Brevet FR2693055A1 — publié le 19931231

La présente invention a pour objet un actionneur électromécanique pour commander un modulateur de débit du type volet pivotant à l'intérieur d'une canalisation. Les fluctuations rapides de débit rencontrées dans les installations industrielles sont de nature dynamique, c'est-à-dire que leur comportement fait intervenir l'inertie et l'élasticité du fluide ou des parois des dispositifs Elles peuvent être l'occasion de phénomènes particulièrement gênants tels que des vibrations excessives entraînant une fatigue des matériaux, ou des nuisances sonores Ces fluctuations ne peuvent être contrôlées au moyen des dispositifs usuels d'obturation des conduites (vannes, robinets) qui nécessitent en pratique un temps assez long d'ouverture en raison de leur inertie ou de leur dispositif de déplacement (vis par exemple). On connait par FR-A-2 613 089 un procédé et un dispositif de réduction de telles fluctuations rapides de débit d'un fluide s'écoulant dans une canalisation. Dans ce document il est prévu un modulateur de débit ayant l'allure d'un volet ou d'une vanne papillon monté pivotant dans une canalisation et dont l'objet est la création d'une perte de charge instantanée; ses dimensions déterminées en fonction de ce dernier objectif, peuvent conduire en général à une forme et à des dimensions qui ne permettent pas l'obturation totale de la conduite Ce modulateur est commandé par un moyen d'entraînement tel qu'un moteur pas à pas Cependant, s'il permet un positionnement précis du modulateur de débit, un moteur pas à pas peut présenter un temps de réponse trop long. En outre, un dispositif de contrôle des pulsations d'un fluide n'inclut pas, à priori, la position angulaire du modulateur de débit comme paramètre de fonctionnement Or, la connaissance de cette position est indispensable si on utilise un moteur pas à pas. Il est donc nécessaire de disposer, en plus du moteur pas à pas, d'un dispositif de repérage précis de la position angulaire du modulateur de débit. Pour pallier cet inconvénient, on peut penser à utiliser un moteur électrique classique. Mais l'actionnement du modulateur de débit est alors peu fiable et même dommageable au moteur lui-même, car les balais de ce dernier s'usent rapidement, du fait qu'il fonctionne constamment en régime de démarrage. 2 - Compte tenu des valeurs des fréquences d'oscillation requises pour obtenir un actionnement efficace du modulateur de débit, une transmission mécanique d'un mouvement de rotation de l'actionneur en un mouvement d'oscillation du modulateur de débit présenterait une inertie trop importante et exclurait toute possibilité d'adaptation des caractéristiques du mouvement alternatif à celles du débit mesuré. La présente invention vise à fournir un actionneur possédant un faible moment d'inertie, de l'ordre de 2 10-7 kg/ m, ce qui lui permet d'atteindre des valeurs d'accélérations très élevées, de l'ordre de 4 -2 5 10 radian/s, grâce auxquelles le modulateur de débit peut atteindre des fréquences de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de hertz, fréquences nécessaires pour remplir efficacement son rôle. La présente invention a pour objet un actionneur électromécanique pour commander un modulateur de débit du type volet qui est monté pivotant à l'intérieur d'une canalisation et qui est destiné à créer une perte de charge très rapidement variable dans un fluide s'écoulant à l'intérieur de la canalisation, l'actionneur comportant une partie fixe ou stator, et une partie montée rotative ou rotor, solidaire en rotation du modulateur de débit le stator et le rotor étant munis d'éléments électro-magnétiques tels que des bobinages et éventuellement des aimants permanents, lesquels, lorsqu'ils sont traversés par un courant, se trouvent dans une situation d'interaction électromagnétique qui engendre des déplacements angulaires du rotor, caractérisé par le fait que les éléments électromagnétiques sont disposés sur le rotor et sur le stator de manière à engendrer la rotation du rotor uniquement à l'intérieur d'un secteur angulaire prédéterminé, par oscillation autour d'une position angulaire de référence, l'actionneur étant muni d'un dispositif de rappel apte à emmagasiner l'énergie cinétique du rotor et du modulateur de débit lors des décélérations angulaires du rotor et à la restituer au moins partiellement à l'actionneur lors des accélérations angulaires du rotor. