage des entrefers, les deux branches externes du noyau présentant, dans leurs sections extrêmes constituant les pôles magnétiques, un taraudage transversal au moins qui débouche dans l'entrefer adjacent et dans lequel est insérée une vis accessible de I'extérieur Cette possibilité de réglage permet d'augmenter les tolérances requises pour les différents composants. Les éléments d'obtuiation affectés aux premier et second conduits peuvent égaleiaeent être maintenus de manière à permettre une ouverture ou fermeture simultanée du premier 3 et du second co Dduits, lorsque le levier pivotant est en position centrale Ceci donne une possibilité d'ouverture ou de fermeture simultanée de plusieurs sections, lor sqne G ie systeme lervi er pivotant-induit est en position centrale, ce qui permet d'obtenir des soupapes à trois positions et sans chevauchement. Dans les sections extrêmes des deux branches externes, il est par ailleurs possible de prévoir des alésages transversaux recevant un ressort Ces ressorts, dont la tension initiale est réglable à l'aide d'une vis, par exemple, peuvent s'appliquer en permanence sur l'une ou l'autre des deux branches contituant l'induit, tendant ainsi à retenir ce 10 dernier en position centrale ou conférant à la soupape un comportement proportionnel Le montage peut toutefois être tel, que l'effet des ressorts sur l'induit ne s'exerce que dans l'une des deux positions finales, afin de réduire la force de maintien générée par le système- d'aimant permanent. 15 L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple de construction représenté sur le dessin annexé Cette figure unique correspond à une coupe longitudinale de la soupape conforme à l'invention. Une soupape électromagnétique, utilisable par exemple pour la commande d'un vérin pneumatique, présente une tête magnétique 1, dont l'une des faces repose sur une cage de soupape 3 avec un film séparateur intercalaire 2, cette ca25 ge 3 étant réalisée en deux parties 3 ' et 3 " Des vis non représentées assemblent ces deux parties, ainsi que la cage 3 et la tête 1, que le film 2 protège contre toute pénétration du fluide commandé par la soupape. La tête magnétique 1 comporte un noyau en E 4 feuilleté, dans lequel sont insérées deux bobines excitatrices coaxiales 5, enroulées en dehors du noyau L'électroaïmant pourrait aussi bien ne présenter qu'une seule bobine Le noyau 4 se situe dans un bottier en plastique 6 qui laisse 35 libres les seules faces frontales, adjacentes au film séparateur 2, des deux branches externes et de la branche centrale du noyau 4 L'espace compris entre ces branches, le film et les bobines 5 est scellé par une matière isolante 7 Le bottier 6 et la masse de remplissage 7 peuvent être un bloc moulé d'une seule pièce. Sur son côté adjacent au film 2, la cage 3 présente un évidement, dont la profondeur, dans cet exemple de construction, représente à peu près 40 % de la dimension de la cage mesurée dans ce sens Cet évidement, qui consitue un premier compartiment 8, est limité côté externe par une paroi 9 de 10 cette même cage 3; cette paroi est alignée sur celle limitant le bottier plastique 6 et se situe dans son prolongement. Les trois pôles magnétiques 10, 11 et 12-de l'électroaimant, 15 situés dans le premier compartiment, sont formés par trois réglettes massives en matériau bien aimantable, dont la fixation sur la paroi 9 de la cage 3 est telle, que l'une de leurs faces s'appuie intégralement sur le film 2 La réglette formant le pôle central 10 a une section carrée. Comme le montre la figure, elle est adaptée aux dimensions de la branche centrale du noyau 4, constituant ainsi un prolongement de même section Les deux branches externes sont elles-mêmes prolongées par les réglettes formant les deux pôles externes il et 12, également massives et com25 posées d'un matériau facilement aimantable Ces réglettes présentant toutefois une section rectangulaire, elles affleurent côté externe avec la branche latérale correspondante, mais s'étendent au-delà de cette dernière dans le sens du pôle central 10. Un second compartiment central 14, dans lequel débouche une ouverture de soupape 15 qui part du côté externe 13, est prévu entre le premier compartiment 8 et ce même coté 13 de la cage 3, distant du fim séparateur 2 De part et 