Brevet FR2553567A1 — publié le 19850419

VERIN ELECTROMAGNETIQUE COMPORTANT AU MOINS DEUX CIR CUITS MAGNETIQUES DISTINCTS. La présente invention a trait à un vérin électrc m3snetnqlue comportant deux armatures susceptibles d un mouvement relatif définissant une course. Un tel vérin ormet la commande d'au moins un organe mobile grâce à l'alimentation électrique d'au moins un bobinage générant une force électromagnétique ; la force avec laquelle s'exerce la commande tout au long de la course est une caracteristique essentielle d'un tel vérin. On connaît déjà un vérin électromagnétique comportant deux armatures et un circuit magnétique, dont la réluctance est variable au cours du fonctionnement entre une pleur minimum atteinte pour une extrémité de la course et une valeur maximum atteinte pour 1 'autre extrémité de ladite course. Dans un tel vérin, la force élec tromagnétique de commande est croissante de façon continue quand on passe de l'extrémité de la course où la réluctance du circuit magnétique est maximum à celle où la réluctance est minimum ; l'élément mobile par lequel. se transmet la commande est généralement soumis à une faible force de rappel ; on constate donc que la force de commande disponible varie tout au long de la course d'une façon continue sur laquelle il n'est pas possible d'agir. La grandeur de la force disponible est, bien entendu fonction du bobinage électromagnétique, qui fait partie du vérin,et l'on a déjà proposé de disposer à l'intérieur d'un même verin plusieurs bobinages distincts dont les alimentations sont établies selon la position de 1 élément mobile du vérin ; en particulier, on a proposé d'utiliser deux bobinages, qui agissent simultanément pour provoquer le déplacement de l'élément mobile du vérin, mais dont un seul reste alimenté lorsque l'élément mobile arrive dans la position où la réluctance du circuit magnétique est minimum. Un tel vérin peut, notamment, entre utilisé pour commander le déplacement du pignon de démarrage associé à la couronne d'un démarreur de véhicule automobile. Cependant, les vérins électromagnétiques de type connu présentent l'inconvénient fondamental de délivrer une force de commande disponible qui varie tout au long de la course de l'élément mobile du vérin d'une façon continue et définie sur laquelle il n'est pas Possible d'agir. Cette variation continue peut ne pas être gênante pour certaines applications, mais elle constitue un obstacle pour d'autres applications et, notamment, lorsque I 'on veut utiliser un vérin électromagnétique pour commander un embrayage mécanique de véhicule automobile On saint, en effet, que dans un tel cas l'effort à appliquer sur le diaphragme de commande de l'embrayage est variable le long de la course selon une courbe dite "ensellée" ; cette courbe donnant la force F en fonction de la course C présente une zone décroissante située entre deux zones croissantes. Dans d'autres applications des vérins, il peut être particulièrement intéressant de maintenir constante tout au long d'une partie importante de la course, la force de commande disponible.On constate donc qu'il est souhaitable de pouvoir agir sur a forme de la courbe qui représente la variation de la force de commande fournie par le vérin en fonction de la course de l'élément mobile du vérin La présente invention a pour but de proposer un vérin électromagnétique dont la structure permet d'agir sur la courbe représentant les variations de la force en fonction de la course, et dont la structure permet, notamment, d'obtenir soit une force constante, soit une courbe de forme "enséllee". Pour atteindre ce but, on propose de ménager, dans le vérin électromagnét.que selon l'invention, une pluraliste de circuits magnéti - tiques ré1 ctance variable. les différents circuits ayant des variations de réluctance décalées Pendant la course de lteleent mobile du vérin. û constate que, dans ces conditions, la superposition des effets des différents circuits magnétiques permet d'agir sur la forme de la courbe de variation de la force tout au long de la course.Le principe de base de l'invention est donc de superposer les effets d'une pluralité de circuits magnétiques, dont les réluctances peuvent varier dans le meme sens ou dans des sens différentes entre une valeur minimum et une valeur maximum, les zones de