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'actionneur comporte des moyens de réglage aptes à déplacer la position angulaire de référence du rotor par rapport à la canalisation pour la faire coïncider sensiblement avec la position angulaire moyenne du modulateur de débit qui oscille dans la canalisation. Ce réglage, qui peut être automatique, permet d'améliorer le fonctionnement de l'actionneur selon l'invention en l'adaptant aux oscillations requises du modulateur de débit. 3 - De préférence, le secteur angulaire à l'intérieur duquel oscille le rotor est compris entre environ 15 et 35 , et de préférence entre environ 20 et 30 '. L'actionneur selon l'invention présente l'avantage que le rotor et le modulateur de débit sont solidaires d'un même axe d'entraînement, d'o un moment d'inertie réduit. En outre, grâce à l'actionneur selon l'invention, on peut adapter rapidement les paramètres d'oscillation du modulateur de débit aux caractéristiques du débit de fluide. Il suffit pour cela de modifier la forme du signal électrique de commande de l'actionneur. Selon l'invention, l'actionneur peut communiquer au modulateur de débit des mouvements d'oscillation à fréquences élevées. En effet, grâce à la présence d'un dispositif de rappel, l'actionneur possède sa propre fréquence de résonnance, qu'on choisit avantageusement dans la plage des fréquences d'oscillation de l'actionneur. Il suffit donc de fournir une différence d'énergie suffisante pour donner au rotor la fréquence de fonctionnement requise, qui est voisine de la fréquence de résonnance de l'actionneur. Il en résulte que le couple à transmettre au rotor pour lui imposer une telle fréquence d'oscillation est sensiblement réduit par rapport à celui qu'il faudrait fournir en l'absence de dispositif de rappel. Par conséquent, l'actionneur selon l'invention présente l'avantage de pouvoir atteindre des fréquences d'oscillation élevées tout en consommant peu d'énergie pendant son fonctionnement. En outre, un des avantages de l'actionneur selon l'invention est de pouvoir atteindre des fréquences d'oscillation plus élevées qu'en l'absence du dispositif de rappel; en effet, la fréquence maximale est fixée par le couple moteur, c'est-à-dire par la puissance électromagnétique disponible par unité de volume de rotor Or celle- ci est de fait limitée par la puissance électrique admissible dans les bobinages, elle m me limitée par les possibilités d'évacuation de la chaleur due à l'effet Joule qu'elle crée Le dispositif de rappel, en permettant un stockage d'énergie mécanique indépendant du couple moteur, sans mettre en oeuvre une inertie importante, assure ainsi un couple effectif instantané supplémentaire sur le modulateur de débit. Cet avantage est primordial dans le cas d'une utilisation de l'actionneur à bord d'un véhicule automobile, pour contr 8 ler les gaz - 4- circulant dans sa ligne d'échappement, du fait que l'on ne dispose dans ce cas que d'une source d'énergie limitée. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, le dispositif de rappel de l'actionneur est du type électromagnétique et comporte un capteur pour mesurer la position angulaire du rotor, des éléments électromagnétiques comportant un circuit électrique disposés sur le rotor et sur le stator, et un accumulateur électrique qui emmagasine la quantité d'électricité produite dans ledit circuit électrique pendant les décélérations angulaires du rotor et qui alimente l'actionneur en énergie électrique lors des accélérations angulaires du rotor. Dans une variante de ce mode de réalisation, dans laquelle l'actionneur est monté sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, l'accumulateur peut être simplement l'accumulateur du véhicule. On comprend que, dans ce mode de réalisation, le deuxième circuit électrique joue le rôle d'un générateur qui récupère l'énergie cinétique du rotor et du modulateur de débit lors des phases de décélération du rotor et la transmet à l'accumulateur. Dans une variante, le circuit électrique du dispositif de rappel est constitué par le circuit électrique de l'actionneur, des moyens de commutation permettant de commuter ce circuit en position actionneur ou en position récupérateur d'énergie On peut par exemple