Brevet FR2590088A1 — publié le 19870515

VERIN ELECTROMAGNETIQUE A HAUTE RAPIDITE La présente invention a pour objet un vérin électromagnétique à haute rapidité permettant d'obtenir un déplacement rectiligne très rapide et de faible course de charges petites et moyennes, tout en disposant d'une force relativement importante. Les vérins électromagnétiques sont connus depuis longtemps et sont utilisés notamment pour réaliser des commutations électriques. Ils comprennent un bobinage à l'intérieur duquel peut se déplacer un noyau. Malheureusement, le noyau présente une certaine inertie de sorte qu'il est difficile d'obtenir un déplacement rapide de celui-ci, cette difficulté étant accrue par le fait que le temps d'établissement du courant dans la self du bobinage n'est pas négligeable. C'est notamment pour cette raison qu'en commutation, les électroaimants sont de plus remplacés par des moyens électroniques qui sont plus rapides et consomment moins d'énergie. Mais ces circuits électroniques ne délivrent aucune force mécanique.La présente invention a pour objet un vérin électromagnétique dont la tige soit animée d'une puissance suffisante pour permettre de manoeuvrer des organes mécaniques tels que des clapets, par exemple, en des temps très brefs, de l'ordre de la milliseconde. Toutefois, il existe un vaste champ d'applications pour des vérins électromagnétiques pouvant manipuler des charges petites et moyennes. Pour augmenter la vitesse de fonctionnement d'un vérin électromagnétique, la présente invention a pour objet un circuit de commande particulier qui sera décrit ci-après. Selon la présente invention, le vérin électromagnétique à haute rapidité est caractérisé en ce qu'il comprend deux électroaimants ayant un noyau commun, des moyens de détection du déplacement du noyau commun étant reliés à un circuit de commande de l'alimentation des électroaimants. Ainsi, par une alimentation qui sera décrite ultérieurement il est possible de diminuer le retard à la réaction ainsi que le temps de retour du noyau. D'autres caractéristiqueS et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins qui représentent: - La Fig.l, une vue en élévation en transparence d'un vérin selon l'invention; - La Fig.2, dans les mêmes conditions le même vérin en vue de côté; - La Fig.3, un montage particulier du noyau; - Les Figs 4a à 4c des schémas destinés à permettre l'explication du fonctionnement de l'alimentation des électroaimants; - La Fig.5, un diagramme des temps d'actionnement des différents éléments du vérin; - La Fig.6, un schéma du circuit d'alimentation électrique du vérin. On sait que, selon les caractéristiques de construction des électroaimants, le facteur de marche FM est de 5%. Celà signifie que le produit du nombre de déplacements aller et retour, pendant un temps donné t, par la durée d'une course est égal au produit du temps t par le facteur de marche FM. I1 est possible d'augmenter le FM jusqu'à 50%, c'est à dire de diminuer la durée d'une course en prévoyant des moyens adaptés de refroidissement. Sur les Figs 1 et 2, on voit que le vérin se compose d'un boitier 1, de préférence étanche, d'un premier électroaimant 2 monté à la partie inférieure du bottier et d'un second électroaimant 3 monté sur un support 4 à la partie supérieure du boitier 1 par l'intermédiaire de vis 15. La carcasse de l'électroaimant 3 est montée flottante de sorte que cette carcasse puisse s'autoaligner avec celle de l'électroaimant 2. Le support 4 permet également le réglage de la course désirée, par exemple entre l.et 10 mm., par l'intermédiaire de deux trous oblongs (non référencés). Le noyau 8 de l'électroaimant 3 est solidaire du noyau 9 de l'électroaimant 2, le noyau 8 portant une plaquette métallique 5 qui se déplace avec lui.Sur chacun des supports des électroaimants 2 et 3 est fixé un détecteur de proximité respectivement 6 pour l'électro 2 et 7 pour l'électroaimant 3. la plaquette 5 est guidée, dans ses déplacements en translation par des colonnettes 10. Le boitier 1 est fermé à sa partie supérieure par un bouchon ou un presse-étoupe 11 et, à sa partie inférieure, d'une manière étanche, par un couvercle 14 permettant le passage de la tige du vérin 16 qui est solidaire du noyau commun 8 Une entrée latérale 12 et une sortie 13 permettent les passage des fils électriques d'alimentation. Bien entendu, les qualificatifs de supérieure et inférieure ne s'appliquent au vérin que dans la position représentée sur le dessin, étant entendu qu'un tel vérin peut travailler dans toutes les positions et être fixé par des vis ou par tout autre moyen. Le bottier 1 de l'appareil peut être muni d'ailettes de refroidissement (non représentées). De préférence, et comme celà apparat sur la Fig.3, une butée mécanique intérieure 17 en forme de rondelle, par exemple de marque "ELADIP" (Marque Déposée), est insérée dans chacune des carcasses et destinée à éviter le collage du-noyau 8 sur l'armature magnétique 2 ou 3 en