35 d'autre de cette óuverture centrale 15, la cage 3 est traversee par deux autres ouvertures 16 et 17 parallèlement à 'ouverture de soupape 15 et à distance égale de celle-ci. Ces ouvertures 16 et 17, qui partent également du côté externe 13, débouchent respectivement dans des sections de matériau cylindriques, saillant dans le premier compartiment 8 et formant des sièges de soupape 18 et 19 Deux autres ou5 vertures 20 et 21, qui partent respectivement à la perpendiculaire des deux ouvertures précitées 16 et 17, se prolongent en direction du second compartiment 14, dans lequel elles débouchent au centre de sièges 22 et 23, qui pénètrent dans le compartiment précité Les deux ouvertures coaxiales 10 20 et 21 constituent respectivement un premier et second conduits, les deux ouvertures 16 et 17 en constituant respectivement un troisième et un quatrième. La séparation entre le premier compartiment 8 et le second 15 14 est formée par des sections de matériau de la cage 3 partagée en son centre, ces sections étant en saillie l'une par rapport à l'autre avec un écartement entre leurs extrémités Une rainure trapézoidale annulaire est prévue dans les faces frontales tournées l'une vers l'autre de ces deux 20 sections Un joint annulaire 24, encastré dans ces deux rainures et présentant une section en double trapèze, assure l'étanchéité du premier compartiment 8 par rapport au second 14; ce joint reçoit également une barrette métallique 25 montée, à proximité immédiate de l'élément 24 et du côté tourné vers le premier compartiment 8, sur deux tranchants opposés 26 qui sont formés par les deux sections de maté-riau précitées et constituent un support pour un levier pivotant à deux bras La barrette 25, qui se prolonge dans le second compartiment 14, se situe dans un corps en plas30 tique moulé d'une seule pièce avec le joint 24; la section finale libre, de forme trapézoidale, du corps précité constitue deux éléments de fermeture 27 et 28 qui permettent d'obturer au choix l'un des sièges 22 et 23, et par suite le premier ou le second conduit de soupape. 35 La barrette 25, scindée dans le sens de la longueur, se prolonge également dans le compartiment 8 A une faible distance de la cloison séparant les compartiments, ses deux moitiés sont d'abord incurvées à angle droit vers l'extérieur, puis dans le sens opposé, pour former un logement en U qui reçoit un aimant permanent 29, de section rectangulaire, ainsi que deux pièces polaires 30, identiques et symétriques; ces dernières, directement adjacentes aux surfaces latérales de l'aimant permanent 29, se prolongent au-delà de ce dernier dans le sens du film séparateur 2, un entrefer de dimension suffisante étant formé entre le 10 pôle central 10 et l'aimant 29 Le logement en U, constitué par la barrette 25 en métal non aimantable, est enveloppé par un corps en plastique 31 et serré contre les pièces polaires 30, ainsi solidaires de la barrette 25. La section de cette dernière qui part des tranchants 26 15 dans le sens du film 2, l'aimant permanent 29, les deux pièces polaires 30 et le corps en plastique 31 constituent donc le premier bras d'un double levier pivotant, dont l'extrémité libre est en forme de fourchette Le deuxième bras de ce levier est formé par la gaine et la section de barrette 25, comprises dans le second compartiment 14. Les deux sections 30 ' des pièces polaires 30 en saillie par rapport à l'aimant permanent 29 pénètrent en formant quatre entrefers entre les pales magnétiques 10 et 11 d'une 25 part, 10 et 12 d'autre part La forme et le montage symétriques des pales 10 à 12 et des pièces polaires 30 permet aux sections 30 ' pénétrant dans les entrefers de s'appliquer sur l'un des deux pales externes et sur le pôle central respectivement dans les deux positions extrêmes du levier pivotant La constitution de quatre entrefers au total permet, pour un mouvement de l'induit formé par les sections 30 ', de maintenir constante la somme des entrefers, tant pour le flux magnétique de 1 'électroaimant que pour eelui de l'aimant permanent, externe au circuit magnétique 35 de l'éleetroaimant. Des supports 32, prévus à une oertaine distance diamétrale et dans lesquels sont logés des éléments de fermeture 33 et 34, sont moulés sur des sections opposées du corps en plastique 31 