Brevet FR2653589A1 — publié le 19910426

La présente invention concerne un actionneur électromagnétique monophasé comportant une structure statorique et un organe mobile aimanté. Dans de tels actionneurs électromagnétiques, la structure statorique comporte un premier circuit magnétique excité par une bobine électrique et un deuxième circuit magnétique. Ces circuits magnétiques sont réalisés en des matériaux de très haute perméabilité magnétique. L'organe mobile présente une partie aimantée positionnée dans l'entrefer de la structure statorique. Lorsqu'un courant passe dans la bobine électrique excitant le premier circuit magnétique, le champ électromagnétique agissant sur la partie aimantée produit un déplacement de organe mobile.De tels actionneurs sont bien entendu connus dans leurs principes généraux, leur caractéristique essentielle est de fournir une force ou un couple constant lorsque l'excitation est faite à courant constant. Généralement, la partie aimantée comporte deux paires de pôles opposés, disposés de part et d'autre de l'axe de symétrie du dispositif. Cette solution est bien adaptée pour des actionneurs présentant un organe mobile dont la course course en translation ou en rotation est peu importante. Par contre, pour des courses linéaires importantes, ou pour des angles de rotation supérieurs à environ 1400, aucun actionneur connu dans l'état de l'art et comportant un aimant mobile ne procure un couple sensiblement constant pour un courant constant.Les solutions actuelles sont soit polyphasées, soit, si elles sont monophasées elles entraînent des couples parasites croissants avec l'amplitude du déplacement de l'organe mobile. Ces couples parasites engendrent bien entendu des erreurs sur la position réelle de l'organe mobile. On a certes proposé dans l'art antérieur, de remédier à cet inconvénient en proposant un asservissement de position mettant en oeuvre un capteur de position électrique coopérant avec l'organe mobile. Le traitement du signal d'asservissement vient s'ajouter au traitement déjà complexe du signal analogique ou numérique représentant l'importance du déplacement souhaité de l'organe mobile. Cette solution n'est donc pas réellement adaptée, en particulier pour des actionneurs de faibles coûts. Une autre solution consiste à mettre en oeuvre des actionneurs à faible course, et d'y associer un mécanisme amplificateur du mouvement. De telles solutions étaient envisagées, en particulier pour des appareils indicateurs. Dans ce cas, l'actionneur électromagnétique comporte un organe mobile rotatif coopérant avec des engrenages multiplicateurs de vitesse. Cette solution n'est toutefois pas satisfaisante, car elle va à l'encontre de la miniaturisation et de la simplification de ces dispositifs. De plus, elle présente une fiabilité moindre en raison de la complexité mécanique du dispositif global. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un actionneur linéaire ou angulaire monophasé de grande course, mettant en oeuvre un aimant mobile mince. L'actionneur magnétique monophasé selon la présente invention se caractérise plus particulièrement par le fait que l'organe mobile présente une partie mince aimantée dans le sens de l'épaisseur. Cette partie mince comporte au moins deux paires de pôles opposés. La largeur d'au moins l'une des paires de pôles varie continüment le long du chemin de déplacement de l'organe mobile depuis une valeur maximale jusqu'à une valeur minimale.La longueur de l'entrefer de la structure statorique est nettement inférieure à la longueur de la partie aimantée mesurée le long du chemin de déplacement. par entrefer, il faut entendre l'espace compris entre les parties du premier circuit magnétique et du deuxième circuit magnétique se trouvant de part et d'autre de la partie aimantée mince de l'organe mobile, et dans lequel règne le champ électromagnétique engendré par la bobine électrique d'excitation. Compte tenu des rapports de longueur, seule une bande transversale de la partie aimantée se trouve dans l'entrefer, cette bande transversale vue par l'entrefer variant bien entendu en fonction de la position de l'organe mobile. Selon un mode de réalisation préféré, la largeur de la première paire de pôles est continüment décroissante, la largeur de la deuxième paire de pôles étant constamment croissante le long du chemin de déplacement. Bien entendu la notion de "première" paire de pôles et "deuxième" paire de pôles est purement arbitraire, et