Brevet FR2657201A1 — publié le 19910719

MOTEUR D'ENTRAINEMENT LINEAIRE A AIMANTS PERMANENTS ET SES APPLICATIONS. a présente invention concerne un moteur linéaire pouvant être utilisé notamment pour actionner des portes coulissantes d'ascenseurs. Par le brevet US 2 303 263, on connait déjà un moteur électromagnétique rectiligne qui comprend un plongeur rectiligne présentant des portions magnétiques alternées avec des portions amagnétiques d'égales longueurs disposées successivement plusieurs électro-aimants espacés et disposés longitudinalement le long du plongeur, la longueur de chaque électro-aimant étant égale à la longueur de l'une desdites portions, et la distance entre deux électro-aimants successifs étant de un et deux tiers fois la longueur d'un électro-aimant, lesdits électroaimants et ledit plongeur étant montés en mouvement relatif dans le sens longitudinal lorsque les électroaimant s sont alimentés ;; et des moyens sensibles audit mouvement relatif afin d'exciter successivement lesdits électro-aimants selon une séquence telle que le mouvement se fasse dans un sens, ou selon une séquence inverse pour que le mouvement se fasse en sens inverse. Toutefois, la commutation de l'alimentation des électro-aimants d'un tel moteur est réalisée par un système de relais compliqué, encombrant et lourd. De plus, ce système de relais a un faible rendement étant donné que chaque électro-aimant n1 est alimenté, et n'est donc moteur, que le tiers du temps, tandis que pendant les deux autres tiers du temps il est passif. I1 en résulte qu'à chaque moment, seul ltélectro-aimant alimenté travaille et doit tirer les deux autres électroaimants. On peut encore noter que dans le moteur linéaire selon ce brevet on doit utiliser au moins trois électroaimants pour obtenir un entratnement doux des portes, ce qui conduit à un moteur relativement lourd et volumineux. Le brevet US 2 365 632 concerne un moteur linéaire ayant les mêmes défauts que le précédent. La présente invention a pour but de remédier à tous ces inconvénients et à cet effet, elle a pour objet un moteur linéaire à aimants permanents comprenant un module fixe rectiligne formé de plusieurs aimants permanents alignés, séparés par des intervalles de longueur fixe, et disposés de manière que leurs pâles nord et sud soient alternés et orientés transversalement par rapport à la direction longitudinale du module fixe, lesdits aimants étant enrobés dans un support approprié en matériau amagnétique, un module mobile constitué d'une ou plusieurs paires d'électro-aimants en U dont les branches parallèles ont une largeur égale à celle des intervalles compris entre les aimants permanents et sont disposées de part et d'autre du module fixe, les électro-aimants étant reliés par une liaison mécanique rigide de longueur telle que lorsque l'un des électro-aimants se trouve au niveau d'un intervalle entre deux aimants permanents, l'autre se trouve en regard d'un troisième aimant permanent, un dispositif de détection du passage de l'un des électro-aimants devant les aimants permanents, et un moyen d'alimentation des électro-aimants, commandé par ledit dispositif de détection pour qu'il alimente les électro-aimants selon une séquence telle que le module mobile soit entrainé toujours dans un même sens le long du module fixe, l'alimentation de chaque électroaimant étant établie avec une polarité donnée entre un premier instant où il a dépassé la colncidence avec un aimant permanent d'une certaine distance et un second instant où il arrive à la même distance avant la coincidence avec 1 l'aimant permanent suivant, puis étant coupée entre ledit second instant et un troisième instant où il a dépassé ledit aimant permanent suivant, et est à nouveau rétablie audit troisième instant avec une polarité inverse, et ainsi de suite. Le dispositif de détection peut être constitué par exemple par une sonde à effet Hall fixée sur l'un des électro-aimants. Le moteur selon l'invention a un meilleur rendement que ceux de la technique antérieure présentée précédemment, du fait que les aimants permanents exercent à tout moment des forces d'attraction et de répulsion qui se conjuguent pour entraîner le module mobile. Des forces électromagnétiques s'exercent à la fois sur les deux électro-aimants à chaque instant, à l'exception du court intervalle du temps compris entre lesdits second et troisième instants, et pendant lequel l'un des électroaimants seulement travaille. Par contre, comme on l'a souligné précédemment, dans le moteur selon le brevet US 2 303 263 chaque électro-aimant n'est alimenté qu'un tiers du temps. Un mode de réalisation de l'invention ainsi que des exemples d'application