variations des rél uctances des différents circuits magnétiques étant décalées les unes par rapport aux autres le long de la course de 1 'élément mobile du verin, de sorte que, lors du déplacement de cet élément mobile au cours du temps. les variations de réluctance des différents circuits interviennent au moins partiellement à des moments différents. La présente invention a, en conséquence, pour objet un vérin électromagnétique comportant deux armatures,susceptibles d'un mouvement relatif définissant une course,et un circuit magnétique principal, dont la réluctance est variable au cours du fonctionnement entre une valeur minimum atteinte Dcur une extrémité de ladite course et une valeur maximum atteinte pour l'autre ex tremité de la course, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un circuit magnétique secondaire, dont la réluctance est variable au cours du fonctionnement entre un minimum et un maximum, cette variation étant décalé pendant la course par rapport à celle de la réluctance du circuit magnétique principal. Dans un mode préféré de réalisation, la variation de réluctance des circuits magnétiques principal et secondaire(s) est obtenue par une variation d'entrefers pendant le mouvement relatif des armatures du vérin les variations de réluctance des circuits magnétiques principal et secondaire(s) au cours d'une course de fonctionnement du vérin sont des variations monotones et de même sens. On peut, avantageusement, prévoir que le vérin selon l'invention comporte une armature ferromagnétique externe, qui entoure une armature ferromagnétique interne, au moins deux éléments de bobinage étant portés par 1 'une des armatures et étant disposés dans le volume annulaire ménagé entre les deux armatures, 1 armature qui porte les éléments de bobinage étant associée à au moins un séparateur ferromagnétique, qui est disposé entre deux éléments de bobinane et qui définit avec les armatures un circuit magnétique secondaire ; on peut prévoir que 1 'armature externe ait une forme cylindrique et comporte un fond, l'armature interne étant disposée sensiblement selon l'axe de l'armature externe, l'entrefer du circuit magnétique principal étant constitué de deux parties, une partie constante répartie cylindriquement entre les deux armatures et une partie variable disposée entre l'armature interne et le fond de l'armature externe ; dans ce cas, le séparateur peut être disposé radialement au droit de la partie variable de l'entrefer du circuit magnétique principal le circuit magnétique secondaire comportant un entrefer constitué d'une partie constante et d'une partie variable. Dans une réalisation préferée, le séparateur a la forme d'une rondelle annulaire d'épaisseur constante e ; lorsque 1 entrefer du circuit magnétique principal est minimum, la partie variable de l'entrefer du circuit magnétique secondaire est constituée globalement d'un espace cylindrique de largeur constante E défini par le séparateur entre les deux armatures ; dans une variante, l'espace cylindrique défini par le separateur entre les deux armatures est constitué d'un anneau cylindrique unique de largeur E, par exemple disposé erre l armature interne et le séparateur ; dans une autre variante, l'espace cylindrique défini oar le séparateur entre les deux armatures est onstitué par une pluralité d'anneaux cylindriques dont la somme des largeurs, mesurée radialement, est égala a E. Selon un mode de réalisation intéressant, les éléments de bobinage sont disposés à l'intérieur de armature externe ; l'armature externe est fixe alors que i armature Interne constitue un plongeur mobile dans une /arian.e, les éléments de bobinage disposes de part et d autre du séparateur constituent deux bobines distinctes ; dans une autre variante, les éléments de bobinage disposés de part et d'autre du séparateur forment deux parties d'une même bobine. Lorsque l'on désire que l'effort fourni par l'élément mobile du vérin varie en fonction de la course selon une courbe dite "ensellée", on a constaté que, pour une structure de vérin constituée d'une armature externe cylindrique et d'une armature interne disposée selon l'axe de I -'armature externe, l'armature externe portant intérieurement deux éléments de bobinage séparés par un séparateur constitué par une rondelle annulaire radiale portée par