ménageant un jeu de l'ordre de 0,05 mm. par exemple. Le vérin tel qu'il vient d'être décrit doit être alimenté électriquement dans des conditions telles que son fonctionnement soit effectivement à haute rapidité. l'obtention des tensions nécessaires est schématiquement représentée sur les schémas 4a à 4c. Sur la Fig.4a, la bobine de l'électroaimant 2 est alimentée, sous l'action d'un signal de commande de quelques volts sous une tension de 150 Volts par exemple, par l'intermédiaire d'une résistance 19 ce qui permet de réduire le retard de la réaction. Pour éviter le surdimensionnement de l'alimentation H.T, cette tension est relayée pendant le déplacement du noyau par une tension réduite de, par exemple 25Volts qui est appliquée à travers une diode 20 entre la masse et le pôle positif du bobinage 2( Fig.4b). Dès que le noyau est arrivé en fin de course, ce qui est détecté par le capteur de proximité 6, il reçoit,par la diode 21 une faible tension de maintien qui peut être fournie par une source de +5 volts, par exemple. (Fig.4c) Les mêmes tensions sont appliquées alternativement sur les bobinages des électroaimants 2 et 3. I1 est souhaitable de prévoir un circuit de détection d'anomalies dans la carte de puissance afin de mettre hors circuit les électroaimants si le temps de déplacement est supérieur à une valeur de consigne pouvant être réglée par un potentiomètre pour varier, par exemple de 4 à 300 millisecondes. La Fig.5, est un chronogramme montrant l'évolution des tensions appliquées au cours d'un cycle d'aller et retour. Sur la première ligne du schéma, est représentée l'évolution du signal de commande qui passe de la valeur O à une valeur de quelques volts et, par exemple de 5 Volts pour retomber à O au bout d'un certain temps. La deuxième ligne du schéma représente l'évolution de la tension apliquée sur la borne du premier électroaimant. La troisième ligne représente l'évolution de la tension sur le second électroaimant étant entendu qu'en fonction du sens de la course du noyau 8, les électroaimants 2 et 3 sont successivement le. premier et le second électroaimant, leur fonctionnement étant parfaitement symétrique. Le second électroaimant a pour but de permettre un retour rapide du noyau, beaucoup plus rapide que celui que l'on pourrait obtenir par un ressort ou tout autre dispositif de retour classique. Lorsque le signal de commande est appliqué sur la carte de commande de puissance, la haute tension ( par exemple 150V) est appliquée sur l'entrée de l'électroaimant avec un retard T1 qui est dû à ce que pour que l'un des électroaimant soit alimenté, il faut que l'autre ait cessé de l'être. Le temps T1 est réglable par l'intermédiaire d'une résistance ajustable. On a représenté sur cette figure, en traits interrompus, la courbe classique d'établissement du courant dans la bobine d'un électroaimant alimenté sous sa tension nominale. Par rapport au montage selon l'invention, le retard dû à la prémagnétisation est de 5 à 6 millisecondes et par suite le temps T1 est plus que doublé.On voit par une comparaison entre le graphique de la deuxième ligne et celui de la troisième ligne que la haute tension sur l'électroaimant 2 n'est appliquée qu'après suppression du courant de maintien dans l'électroaimant 3. Pratiquement, T1 est égal à T2 plus le temps de réaction du circuit. Le temps T3 constitue le retard à la réaction du bobinage de l'électroaimant 2 et présente la forme classique de l'établissement du courant dans une self, la tension décroissant avec le temps, au fur et à mesure que la résistance croit. A la fin de T3, la bobine est alimentée par la moyenne tension de 25V. Le temps T4 est le temps de déplacement du noyau au cours duquel, comme il a été mentionné précédemment le bobinage est alimenté sous une tension moyenne. Le temps T5 ets le temps au cours duquel le bobinage est alimenté par un courant de maintien (Fig.4C). Bien entendu, les temps T4 et T5 sont variables alors que les temps T1 à T3 dépendent de la structure du circuit et, notamment pour T3 du coefficient de self- induction du bobinage. A titre d'exemple uniquement, le temps T1 peut être de 40 microsecondes, T2 de 35 microsecondes et T3 de 2 millisecondes. Comme celà apparaît sur la troisième ligne, l'alimentation du second électroaimant se produit exactement dans les mêmes conditions que celle du premier électroaimant avec- un décalage dans le temps égal à la somme des temps T1,T3,T4 et T5. La figure 6 est un schéma de principe de l'alimentation des électroaimants selon l'invention. On retrouve sur cette figure des éléments déjà menticnnés dans la description des figures 4a.et 4b, à savoir, une source de haute tension HT, une source de moyenne tension MT et une source de basse tension BT. Entre la source de haute tension et les bobines des électroaimant 2 et 3, est disposée la résistance 19. La source MT est isolée de la source HT par une diode 20. Entre les sources HT et MT d'une part et les