seront à présent décrits en détail en regard du dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue en perspective du moteur linéaire selon l'invention La figure 2 est une vue en perspective de plusieurs aimants permanents constituant la partie fixe du moteur linéaire# le moyen de maintien étant omis pour la clarté du dessin ; Les figures 3 à 7 sont des vues schématiques de cinq positions successives du module mobile, qui permettent de comprendre le principe de fonctionnement du moteur linéaire ; Les figures 8 à 13 sont des diagrammes des forces qui s'exercent sur les électro-aimants. Le moteur linéaire comprend de façon générale, d'une part un module fixe 10 formé d'une succession de plusieurs aimants permanents fixes 121, 122, 123, 124..etc, disposés en ligne et maintenus en position par une barre porteuse 14 de section en T en matériau amagnétique dans laquelle les aimants sont enrobés, ladite barre étant fixée sur un support 16, et d'autre part un module mobile 18 constitué par deux électro-aimants 20,22 rigidement liés entre eux, comme on l'expliquera en détail par la suite. Comme le montre la figure 2, les aimants permanents ont leurs piles disposés en alternance vers le haut et vers le bas. Ainsi les premier, troisième, cinquième... aimants permanents ont leur pôle nord dirigé vers le haut tandis que les deuxième, quatrième, sixième... aimants permanents ont leur pôle nord dirigé vers le bas. Les aimants sont séparés par des intervalles 24 de longueur fixe. Les électro-aimants 20,22 comprennent chacun un noyau en U, dont les branches parallèles 26,27 chevauchent la barre porteuse 14. Sur les branches centrales sont bobinées des enroulements 28,29 alimentés par une source de courant non représentée. Les électro-aimants sont liés mécaniquement par deux tiges de liaison rigides 30,32. Ils sont disposés dans des plans parallèles et sont séparés d'une distance telle que, lorsque l'un d'eux se trouve en face d'un aimant permanent, l'autre se trouve en correspondance exacte avec un intervalle 24 séparant deux aimants. Le module mobile 18 est équipé d'une sonde à effet Hall 34, fixée par exemple sur l'un des électro-aimants. Cette sonde permet de mesurer le champ magnétique des aimants permanents et de fournir en réponse un signal proportionnel, capable d'agir sur l'alimentation des électro-aimants, comme on va le décrire en détail ci-après en se référant aux figures 3 à 7. Selon l'invention, l'alimentation d'un électro-aimant donné est enclenchée lorsque ce dernier arrive à une distance prédéterminée d (figure 3) après sa colncidence avec un aimant permanent et la coupure de l'alimentation est effectuée au moment du passage de l'électro-aimant à la même distance mais avant la colncidence (figure 4). On supposera que le module mobile 18 formé par les deux électro-aimants 20,22 se trouve initialement dans la position illustrée par la figure 3, c'est-à-dire que l'électro-aimant 20 vient d'arriver à la distance d après la confidence avec un aimant permanent 121, dont les polarités sont respectivement sud pour sa face supérieure et nord pour sa face inférieure. Cette position de l'électro-aimant 20 relativement à l'aimant permanent 12i est détectée par la spnde à effet Hall 34 qui émet alors un signal proportionnel au champ mesuré. Ce signal agit sur la source de courant de telle manière que celle-ci génère sur les branches supérieure et inférieure de l'électro-aimant 20 respectivement un pôle sud et un pôle nord. Pendant ce temps, l'électro-aimant 22 est alimenté par un courant qui engendre sur ses branches supérieure et inférieure respectivement un pôle nord et un pôle sud. Pour bien comprendre les forces auxquelles le module mobile 18 est soumis, on se réfèrera aux figures 8 à 13. La figure 8 représente la forme du courant d'alimentation de l'électro-aimant 20. Dans un premier temps, on supposera cette alimentation à courant i constant, ce qui explique la forme rectangulaire. L'alimentation de l'électro-aimant 22 est identique à celle de l'électro- aimant 20 mais décalée de la longueur d'un aimant. La figure 9 est un diagramme de l'amplitude de la force de répulsion F1 résultant du champ magnétique, en chaque position D du centre de l'électro-aimant 20, et dû à la proximité de deux pôles de même nom, (par exemple 12i sur la figure 3), tandis que la figure 10 montre la distribution de la force d'attraction F2 générée par l'aimant qui suit dans le sens du déplacement (par exemple 122 sur la figure 3). Sur la figure 11, on a représenté la distribution de la force résultante F1+F2 s'exerçant sur l'électro-aimant 20. De la même façon, on obtient sur la figure 12 le tracé de la distribution de la