L'élément 33 est aligné sur l'ouverture de soupape 16, l'élément 34 sur l'ouverture 17 Comme le montre la figure, ces éléments 33 et 34 sont montés dans leurs supports 32 de manière à obturer l'ouverture correspondante, lorsque le levier pivotant se trouve dans la position centrale représentée sur le dessin Un ressort hélicoidal , soumis à une tension initiale, s'appuie sur le côté de 10 chaque élément de fermeture orienté dans le sens du film 2, sa seconde extrémité s'engageant dans un alésage du pôle magnétique 11 ou 12 aligné sur l'élément de fermeture Lorsque le levier pivote dans sa position extrême, une ouverture de soupape reste donc fermée, tandis que l'autre s'ou15 vre, suivant le sens du mouvement de ce même levier. Une ouverture 36 traversant la paroi 9 débouche dans le premier compartiment 8 Dans cet exemple de construction, les deux pôles magnétiques externes 11 et 12 présentent par ailleurs un taraudage transversal débouchant, dans lequel est insérée une vis 37 en matériau facilement aimantable, accessible de l'extérieur Ces vis 37 permettent de régler la dimension effective des entrefers Parallèlement à ces vis 37, il est possible de prévoir dans les deux pôles ex25 ternes 11 et 12 des alésages supplementaires, non représentés sur la figure, dans lesquels s'engagent les premières extrémités de ressorts hélicoidaux, les secondes s'appuyant sur l'une des deux pièces polaires 30 La tension initiale de ces ressorts est de préférence réglée à l'aide d'une vis 30 introduite dans l'alésage des pôles Dans la mesure ou ces ressorts doivent uniquement réduire la force d'arrachement, requise pour détacher les pièces polaires 30 des pôles magnétiques, ils peuvent également se situer à l'4 ntérieur des alésages et actionner uniquement un poussoir, duquel 35 se décolle la pièce polaire, dès qu'elle est séparée du pâle. Lorsque la soupape est réalisée comme une soupape 4/2, le système d'aimant permanent maintient le levier pivotant à deux bras dans l'une de ses positions finales, dans lesquelles les deux pièces polaires 30 s'appuient sur les p 85 les 10 et ll ou 10 et 12 Les ouvertures 16 et 21 ou 17 et sont alors fermées L'inversion est assurée par des impulsions générées par les bobines 5, car le flux magnétique de l'électroaimant se superpose à celui de l'aimant permanent, dans le sens d'une addition dans Ies entrefers à 10 réduire, dans celui d'une soustraction dans les entrefers augmenter. Si-la soupape précédemment décrite est utilisée pour la commande d'un vérin pneumatique par exemple, les ouvertures 15 16 et 17 sont respectivement reliées à l'un des deux raccordements au consommateur L'ouverture 15 est raccordée à la source de pression, l'ouverture 36 constituant l'échappement. Toutes les caractéristiques évoquées dans la description précédente, comme celles qui ressortent exclusivement du dessin, font partie intégrante de l'invention, dont elles représentent des formes particulières. Revendications. 1 Soupape électromagnétique pour fluides gazeux et liquides, comportant un levier pivotant, dont le mouvement est assuré par un système d'électroaimant et auquel est affecté un élément d'obturation au moins qui permet de fermer, ou d'étrangler, un conduit de soupape au minimum, caractérisée en ce que a) le système d'électroaimant est complété par celui d'un 10 aimant permanent ( 29), dont le circuit magnétique est fermé au travers de l'induit ( 30 ') du système précité, b) un bras formé en partie du moins par l'armature ( 30 ') permet de déplacer un ou plusieurs éléments d'obturation ( 33, 34) supplémentaires qui assurent la- fermeture des troisième et quatrième conduits de soupape ( 16, 17), euxmêmes reliés aux premier et second conduits ( 20, 21), c) deux conduits supplémentaires au moins ( 15, 36) débouchent respectivement dans le compartiment ( 14), dans lequel s'ouvrent avec une possibilité de fermeture les premier et se20 cond conduits ( 20, 21), et dans le compartiment ( 8) séparé du premier cité ( 14), dans lequel débouchent avec une possibilité d'obturation les troisième et quatrième conduits de soupape ( 16, 17). 2 Soupape électromagnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou les bobines excitatrices ( 5) du système d'électroaimant sont montées sur un noyau en E ou en M ( 4), dont les trois branches constituent respectivement un pôle magnétique ( 10, 11, 12), les deux pôles de 30 l'induit ( 30 ') pénétrant entre les pôles précités ( 10, 11, 12) en formant quatre entrefers. 