l'armature externe, on devait respecter certaines proportionnaI tés des différents paramètres dimenionnels de la structure.Pour définir ces relations, cn désigne par H l'epaisseur constante de la paroi latérale cylindrique de l'armature externe, par est le diamètre moyen de ladite paroi cylindrique de 1 armature externe, par #i le diamètre de la bordure interne du séparateur, par e l'épaisseur du séparateuri mesuree.selon 1 l'axe de 1 'ar mature externe, oar E la largeur de l'entrefer minimum existant entre le séparateur et l'armature interne, par D la course entre les positions où 1 'entrefer du circuit magnétique principal est maximum ou minimum, par x la distance entre le séparateur et la partie constante de l'entrefer du circuit magnétique principal, et par xO la distance entre la face frontale de 1 'armature interne, en vis-à-vis du fond de l'armature externe, et la partie constante de i'entrefer du circuit magnétique principal, quand ledit entrefer est maximum ; on définit,dès lors, trois rapports, à savoir e#i - #1 = H#e ; - #2 = E 2 # = D et - 3 x - x0 D On constate que, si l'on veut que la force de commande varie en fonction de la course selon une courbe "ensellée", il faut que, toutes choses étant égales par ailleurs, on choisisse les rapports #1, 2 2' X3 ci-dessus définis de la façon suivante - 0,18 Au contraire, si l'on desire que la force de commande du vérin reste sensiblement constante tout au long de la course, on constate que l'on doit choisir -0,08 #2 Les gammes particulières des rapports #1, #2, #3 73 qui ont été ci-dessus donnés ont été défi n'es a tartir de l'etude de la structure,qui est représentée sur la figure 1. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'inven- tion, on va en décrire maintenant, à titre d'exemPle purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente, schématiauement en coupe axiale, un vérin électromagnétique selon l'invention ; - la figure 2 représente deux courbes de variation particulières de la force de commande fournie par un vérin du type de celui représente sur la figure 1, 1'une des courbes correspondant au cas où l'on obtient une force cons tante tout au long de la course, lorsque l'autre courbe correspond au cas ou le choix des paramètres conduit à obtention d'une courbe "ensellée" En se référant au dessin, on voit que le vérin électromagné tioue selon l'invention comprend une armature externe 1, de forme ge- nérale cylindrique.L:armature externe 1 comporte une paroi latérale cylindrique la, qui est fermée à une extrémité par un fond lb et, à son autre extrémité, par un rebord annulaire lc. Dans sa zone médiane, ia paroi latérale cylindrique la porte un séparateur 2, qui a la forme d'une rondelle annulaire faisant saillie vers l'axe de l'armature externe. Dans la zone centrale du fond lb, on a ménagé un siège ld, qui fait saillie vers l'intérieur de l'armature externe, en direc tion du séparateur 2. La forme frontale du siège ld cor respond a' la forme frontale de l'armature mobile 3 du vérin. L'armature mobile 3 est un plongeur mobile constitué d'une tige cylindrique, qui est susceptible de coulisser par rapport à l'armature externe 1 entre une position P1 correspondant à la position renrnsent e sur la figure 1 et "ne position p2 dans laquelle la face frontale de l'armature interne 3 est en contact avec la face frontale du siège ld. Les armatures 1 et 3 et le séparateur 2 sont realisés en un matériau ferromagnétique, par exemple en acier. Sur la figure 2, les positions Pi et P2 ont été repérées et définissent les extrémités de la course pendant laquelle on étudie la variation de la force de commande fournie par le vérin. Le plongeur, qui constitue i 'arma- ture interne 3, est soumis à l'action d'un ressort de rappel, non représenté sur le dessin, ce ressort de rappel agissant dans le sens contraire de la force électromagnétique et étant uniquement destiné à ramener le plongeur 3 vers l'une des extrémites de sa course. Le vérin électromagnétique décrit comporte deux éléments de bobinages constitués par deux bobines distinctes 4 et 5. La bobine 4 est disposée entre le rebord lc et le séparateur 2 ; elle comporte 120 spires d'un fil de cuivre de 1,06 mm de diamètre et elle est alimentée à partir d'une batterie de 12 volts avec un courant de 23,5 ampères. a bobine 5 est