électroaimants, est disposé un premier contacteur 23 puis un second contacteur 24. Pratiquement, bien que représentés sous la forme de relais, les contacteurs sont constitués par des transistors ou analogues. Le contacteur 23 est sous la dépendance d'un circuit de temporisation (non représenté) et éventuellement d'un bouton manuel du RAZ ou reset. Le contacteur 24 est sous la dépendance d'un signal d'entrée qui est appliqué sur la borne 28. Cette borne est reliée à la borne 27 par une liaison électrooptique qui valide l'un des détecteurs 6 ou 7. Le signal d'entrée provenant du détecteur sélectionné ferme l'interrupteur 24 qui applique la haute, puis la moyenne tension sur l'une des bobines 2 ou 3 validé par le signal d'entrée appliqué sur l'entrée 28. La basse tension BT ou tension de maintien est appliquée en permanence à travers la diode 21 sur l'une des bobines 2 et 3 des électroaimants. L'une des entrées de chacune des bobines 2 et 3 est reliée directement aux sources de tension. La seconde entrée de chaque bobine est reliée à la masse M. Mais, il importe de déterminer, pour une course du noyau donnée, quelle bobine doit être alimentée. A cet effet, deux interrupteurs 25 et 26 sont disposés, d'une part entre la masse et la bobine 2 et d'autre part, entre la masse et la bobine 3. Pratiquement, ce montage peut être remplacé par un inverseur. L'information de fonctionnement de l'un des deux contacteurs 25 ou 26 est donnée par le signal d'entrée, qui bien entendu, isole d'un point de vue électrique, la partie haute tension de la masse. La borne 28 est connectée directement avec l'entrée de commande du commutateur 25 et par l'intermédiaire .d'un inverseur 29 au commutateur 26. Le fonctionnement du circuit d'alimentation est le suivant l'interrupteur 23 est fermé. Le noyau se trouve soit en haut, soit en bas du vérin ce qui correspond à la tige entrée ou à la tige sortie. Le détecteur 6 ou 7 correspondant à la position du vérin délivre un signal sur la borne 27. Le même signal est appliqué sur la borne 28 et ferme l'un des interrupteurs 25 ou 26. Si l'interrupteur 25 est fermé, la bobine 2 est alimentée et vice-versa. Au bout du temps d'une course, T4, le signal émis par le second détecteur ouvre l'interrupteur 24 et la haute tension est déconnectée. Si cette déconnexion ne se produit pas au bout d'un temps déterminé, la temporisation 30 ouvre automatiquement le contact 24 et émet un signal d'alarme se manifestant par exemple par l'allumage d'un voyant. Lorsque le noyau doit effectuer la course inverse, on alimente par l'intermédiaire des transistors 24 et 26 la bobine 3. La bobine 2 se démagnétise immédiatement par la diode 31 dont la cathode est reliée directement à la masse par une diode (non représentée) et le processus déjà décrit se déroule normalement. Comme indiqué précédemment, le circuit comprend un étage de détection des anomalies 23, transistorisé et temporisé qui évite la destruction des électroaimants en cas de défaillance mécanique ( blocage du noyau) ou électrique ( fil coupé). Comme indiqué précédemment, l'étage 23 coupe l'alimentation en haute tension, lorsque la course du noyau n'a pas été achevée au bout d'un temps déterminé ce qui est détecté par l'absence de changement d'état de l'une des bornes 6 ou 7. Dans ce cas un voyant s'allume et le circuit doit être réarmé. Des vérins fabriqués selon la présente invention ont permis de déplacer des masses de 500 grammes en de 2 millisecondes et des masses de 4 Kg en quinze millisecondes. Au delà de 4 Kgs, l'invention perd son intérêt compte tenu de l'inertie de la charge à déplacer. Le vérin qui vient d'être décrit trouve des applications remarquables dans les appareils de tri éventuellement indexés sur des moyens de détection des couleurs. Il va- de soi que de nombreuses variantes peuvent être introduites notamment par substitution de moyens techniquement équivalents sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10 Vérin électromagnétique à haute rapidité caractérisé en ce qu'il comprend deux électroaimant (2,3) ayant un noyau commun (8), des moyens de détection (6,7) du déplacement du noyau commun étant reliés à un circuit de commande (28 à 32) de l'alimentation des électroaimants par des sources Haute tension, moyenne tension et basse tension. 20 Vérin électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que une butée (17) mécanique élastique est interposée dans chacune des carcasses des électroaimants (2,3) entre la carcasse et le noyau (8). 30 Vérin électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu' un électroaimant (2,3) est relié à la source de haute tension par l'intermédiaire d'une résistance (19), lors du début du déplacement du noyau, puis à une source de moyenne tension par une diode (20) et enfin, à un courant de maintien par une diode (21). 40 Vérin électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande (28 à 32) comprend un étage (23) temporisé de détection des anomalies.