utiliser à cet effet un dispositif du type hacheur réversible. L'actionneur est alors utilisé alternativement comme moteur pour actionner le modulateur de débit et comme alternateur pour charger l'accumulateur électrique. La fréquence de résonnance propre à un tel actionneur dépend de son circuit électrique de récupération d'énergie En faisant varier certains paramètres de ce circuit, on peut donc modifier sa fréquence de résonnance, ce qui est un avantage considérable dans la mesure o, comme expliqué précédemment, le fonctionnement de l'actionneur est particulièrement économique dans une gamme de fréquences voisines de sa fréquence de résonnance. En outre, en adaptant certains paramètres électroniques de l'actionneur selon ce mode de réalisation, on peut déplacer la position angulaire du rotor par rapport à la canalisation pour la faire coïncider avec la position moyenne du modulateur de débit, ce qui permet d'améliorer le fonctionnement de l'actionneur. -5- Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rappel est du type mécanique et comporte un organe élastique qui est solidaire du rotor d'une part et du stator d'autre part. L'énergie cinétique du rotor et du modulateur de débit, lors des phases de décélération du rotor est ici emmagasinée sous forme d'énergie potentielle par l'organe élastique, qui peut être par exemple constitué par un ressort en forme de spirale Lors des phases d'accélération du rotor, l'organe élastique libère son énergie potentielle et participe à l'actionnement du modulateur de débit. La quasi absence de frottements ainsi que la transformation directe de l'énergie cinétique en énergie potentielle accroissent le rendement énergétique d'un tel dispositif de rappel. Toutefois, si son dispositif de rappel est énergétiquement rentable, cet actionneur possède une fréquence de résonnance fixe Il ne s'adapte donc pas aussi aisément que le précédent aux différentes gammes de fréquence d'oscillation du modulateur de débit. Cependant, ce mode de réalisation permet d'augmenter la valeur du couple pour les hautes fréquences, puisque ce dispositif de stockage d'énergie permet, ainsi qu'il a été dit précédemment, d'ajouter à la valeur du couple électromagnétique un couple mécanique auquel aucune inertie supplémentaire notable n'est associée. Par ailleurs, on peut modifier la position angulaire de l'actionneur par rapport à la canalisation, à l'aide de moyens mécaniques aptes à faire pivoter l'actionneur autour d'un axe confondu avec l'axe du rotor Ainsi, on peut déplacer la position angulaire de référence du rotor pour la faire coïncider avec la position angulaire moyenne du modulateur de débit oscillant dans la canalisation. Dans une troisième variante, l'actionneur peut comporter à la fois un dispositif de rappel électromagnétique et un dispositif de rappel mécanique. Une telle configuration permet d'obtenir un actionneur apte à fonctionner efficacement dans une plus large gamme de fréquences, par modification de sa fréquence de résonnance en combinant rendement énergétique et adaptabilité. Avantageusement, l'actionneur comporte une position de repos qui est une position fixe correspondant à une position de sécurité du modulateur de débit en cas de disfonctionnement ou de panne de l'actionneur. Si par exemple l'actionneur est monté sur une ligne d'échappement d'un véhicule automobile, la position de repos de l'actionneur -6- correspond à celle dans laquelle le modulateur de débit est maintenu dans une position ouverte. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple et sans aucun caractère limitatif en référence au dessin schématique annexé dans lequel: la figure I représente schématiquement une canalisation équipée d'un actionneur selon l'invention, la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention, et la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté une canalisation 1 dans laquelle circule un fluide pulsé dont le déplacement est matérialisé par une flèche. Une vanne papillon 2 est montée pivotante autour d'un axe 3 à l'intérieur de cette canalisation 1, et constitue ici un modulateur de débit au sens de la présente invention. Un actionneur 4 selon l'invention est relié à la vanne papillon 2 par un arbre d'entraînement. Cet actionneur 4 est commandé par des signaux électriques que véhiculent des fils électriques 