disposée entre le séparateur 2 et le fond lb ; elle est constituée de 120 spires d'un fil de cuivre de 0,6 mm de diamètre et elle est alimentée à partir d'une batterie de 12 volts par un courant de 6,5 ampères.Pour permettre la mise en place des bobines 5 et 4, le separateur 2 et le rebord lc sont réalisés sous la forme de rondelles annulaires vissées à l'intérieur de la paroi cylindrique latérale la ; on met d'abord en place le bobinage 5 puis, par vissage, le séparateur 2, puis le bobinage 4 et enfin, par vissage, le rebord annulaire lc. Pour le dispositif étudie, on a adopté les dimensions suivantes : l'épaisseur du rebord lc, mesuree selon l'axe de l'armature, est de 7,6 mm et l'entrefer entre ce rebord et 1 'armature interne 3 est de 0,5 mm ; le diamètre de l'armature interne 3 est de 25 mm ; dans la position C1 représentée sur la figure 1 l'armature interne 3 a une face frontale qui, sur son axe, est distante d'une longueur D = 12 mm de la face frontale du siège ld,qui lui fait vis-à-vis La distance entre la face interne du rebord lc et la=face frontale du siège ld, mesuree selon l'axe de armature externe 1, est de 20,9 mm.Le diamètre intérieur de la paroi cy cylindrique la est de 48,5 mm et son diamètre extérieur est de 54 mm. La distance L entre le fond lb et la face interne du rebord lc est de 26,8 mm ; 1 'épaisseur du fond lb est de 2,8 mm.On a désigné par e l'épaisseur du séparateur 2, mesurée selon l'axe de 1 'armature ex terne ; par E la distance entre la bordure interne du séparateur 2 et l'armature interne 3, lorsque cette ar mature 3 est positionnée au droit du séparateur 2; par x la distance entre le séparateur 2 et la face interne du rebord lc ; par xû la distance entre la face interne du rebord lc et la face frontale de l'armature interne 3, à la périphérie de celle-ci, par pe le diamètre moyen de la paroi cylindrique latérale la, le diamètre de la bordure interne du séparateur 2 et par H 1 épaisseur de la paroi latérale la. Dans le vérin électromagnétique, qui vient d'etre décrit, le circuit magnétique principal est constitué par le chemin de flux qui ne passe pas par le séparateur 2, c'està-dire, en partant de l'armature interne 3, par la succession suivante : plongeur 3, entrefer annulaire constant de 0,5 mm existant entre le plongeur 3 et le rebord annul aire 1 c, rebord annulaire 1 c paroi cylindrique la térale la, fond lb, siege ld, entrefer variable entre le singe ld et la face frontale du plongeur 3.Dans ce circuit magnétique principal, on trouve une partie cons tante d'entrefer principal entre le plongeur 3 et le rebord lc., et une partie variable de l'entrefer principal entre le siège ld et le plongeur 3. Le circuit magnétique secondaire passe par le séparateur 2 et correspond, oar conséouent, au chemin ae flux suivant : plongeur 3,--------- entrefer annulaire constant de 0,5 mm entre le plongeur 3 et le rebord annulaire lc, rebord annu laire lc, paroi cylindrique latérale. la, séparateur 2, entrefer variable entre le séparateur 2 et le plongeur 3.On constate que ce circuit magnétique secondaire comporte une partie constante d'entrefer secondaire entre le plongeur 3 et le rebord lc, et une partie variable d'entrefer secondaire entre le séparateur 2 et le plongeur 3. Si l'on adopte avec la structure ci-dessus défi nie les a-mensionnements suivants - 1 mm - 0,5 mm X = 0,5, on constate que la courbe de variation de la force obtenue sur le plongeur 3 en fonction de la course, quand les deux bobines 4 et 5 sont alimentées simulta dément, est une courbe de forme "ensellée" telle que celle désignée par 6 sur la figure 2 ; sur cette figure5 la force disponible sur le plongeur 3 a été désigne par F et portée en ordonnée ; la course du plongeur 3 a ete désignée par C et portée en abscisse ; le point C1 correspond à la position P1 représentée sur la figure 1, ou la réluctance des circuits magnétiques principal et secondaire(s) est maximum, alors que le point C2 correspond à une position intermédiaire oroche de la position P2 dans laquelle le plongeur 3 vient en contact par sa face frontale avec le siege ld. L'intrt dc l'obtention d'une courbe d'ffort telle que la courbe 6 est que l'on peut facilement utiliser le vérin ainsi défini pour la commande d'un embrayage mécanique de véhicule automobile. Si l'on veut obtenir avec