n'indique aucun ordre de priorité. De préférence, la largeur cumulée des paires de pôles le long du chemin de déplacement est constante et la variation de largeur de chacune des paires de pôles est monotone au sens mathématique du terme. Selon un mode de réalisation particulier, la largeur des paires de pôles varie linéairement le long du chemin de déplacement. Toutefois, pour certaines applications particulières telles qu'un indicateur électromagnétique à aiguille présentant une échelle expansée ou compressée, on peut envisager une variation de la largeur des paires de pôles correspondant à une formule particulière, par exemple exponentielle ou logarythmique. Selon un mode de réalisation particulier, la largeur minimale est nulle, ce qui fait que la largeur de chacune des paires de pôles varie de façon monotone entre 0 et la valeur maximale. L'organe mobile peut prendre différentes formes. Selon un premier mode de réalisation, l'organe mobile se déplace selon un axe longitudinal, la partie aimantée étant plane. Ce mode de réalisation correspond à un actionneur électromagnétique linéaire. Selon un autre mode de réalisation, l'organe mobile est rotatif autour d'un axe central, la partie aimantée étant dans ce cas de forme cylindrique. Selon un mode de réalisation particulier, la longueur de la partie aimantée mesurée le long du chemin de déplacement est inférieure à la longueur totale de l'organe mobile. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour un organe mobile rotatif dans lequel la course souhaitée est inférieure à 3600, et de préférence supérieure à 1800 par exemple d'environ 2400. Selon un autre mode de réalisation particulier, le deuxième circuit aimanté est solidaire de la partie aimantée de l'organe mobile. Le champ magnétique se ferme ainsi à travers ce deuxième circuit magnétique mobile avec l'organe mobile. Selon un mode de réalisation particulier d'un actionneur électromagnétique rotatif, le premier circuit magnétique est formé par un cylindre réalisé en un matériau de haute perméabilité magnétique entouré par une bobine électrique coaxiale. Le deuxième circuit magnétique, coaxial au premier, est formé par un segment tubulaire réalisé en un matériau de haute perméabilité magnétique. L'organe mobile comporte une partie aimantée cylindrique coaxiale avec la structure statorique. Le deuxième circuit magnétique s'étend sur un angle inférieur à 1200, de préférence de l'ordre de 600. Toutefois, si l'on recherche un couple de positionnement sans courant aux deux extrémités de la course, la largeur angulaire du deuxième circuit magnétique peut être augmentée légèrement par rapport à la valeur nécessaire pour ne pas avoir de couple parasites, de façon à utiliser les effets de bord. Selon une variante, le circuit magnétique intérieur comporte un prolongement s'étendant sur un segment tubulaire extérieur sensiblement complémentaire au deuxième circuit magnétique. Dans ce mode de réalisation le couple parasite de détente, qui persiste en l'absence de courant dans la bobine d'excitation, disparaît, ou/et à tout le moins fortement diminué. Avantageusement, l'actionneur électromagnétique comporte une partie aimantée supplémentaire générant un champ variant continûment en fonction de la position de l'organe mobile, ainsi qu'un capteur magnétique détectant le champ magnétique crée par ladite partie aimantée supplémentaire. Ce capteur magnétique, de préférence une sonde de Hall génère un signal électrique permettant de réaliser un asservissement de la position de l'organe mobile. Il permet ainsi de corriger les imperfections de l'aimantation de la partie aimantée, et de compenser des couples parasites provenant de la structure des circuits magnétiques. Selon un mode de réalisation particulier, l'un au moins des circuits magnétiques présente une arête chanfreinée perpendiculaire à l'axe de déplacement de l'organe mobile. Cette arête chanfreinée règle un couple de détente assurant un blocage de l'organe mobile en fin de course, en l'absence de courant dans la bobine d'excitation. Ce mode de réalisation est recherché pour certaines applications, par exemple pour des indicateurs dans lesquels l'aiguille doit être maintenue en fin de course même lorsque le courant traversant la bobine est coupé. Il peut également être recherché pour des actionneurs électromagnétiques linéaires dans lesquels on souhaite que l'organe mobile resté calé dans une position donnée. La présente invention sera mieux