6 pénétrant dans le boîtier de l'actionneur 4. Sur cette figure, il est clair que par des mouvements d'oscillation de la vanne papillon 2, on crée une perte de charge variable dans le fluide circulant à l'intérieur de la canalisation 1. Sur la figure 2 on a représenté un premier mode de réalisation de l'actionneur selon l'invention. Cet actionneur comporte une partie centrale 7 montée rotative qui constitue le rotor et une partie périphérique 8 fixe qui constitue le stator. Dans ce mode de réalisation, le rotor 7 est un aimant permanent à deux pôles 7 a et 7 b, tandis que le stator 8 est réalisé par des éléments en fer doux 8 a et 8 b entourés chacun d'un bobinage 9. Le rotor est monté pivotant autour de l'arbre 5. Les parties 8 a et 8 b du stator sont solidaires d'un châssis 10 sur lequel elles sont maintenues par des pattes Il. 7 - Des moyens de commutation 12 relient les bobinages 9 du stator 8 alternativement au fil conducteur électrique 6 véhiculant les signaux de commande et à un accumulateur 13. Une commande 14 active les moyens de commutation 12 en fonction de la position angulaire du rotor qui lui est fournie par un capteur de position 15 monté sur l'arbre d'entraînement 5. Le fonctionnement de l'actionneur est le suivant Pendant les phases d'accélération du rotor la commande 14 réalise la connexion entre les signaux électriques véhiculés par les fils 6 et les bobinages 9 stator 8. Il en résulte un déplacement angulaire accéléré du rotor 7. Une fois que ledit rotor 7 a dépassé sa position angulaire de référence, le capteur de position angulaire 15 indique à la commande 14 que la rotor 7 se trouve en phase de décélération. Sur un signal de la commande 14, les moyens de commutation 12 réalisent alors la connexion entre les bobinages 9 du stator 8 et l'accumulateur 13. Pendant la phase de décélération, l'actionneur se comporte comme un alternateur qui génère de l'énergie électrique, laquelle est emmagasinée dans l'accumulateur 13. Pour la phase d'accélération suivante, la commande 14 active les moyens de commutation 12 pour relier à nouveau les fils 6 qui véhiculent le signal électrique de commande de l'actionneur aux bobinages 9. L'énergie électrique emmagasinée dans l'accumulateur 13 est restituée à l'actionneur par l'intermédiaires des signaux électriques véhiculés par les fils 6, ces signaux provenant d'un dispositif électronique de commande, non représenté, dont l'alimentation en énergie électrique est assurée au moins partiellement par l'accumulateur 13. Le dispositif représenté sur la figure 2 présente l'avantage de pouvoir s'adapter à tout type d'oscillation, du fait que sa propre fréquence de résonnance est variable. L'actionneur représenté sur la figure 3 est d'un mode de réalisation sensiblement plus simple que le précédent. Dans ce mode de réalisation, on retrouve le rotor 7 monté rotatif autour de l'arbre 5, ainsi que le stator 8 qui repose sur le châssis par des pattes 11. Le dispositif de rappel est ici constitué par un ressort en forme de spirale 16 qui est solidaire d'une part du châssis 10, et d'autre part de l'arbre d'entraînement 5. -8- Le circuit électrique d'alimentation des bobinages 9 du stator 8 n'a pas été représenté. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de rappel est du type mécanique, l'énergie cinétique du rotor étant accumulée par le ressort 16 sous forme d'énergie potentielle. Sauf si un dispositif annexe est capable d'agir sur la raideur du ressort, la fréquence de résonnance d'un tel actionneur est fixe, ce qui présente l'inconvénient que l'actionneur ne peut pas s'adapter à toute fréquence d'oscillation sans que le couple nécessaire à transmettre au rotor n'augmente. Par contre, comme expliqué plus haut, le rendement énergétique du dispositif de rappel est élevé et les fréquences de fonctionnement sont supérieures à celles obtenues au moyen du mode de réalisation de la figure 2. Dans un autre mode de réalisation, on pourrait cumuler les dispositifs de rappel représentés sur les figures 2 et 3, ce qui permettrait d'allier à la fois le haut rendement énergétique d'un dispositif de rappel mécanique à l'adaptabilité d'un dispositif de rappel électromagnétique. Dans les deux modes de réalisation décrits précédemment, la position de référence autour de laquelle oscille le rotor, est une position fixe. Pourtant, il