force résultante F'1+F'2 agissant sur l'électro-aimant 22. Enfin, la figure 13 donne la force résultante totale F s'exerçant sur la module mobile 18. On notera tout d'abord que cette force n'est jamais nulle. De plus, avec une alimentation non plus rectangulaire mais ayant une forme variable appropriée, il est possible de réduire ou même de faire disparaître l'ondulation de la force résultante pour obtenir une force d'entraînement le plus parfaitement constante. La forme du courant d'alimentation des électro-aimants peut être directement déduite de l'information donnée par la sonde à effet Hall sur la répartition des champs magnétiques. On revient à présent à la suite de la description du mouvement du module mobile 18 : lorsque le module mobile arrive à la position illustrée par la figure 4, c' est-à- dire lorsque l'électro-aimant 22 se trouve à une distance d avant sa coincidence avec l'aimant permanent 123, l'alimentation dudit électro-aimant est coupée. Il est en effet inutile de continuer à alimenter l'électro-aimant 22 au delà de cette position puisque la force d'attraction qu'exercerait sur lui l'aimant permanent 123 diminuerait pour devenir nulle au moment où il passe exactement en regard de l'aimant permanent 123.Malgré cette coupure de l'alimentation, le module mobile 18 continue à se déplacer sous l'action des forces électromagnétiques exercées par les aimants permanents 121et 122 sur l'électro-aimant 20, qui sont à ce moment maximales. La coupure de l'alimentation dure jusqu a ce que l'électro-aimant 22 arrive à la position de la figure 5, à une distance d après la confidence avec l'aimant permanent 123. L'alimentation de l'électro-aimant 22 est alors rétablie mais avec des polarités inverses, c' est-à- dire sud pour la branche supérieure et nord pour la branche inférieure. Pour un raisonnement analogue à ce qui précède, on montre que le module mobile 18 se déplace toujours vers la droite sur la figure 5 pratiquement à la même vitesse que précédemment. Ce mouvement se poursuit sans changement jusqu'à ce que l'électro-aimant 20 ait atteint la position de la figure 6, où il se trouve à une distance d avant la confidence avec l'aimant permanent 122. A ce moment, son alimentation est coupée, et elle n'est rétablie que lorsque l'électro-aimant 20 atteint la position de la figure 7, où il a dépassé la colncidence avec l'aimant permanent 122 de la distance d, et le mouvement se poursuit ainsi de suite. I1 va de soi que si les polarités des branches des électro-aimants étaient inversées par rapport aux polarités qu'elles ont sur les figures 3 à 7, le mouvement se ferait en sens inverse. Le moteur linéaire selon l'invention présente de nombreux avantages et est susceptible de nombreuses applications dont on ne citera que quelques unes à titre d'exemples. En contrôlant le courant magnétisant, on peut régler la force d'entraînement et donc la vitesse de déplacement du module mobile. Ce contrôle peut se faire automatiquement en comparant le profil de charge magnétique vu par la sonde à effet Hall avec un pro il type mémorisé. L'inversion du courant magnétisant permet de provoquer une force de freinage si le module mobile est en déplacement inverse. Le système peut même devenir régénérateur d'énergie si le module mobile est entrainant. En se déplaçant dans les champs magnétiques des aimants permanents, les électro-aimants génèrent des forces électromotrices induites aux bornes de leurs enroulements, étant le flux embrassé par les spires des électro-aimants. La sonde compte les aimants permanents pendant le déplacement. On peut mettre à profit cette propriété pour commander automatiquement l'arr8t du module mobile et son maintien dans une position bien définie. Par exemple, à l'arrivée de l'électro-aimant 22 en face du nième aimant permanent, où l'on a programmé l'arr8t du module, l'alimentation dudit électro-aimant est maintenue et celle de l'électro-aimant 20 est coupée. Le module sera alors en équilibre stable car tout déplacement provoqué par une force extérieure de part et d'autre de la position d'équilibre refait apparaître une composante horizontale de la force électromagnétique qui tend à remettre les pâles de l'électro-aimant 22 en face de ceux du nième aimant permanent. I1 va de soi que la précision du positionnement du module est directement liée au pas des aimants permanents. Dans le cas du module à deux électro-aimants décrit jusqu'à présent, la précision sera d'un demi-pas puisqu'un électro-aimant peut s'arr8ter soit en face d'un aimant permanent soit en regard d'un intervalle 24. Selon une variante intéressante, il est possible en ajoutant au module plusieurs autres modules et en