3 Soupape électromagnétique selon une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le ou les aimants perma35 nents ( 29) sont montés entre des pièces polaires ( 30), en dehors du flux magnétique du système d'électroaimant fermé au travers de l'induit ( 30 '). 4 Soupape électromagnétique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les pièces polaires ( 30) dépassent l'extrémité de l'aimant permanent ( 29) distante du support ( 26) du levier pivotant, leurs sections en saillie consti5 tuant les deux p 5 les d'induit. Soupape électromagnétique selon la revendication 2, caractérisée par la symétrie du système d'électroaimant et des deux moitiés de cage par rapport au plan médian qui 10 traverse la branche centrale du noyau ( 4), et par celle de l'induit ( 30 '), y compris le système d'aimant permanent, par rapport au plan médian longitudinal du levier piyotant, ce dernier plan se situant dans le plan médian du noyau ( 4), lorsque le levier est en position centrale. 15 6 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments d'obturation ( 33, 34),affectés aux troisième et quatrième conduits ( 16, 17), sont maintenus sur des supports ( 32), distants latéralement du bras qui constitue l'induit ( 30 '). 7 Soupape électromagnétique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les supports ( 32) sont moulés sur un corps en plastique ( 31) qui enveloppe l'aimant permanent 25 ( 29) et les section adjacentes à ce dernier des deux pièces polaires ( 30). 8 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les éléments d'obturation ( 33, 34) affectés aux troisième et quatrième conduits ( 16, 17) sont soumis a la charge d'un ressort % 35) qui les comprime contre le siège correspondant. 9 Soupape électromagnétique selon la revendication 8, ca35 ractérisée en ce que les éléments d'obturation ( 33, 34)3 affectés aux troisième et quatrième conduits ( 16, 17) sont maintenus dans les supports ( 32 de manière à permettre une ouverture ou fermeture simultanée du troisième et du quatrième conduits, lorsque le levier pivotant est en position centrale. O l Soupape électromagnétique selon la revendication 9, caractérisée en ce que les éléments d'obturation ( 27, 28) affectés aux premier et second conduits sont maintenus de manière à permettre une ouverture ou fermeture simultanée du premier et du second conduits, lorsque le levier 10 pivotant est en position centrale. 11 Soupape électromagnétique selon 'une quelconque des reve Bdications 2 à 10, caractérisée en ce que les deux branches externes du noyau ( 4) présentent, dans leurs sections 15 extrêmes constituant les pôles magnétiques ( 11, 12), un taraudage transversal au moins qui débouche dans l'entrefer adjacent et dans lequel est insérée une vis ( 37) accessible de l'extérieur. 12 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisée en ce que les deux branches externes du noyau ( 4) présentent, dans leurs sections formant les p Sles magnétiques ( 11, 12), une ouverture transversale au moins qui débouche dans l'entrefer adja25 cent et dans laquelle est montée un ressort s'appuyant sur l'induit, avec une tension initiale de préférence réglable. 13 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le levier pivo30 tant est retenu par un système de ressorts dans sa position centrale, de manière à en être écarté progressivement, c'est-à-dire proportionnellement à un courant ou à une tension. 14 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée par une forme telle d'un ou plusieurs éléments d'obturation, qu'un seul élément per- met la fermeture alternative ou simultanée de plusieurs sièges. Soupape électromagnétique selon une quelconque des re5 vendications 1 à 14, caractérisée par un induit ( 30 ') rotatif. 16 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée par une valeur constante 10 de la somme des entrefers pour le champ électromagnétique, indépendamment de la position de l'induit. 17 Soupape électromagnétique selon une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que le levier pi15 votant et l'induit constituent les parties d'un levier à deux bras.