comprise dans ce qui suit, et en considérant les dessins où - la figure 1 représente une vue de face de la partie aimantée, - la figure 2 représente une vue en section selon la coupe A, A', - la figure 3 représente une vue en perspective et une partie aimantée cylindrique, - la figure 4 représente une vue en coupe axiale d'un actionneur, - la figure 5 représente une vue en coupe B, B' de l'actionneur précédent, - la figure 6 représente une vue en coupe axiale d'un actionneur selon une variante, - la figure 7 représente une vue en coupe médiane selon C, C' de l'actionneur précédent, - la figure 8 représente une vue en coupe axiale d'une deuxième variante, - la figure 9 représente une vue en coupe médiane selon D, D' de la variante précédente, - la figure 10 représente un autre mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon la présente invention. La figure 1 représente une vue de face de la partie aimantée de l'organe mobile. Les explications qui vont suivre sont valables tant pour une partie aimantée plane que pour une partie aimantée cylindrique. Pour la bonne compréhension de ce qui va suivre, on désignera par - Ox la direction perpendiculaire aux pôles définissant l'entrefer, - Oy la direction du déplacement, - Oz la direction perpendiculaire à Ox et à Oy. Les notions "de longueur" et "longitudinal" doivent se comprendre selon l'axe Oy. Les notions "largeur" ou "transversal" doivent se comprendre selon l'axe Oz. La notion de "épaisseur" doit se comprendre selon l'axe Cx. Lorsque la partie aimantée est plane, le plan de l'aimant mince est yOz et sa hauteur Z. La partie aimantée comporte deux paires de pôles (1, 2) délimités sur chaque face par une ligne de séparation (3) inclinée sur l'axe Oy d'un angle ss. Les deux parties polaires sont aimantées dans le sens de l'épaisseur, c'est-à-dire que le vecteur magnétique est parallèle l'axe Ox. L'aimantation de la première partie polaire (1) est opposée à l'aimantation de la deuxième partie polaire (2). En conséquence, il apparaît sur chaque face de la partie aimantée de l'organe mobile un pôle nord et un pôle sud, ccest deux pôles étant inversés sur la face opposée. La longueur de l'entrefer est désignée par Y, et sa largeur par Z.Dans le cadre de la présente description on considérera que la largeur de la partie aimantée est identique à la largeur de l'entrefer. Cela ne constitue toutefois pas une obligation, il peut être dans certains cas avantageux de prévoir une partie aimantée plus large que l'entrefer. La figure 2 représente une vue selon la coupe A, A' de la structure représentée en figure 1. Le stator comporte un premier circuit magnétique (4) et un deuxième circuit magnétique (5). On appelera z la distance entre la ligne de séparation (3) et l'axe longitudinal médian (6), mesurée le long d'une droite (7) parallèle à Oz et centrée sur le stator. On considérera que chacune des parties polaires présente une induction respectivement B et -B. La hauteur moyenne des pôles de la partie aimantée située dans l'entrefer est respectivement (Z/2-z) et (Z/2+z) En conséquence, le stator capte un flux 1=-B (Z/2-z)Y et 2=B(Z/2+z), soit au total totai=2BYz. Dans le cas où la ligne de séparation (3) est linéaire et s'étend du bord inférieur de la partie aimantée au bord supérieur de la partie aimantée, z=ytgss d'où t=2BYytgss, y étant une variable définissant la coordonnée de l'aimant dans le stator par rapport à une position origine correspondant au point d'intersection des lignes (3) et (6) localisé en O, donc entre les pôles du stator. La force par ampère-tour s'obtint en dérivant par rapport au degré de liberté y d'où r=2BYtgss. Pour obtenir une course totale tyrnax par rapport à l'origine définie ci-dessus, il faut que l'aimant présente une largeur Z=(Y+2ymax)tgss. La figure 3 représente une vue en perspective de la partie aimantée d'un organe mobile rotatif. La partie aimantée présente une forme tubulaire mince aimantée radialement. Elle comporte une première partie polaire (1) et une deuxième partie polaire (2) séparées par une ligne de séparation (3) hélicoïdale. Le raccordement des deux parties polaires (1, 2) se fait selon une ligne de discontinuité (8) qui limite de fait la course de l'organe mobile. Pour un organe mobile rotatif, le couple par ampère-tour yest égal à Q=2BRYtgss, R étant le rayon moyen de l'aimant tubulaire, tgss étant égale à Z/2WR. Si on appelle Xla largeur angulaire relative des pôles du stator par rapport à leur largeur