peut être avantageux de faire varier cette position de référence. Ceci est facilement réalisable si on prévoit un moyen permettant de faire pivoter l'actionneur 4 autour de l'arbre 5. Il est bien bien entendu que les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, on n'a représenté ici que des rotor et stator bipolaires, mais il est bien évident qu'ils pourraient comporter plus de deux pôles pour augmenter le couple transmis au rotor. Par ailleurs, on a placé un aimant permanent sur le rotor pour diminuer le nombre de bobinages, mais le rotor peut également comporter un bobinage. Du fait des oscillations autour d'une position de référence, il est inutile de prévoir des balais dans ce cas, des fils souples de longueur adéquate pouvant avantageusement relier le bobinage du rotor au circuit électrique de l'actionneur. 9- REVENDICATIONS 1 Actionneur électromécanique pour commander un modulateur de débit du type volet qui est monté pivotant à l'intérieur d'une canalisation et qui est destiné à créer une perte de charge très rapidement variable dans un fluide s'écoulant à l'intérieur de la canalisation, l'actionneur comportant une partie fixe ou stator, et une partie monté rotative ou rotor, solidaire en rotation du modulateur de débit, le stator et le rotor étant munis d'éléments électromagnétiques tels que des bobinages et éventuellement des aimants permanents, lesquels, lorsqu'ils sont traversés par un courant, se trouvent dans une situation d'interaction électromagnétique qui engendre des déplacements angulaires du rotor, caractérisé par le fait que les éléments électromagnétiques ( 7 a,7 b,8 a,8 b,9) sont disposés sur le rotor ( 7) et sur le stator ( 8) de manière à engendrer la rotation du rotor ( 7) uniquement à l'intérieur d'un secteur angulaire prédéterminé, par oscillation autour d'une position angulaire de référence, l'actionneur ( 4) étant muni d'un dispositif de rappel ( 12-16) apte à emmagasiner l'énergie cinétique du rotor ( 7) et du modulateur de débit ( 2) lors des décélérations angulaires du rotor ( 7) et à la restituer au moins partiellement à l'actionneur ( 4) lors des accélérations angulaires du rotor ( 7). 2 Actionneur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de réglage aptes à déplacer la position angulaire de référence du rotor ( 7) par rapport à la canalisation ( 1) pour la faire coïncider sensiblement avec la position angulaire moyenne du modulateur de débit ( 2) oscillant dans la canalisation ( 1). 3 Actionneur selon l'une quelconque des revendications et 2, caractérisé par le fait que le secteur angulaire à l'intérieur duquel oscille le rotor ( 7) est compris entre environ 15 et 35 degrés et, de préférence, entre environ 20 et 30 degrés. 4 Actionneur selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé par le fait que le dispositif de rappel ( 12-15) est du type électromagnétique et comporte un capteur ( 15) pour mesurer la position angulaire du rotor ( 7), des éléments électromagnétiques ( 7 a,7 b,8 a,8 b) comportant un circuit électrique disposés sur le rotor ( 7) et sur le stator ( 8), et un accumulateur électrique ( 13) qui emmagasine la quantité d'électricité produite dans ledit circuit électrique pendant les décélérations angulaires du rotor ( 7) et qui alimente l'actionneur ( 4) en énergie électrique lors des accélérations angulaires du rotor ( 7). - Actionneur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le circuit électrique du dispositif de rappel ( 12-15) est constitué par le circuit électrique de l'actionneur ( 4), des moyens de commutation ( 12) permettant de commuter ce circuit en position actionneur ou en position récupérateur d'énergie électrique. 6 Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le dispositif de rappel ( 16) est du type mécanique et comporte un organe élastique ( 16), solidaire du rotor ( 7) d'une part et du stator ( 8) d'autre part. 7 Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte à la fois un dispositif de rappel électromagnétique ( 12-15) selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 et un dispositif de rappel mécanique ( 16) selon la revendication 6. 8 Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une position de repos correspondant à une position de sécurité du modulateur de débit ( 2) en cas de disfonctionnement de l'actionneur ( 4).