décalant les électro-aimants d'une fraction de pas différente, de réaliser l'équivalent d'un vernier. Le moteur linéaire selon l'invention peut être utilisé pour l'entraînement de portes coulissantes. Dans ce cas, la barre porteuse 14 qui maintient les aimants permanents est fixée sur le linteau de la porte, tandis que les électro-aimants, dont le nombre peut être augmenté en fonction du poids des portes à entraîner, sont fixés sur le chariot des portes. La partie électronique de commande et de puissance peut être installée sur le toit ou le linteau, un cordon souple assurant sa liaison avec le module mobile. On peut également utiliser le moteur linéaire selon l'invention pour entraîner un contrepoids. Le principe est le même que pour l'application précédente, seuls les efforts étant plus importants. I1 suffit d'augmenter la puissance du moteur en multipliant les modules mobiles ainsi que les barres porteuses 14. Ces barres peuvent être fixées bout à bout et servir de guide. REVENDICATIONS 1- Moteur d'entraînement linéaire à aimants permanents, caractérisé en ce qu'il comprend un module fixe (10)rectiligne formé de plusieurs aimants permanents alignés (121 à 124), séparés par des intervalles (24) de longueur fixe, et disposés de manière que leurs piles nord et sud soient alternés et orientés transversalement par rapport à la direction longitudinale du module fixe, lesdits aimants étant enrobés dans un support approprié (14) en matériau amagnétique, un module mobile (18) constitué d'une ou plusieurs paires d'électro-aimants (20,22) en U dont les branches parallèles (26,27) ont une largeur égale à celle des intervalles compris entre les aimants permanents et sont disposées de part et d'autre du module fixe, les électroaimants étant reliés par une liaison mécanique rigide (30,32) de longueur telle que lorsque l'un des électroaimants se trouve au niveau d'un intervalle entre deux aimants permanents, l'autre se trouve en regard d'un troisième aimant permanent, un dispositif de détection (34) du passage de l'un des électro-aimants devant les aimants permanents, et un moyen d'alimentation des électro-aimants commandé par ledit dispositif de détection pour qu'il alimente les électro-aimants (20,22) selon une séquence telle que le module mobile (18) soit entraîné toujours dans un même sens le long du module fixe, l'alimentation de chaque électro-aimant étant établie avec une polarité donnée entre un premier instant où il a dépassé la colncidence avec un aimant permanent d'une certaine distance (d) et un second instant où il arrive à la même distance (d) avant la colncidence avec l'aimant permanent suivant, puis étant coupée entre ledit second instant et un troisième instant où il a dépassé ledit aimant permanent suivant, et est à nouveau rétablie audit troisième instant avec une polarité inverse, et ainsi de suite. 2- Moteur d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de détection est constitué par une sonde à effet Hall fixée sur l'un des électro-aimants. 3- Moteur d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen support est constitué par une barre porteuse de section en T (14). 4- Moteur d' entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de contrôler le courant magnétisant des électro-aimants et donc la vitesse de déplacement du module mobile (18). 5- Moteur d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il comprend des moyens permettant d'inverser le sens du courant magnétisant afin de provoquer le freinage du module mobile (18). 6- Moteur d' entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de programmation de l'arrêt du module mobile dans une position donnée, par exemple lorsqu'un électro-aimant arrive en regard de l'un des aimants permanents, lesdits moyens de programmation étant aptes à maintenir l'alimentation dudit électro-aimant et à couper l'alimentation de l'autre électro-aimant. 7- Moteur d' entraînement selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs électro-aimants décalés d'une fraction de pas de celui des aimants permanents de manière à réaliser l'équivalent d'un vernier. 8- Application du moteur linéaire selon l'une des revendications 1 et 3 à l'entraînement de portes coulissantes, caractérisée en ce que la barre porteuse (14) qui maintient les aimants permanents est fixée sur le linteau de la porte, tandis que les électro-aimants, dont le nombre peut être augmenté en fonction du poids des portes à entraîner, sont fixés sur le chariot des portes. 9- Application du moteur linéaire selon l'une des revendications 1 et 3 à l'entraînement d'un contrepoids, caractérisée en ce que l'on multiple le nombre de modules mobiles et de barres porteuses.