théorique maximale 2x, Y est égal à 2XXR et en conséquence =2BRZ. La course maximale obtenue avec un tel actionneur est égale à 2n;(l-h). A titre d'exemple, pour une largeur des pôles du stator d' environ 600, la course utile sans effet de verrouillage sans courant aux fins de course de l'organe mobile est de 2700, compte tenu des effets de bord observé pour des déplacements supérieurs.La limitation de la course s'effectue par des butées disposées aux extrémités de la zone dans laquelle la force est constante pour un courant constant. On peut également décider de disposer les butées au delà de cette zone de force constante pour un courant constant, mais avant la zone dans laquelle la force de détente décroît.Dans ce cas, les effets de bord produiront un couple de positionnement sans courant aux deux extrémités de la course. Ce couple de positionnement assurera le blocage de l'organe mobile dans la position d'extrémité en l'absence d'alimentation de la bobine électrique. Une telle solution est notamment adaptée pour des indicateurs de tableau de bord ou des dispositifs pour l'instrumentation électromagnétique. La figure 4 représente une vue en coupe axiale d'un actionneur électromagnétique selon la présente invention. Le premier circuit magnétique (4) est constitué par un cylindre de matériau de très haute perméabilité magnétique. Il est entouré par une bobine électrique (9) coaxiale. Il comporte un alésage intérieur (10) permettant le passage d'un axe (11) solidaire de l'organe mobile (12) coaxial. La structure statorique comporte en outre un deuxième circuit magnétique (5) extérieur. Ce deuxième circuit magnétique est constitué par un secteur angulaire d'un tube réalisé en un matériau de très haute perméabilité magnétique. La figure 5 représente une vue selon la coupe B, B' de l'actionneur. La largeur angulaire du deuxième circuit magnétique (5) est d'environ 900. Les deux circuits magnétiques (4, 5) délimitent entre eux un entrefer (13) dans lequel est positionné une partie de la partie aimantée (14) de l'organe mobile (12). Cette partie aimantée a été décrite plus en détail dans ce qui précède. La partie aimantée (14) est collée sur un disque support (15) réalisé en un matériau de haute perméabilité magnétique. Ce disque support (15) est monté sur l'axe (11) permettant la transmission des mouvements angulaires de l'organe mobile. Des paliers (16, 17) assurent le positionnement et le maintien de l'axe (11). Un boîtier non magnétique (18) entoure l'ensemble de l'actionneur électromagnétique. La figure 6 présente une variante de l'actionneur électromagnétique rotatif précédent. Le circuit magnétique intérieur (4) est prolongé par un anneau extérieur (19) s'étendant sur un secteur angulaire complémentaire à la largeur angulaire du deuxième circuit magnétique (5). La partie aimantée (14) de l'organe mobile (12) est donc comprise entre le premier circuit magnétique intérieur d'une part, et d'autre part par le deuxième circuit magnétique (5) sur une partie du secteur angulaire et par l'anneau relié au premier circuit magnétique (4) sur le secteur angulaire restant. Ce mode de réalisation permet de réduire le couple parasite de détente existant en l'absence de courant électrique dans la bobine d'excitation (9). La figure 7 représente une vue en coupe médiane selon le plan C, C' de ce mode de réalisation. Les figures 8 et 9 représentent un autre mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique comportant un capteur d'asservissement.Comme précédemment, la structure statorique comporte un circuit magnétique intérieur (4) excité par une bobine électrique (9). Les champs magnétiques se ferment à travers le deuxième circuit magnétique (5) extérieur. L'organe mobile (12) comporte une partie aimantée (14) cylindrique. Elle est montée sur un axe de transmission (11). L'organe mobile comporte une nervure (20) venant buter en fin de course sur le premier circuit magnétique (4). L'amplitude des déplacements de l'organe mobile est ainsi limitée à un secteur angulaire d'environ 2700 comme représenté par la flèche (22) sur la figure 9. L'organe mobile comporte en outre sur sa surface supérieure une partie aimantée supplémentaire (21), de forme annulaire. cette partie aimantée se trouve en regard d'un capteur électromagnétique (23), par exemple une sonde de Hall. Ce capteur génère un signal électrique d'asservissement, selon des moyens électroniques connus. La figure 10 représente une variante d'exécution