la structure de verin ci-dessus décrite une force de commande qui soit cons tante au moins sur une partie importante de la course et qui soit, nar conséquent, représentée par la courbe 7 de 1 a 'i- gure 2 on a constate que l'on devait choisir - 0,5 mm - 2 - 0,4 mm L A partir des données expérimentales ci-dessus rapportées, on a établi que lion pouvait, pour les formes des courbes 6 et 7, définir des zones de variations pour les rapports sans dimension suivants e#i - #1 = H#e ; E - #2 = D ; ; D Pour obtenir une courbe du type 6, on doit avoir, toutes choses restant égales par ailleurs, - 0,18 Pour obtenir une courbe du type 7,on doit avoir, toutes choses restant égales par ailleurs - 0,08 I1 est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus decrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Revendications 1 - Vérin électromagnétique comportant deux armatures (1,3) susceptibles d'un mouvement relatif définissant une course et un circuit magnétique principal (3/lc/ ci lallblld/3j, dont la réluctance est variable au cours du fonctionnement entre une valeur minimum atteinte pour une extrémité de ladite course et une valeur maximum atteinte pour l'autre extrémité de la course, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un circuit magnétique secondaire (3/1 cil a/2/3), dont la réluctance est variable au cours du fonctionnement entre un minimum et un maximum, cette variation étant décalée pendant la course par rapport à celle de la réluctance du circuit magnétique principal. 2 - Verin selon la revendication 1, caractérise par le fait que la variation de réluctance des circuits magnétiques principal et secondaire(s) est obtenue par une variation d'entrefers pendant le mouvement relatif des armatures (1,3) du vérin. 3 - Vérin selon-l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les variations de réluctance des circuits magnétiques principal et secondaire(s) au cours d'une course de fonctionnement du vérin sont des variations monotones et de meme sens. -4 - Vérin selon la revendication 2 prise seule ou en combinaison avec la revendication 3, comportant une armature ferromagnétique externe (1), qui entoure une armature ferromagnétique interne (3), au moins deux élé- ments de bobinage (4,5) étant portés par l'une (1) des armatures et etant disposés dans le volume annulaire ménagé entre les deux armatures, caractérisé par le fait que l'armature (1), qui porte les éléments de bobinage (4,5), est associée à au moins un séparateur ferromagnétique (2) dispose entre deux éléments de bobinage (4,5) et définissant avec les armatures (1,3) un circuit magné tique secondaire 5 - Vérin selon la revendication 4 caractérisé par le fait que l'armature externe (1) a une forme cylin drique et comporte un fond (lb), l armature interne (3) étant disposée sensiblement selon l'axe de l'armature externe (i), l'entrefer du circuit magnétique principal étant constitue de deux parties, une partie constante (3/lu) répartie cyl indriquement entre les deux armatures (1,3), et une partie variable (ld/3), disposée entre l'armature interne (3) et le fond (lb) de l'armature externe. 6 - Vérin selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le séparateur (2) est disposé radialement au droit de la partie variable de 1 'entrefer du circuit magnétique principal, le circuit magnétique secondaire comportant un entrefer constitué d'une partie constante (3/lc) et d'une partie variable (2/3g. 7 - Vérin selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le séparateur (2) a la forme d'une rondelle annulaire d'épaisseur constante e. 8 - Verin selon la revendication 6, caractérisé par le fait que, lorsque l'entrefer du circuit magnétique principal est minimum, la partie variable de l'entrefer du circuit magnétique secondaire est constituée globalement d'un espace cylindrique de largeur constante E défini par le séparateur (2) entre les deux armatures (1,3). 9 - Vérin selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'espace cylindrique défini par le séparateur (2) entre les deux armatures (1,3) est cons titué d'un anneau cylindrique unique de largeur E. 10 - Vérin selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'espace cylindrique défini par le séparateur (2) entre les deux armatures (1,3) est cons titué par une pluralité d'anneaux. cylindriques5 dont la somme des largeurs, mesurée radialement, est gale à E ll - Vérin selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'anneau cylindrique est disposé entre l'armature interne (3) et le séparateur (2). 