d'un actionneur électromagnétique rotatif. La partie aimantée (14) est double, et est solidaire du deuxième circuit magnétique (5). Le premier circuit magnétique (4) est constitué par un cylindre de matériau de très haute perméabilité magnétique et comporte une bobine coaxiale (9). Le circuit magnétique (5) extérieur continu tourne avec l'aimant mince collé sur lui. Les deux parties aimantées (14, 24) sont bien entendu aimantées de telle façon que les effets dûs à chaque pôles (25, 26) du stator intérieur s'ajoutent. L'aimant tubulaire peut être constitué par un tube mince homogène, ou fendu selon une génératrice. La fente correspondant à ce dernier mode de réalisation facilite l'aimantation et permet d'accepter des tolérances de diamètre dans le cas où la partie aimantée est fixée sur un tube mince tréfilé ou embouti. Il est bien entendu que dans ce qui précède, l'invention n'est décrite qu'à titre d'exemple non limitatif. Il existe un grand nombre de variantes des actionneurs électromagnétiques décrits entrant dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Actionneur électromagnétique monophasé comportant une structure statorique et un organe mobile, la structure statorique étant composée d'au moins un premier circuit magnétique excité par une bobine électrique et au moins un deuxième circuit magnétique, lesdits circuits magnétiques étant réalisés en un matériau de très haute perméabilité magnétique, l'organe mobile présentant une partie mince aimantée dans le sens de l'épaisseur, la partie mince comportant au moins deux paires de pôles opposés, caractérisé en ce que la largeur d'au moins l'une des paires de pôles varie continüment le long du chemin de déplacement depuis une valeur maximale jusqu a une valeur minimale, la longueur de l'entrefer étant inférieure à la longueur de la partie aimantée de l'organe mobile, mesurée le long du chemin de déplacement. 2 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la première paire de pôles (1) est continüment décroissante, et en ce que la largeur de la deuxième paires de pôles (2) est continüment croissante le long du chemin de déplacement. 3 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconques des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur cumulée des paires de pôles (1, 2) le long du chemin de déplacement est constante. 4 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur des paires de pôles (1, 2) varie linéairement le long du chemin de déplacement. 5 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur minimale des paires de pôles (1, 2) est nulle. 6 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe mobile (14) est mobile selon un axe longitudinal et présente une partie aimantée plane. 7 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe mobile est rotatif autour d'un axe central, la partie aimantée (14) étant de forme cylindrique. 8 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur de la partie aimantée mesurée le long du chemin de déplacement est inférieure à la longueur totale de l'organe mobile. 9 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième circuit aimanté (5) est solidaire de la partie aimantée (14) de l'organe mobile. 10 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 7 à 9, caractérisé en ce que la structure statorique est constituée par un premier circuit magnétique (4) formé par un cylindre réalisé en un matériau de haute perméabilité magnétique entouré par une bobine électrique coaxiale, et par un deuxième circuit magnétique coaxial formé par un segment tubulaire réalisé en un matériau de très haute perméabilité magnétique, l'organe mobile comportant une partie aimantée mince cylindrique coaxiale avec le premier circuit magnétique (4). 11 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les circuits magnétiques intérieurs comportent un prolongement (19) s'étendant sur un segment tubulaires extérieur sensiblement complémentaire au deuxième circuit magnétique (5) 12 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe mobile comporte en outre une partie aimantée supplémentaire (21) générant un champs variant continüment en fonction de la position de l'organe mobile, et un capteur magnétique (23) détectant le champs magnétique créé par ladite partie aimanté supplémentaire (21) 13 - actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une au moins des arêtes perpendiculaires à l'axe de déplacement de l'un des circuits magnétiques (4, 5) est chanfreinée.