12 - Vérin selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les éléments de bobinage (4,5) sont disposés à 1 'intérieur de l'armature externe (1). 13 - Vérin selon 1 'une des revendications 4 à 12, caractérisé par le fait que 1 'armature interne (3) est un plongeur mobile, l'armature externe (1) étant fixe. 14 - Vérin selon les revendications 7, 9 et 12 prises simultanément, dans lequel l'effort fourni par l'élément mobile varie en fonction de la course selon une courbe dite "ensellée", et dans lequel on désigne par H l'épaisseur constante de la paroi cylindrique de l'armature externe, par e le diamètre moyen de ladite paroi cylindrique de l'armature externe et par le diamètre de la bordure interne du séparateur, ladite bordure interne étant un cercle de même axe que la paroi cylindrique de l'armature externe, 1 désignant e#1 le rapport H#e, caractérisé par le fait que l'on choisit 0,18 15 - Vérin selon les revendications 7, 9 et 12 prises simultanément, dans lequel l'effort fourni par l'élément mobile varie enfonction de la course selon une courbe dite "ensellée" et dans lequel on désigne par D la course entre les positions où l'entrefer du circuit magnétique principal est maximum ou minimum, A2 désignant le rapport E caractérisé par le fait que l'on choisit 0,04 16 - Verin selon les revendications 7, 9 et 12 prises simultanément, dans lequel 1 'effort fourni par l'élément mobile varie en fonction de la course selon une courbe dite "ensellée" et dans lequel on désigne par D la course entre les positions où l'entrefer du circuit magnétique principal est maximum ou minimum, par x la distance entre le séparateur et la partie constante de l'entrefer du circuit magnétique principal et par xO la distance entre la face frontale de l'armature interne, en vis-àvis du fond de l'armature externe3 et la partie constante de l'entrefer du circuit magnétique principal, quand ledit x - x0 entrefer est maximum, 3 désignant le rapport D caractérisé par le fait que l'on choisit 3 voisin de 0,37 17 - Vérin selon les revendications 7, 9 et 12 prises simultanément, dans lequel l'effort fourni par l'élément mobile reste sensiblent constant le long d'une partie importante de la course et dans lequel on désigne par H l'épaisseur constante de la paroi cylindrique de l'armature externe, par e le diamètre moyen de ladite paroi cylindrique de l'armature externe et par i le diamètre de la bordure interne du séparateur, ladite bordure interne étant un cercle ae même axe que la paroi cylindrique de l'armature externe, 1 désignant le rapport e#i H#e caractérisé par le fait que l'on choisit 0,08 18 - Vérin selon les revendications 7, 9 et 12orises simultanément, dans lequel l'effort fourni par l'élément mobile reste sensiblement constant le long d'une par ti importante de la course et dans lequel D désigne la course entre les positions où l'entrefer du circuit magnétique principal est maximum ou minimum, #2 désignant le rapport E caractérisé par le fait que l'on choisit 0,17 19 - Vérin selon les revendications 7, 9 et 12 prises simultanément dans lequel l'effort fourni par l'élément mobile reste sensiblement constant le long d'une partie importante de la course et. dans lequel on désigne par D la course entre les positions où l'entrefer du circuit magnétique principal est maximum ou minimum, par x la distance entre le séparateur et la partie constante de l'entrefer du circuit magnétique principal et par xO la distance entre la face frontale de 1 '-armature interne, en vis-à-vis du fond de l'armature externe, et la partie constante de l'entrefer du circuit magnétique principal, quand ledit entrefer est maximum, 3 désignant le rapport x x0 caractérisé par le fait que l'on choisit 0,15 20 - Vérin selon l'une des revendications 4 à 19, caractérisé par le fait que les éléments de bobinage disposes de part et d'autre du séparateur constituent deux bobines distinctes (4,5). 21 - Vérin selon l'une des revendications 4 à 19, caractérisé par le fait que les éléments de bobinage disposes de part et d'autre du séparateur forment deux parties d'une même bobine.