Brevet FR2690793A1 — publié le 19931105

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE A DEUX PIECES MOBILES EN OPPOSITION DE PHASES. La présente invention concerne un actionneur électromagnétique comportant un pôle central et deux pôles latéraux. Le pôle central supporte une bobine d'excitation, ainsi qu'une partie mobile munie d'aimants permanents minces aimantés selon la direction de l'entrefer. On connait dans l'art antérieur des moteurs vibrants de ce type. Afin de limiter les vibrations transmises à la caracasse supportant le stator, le brevet français 72 13 342 a proposé de suspendre non seulement le rotor, mais également le stator.L'actionneur vibrant selon l'art antérieur comporte donc deux masses suspendues dont les caractéristiques (masse, raideur des organes de suspensions) sont définies afin d'égaliser les fréquences propres. Ces actionneurs présentent toutefois une relative fragilité, en raison de la complexité du double système de suspension, et de la mobilité du stator qui implique notamment des liaisons électriques souples. Le but de l'invention est de réaliser un actionneur performant et fiable pour des applications nécessitant un déplacement alternatif, de fréquence élevée. L'organe mobile de l'actionneur selon l'invention est composé d'au moins deux pièces indépendantes mobiles selon une direction parallèle à l'intersection du plan de l'entrefer et du plan médian de la pièce statorique fixe, en sens opposés. Chacune des pièces mobiles présentant une paire d'aimants minces aimantés en sens alternés, solidaire d'une culasse en matériau doux, les aimants minces d'un desdits éléments mobiles étant aimantés selon le sens opposé à celui des aimants minces correspondant de l'élément mobile adjacent, les culasses définissant avec la pièce statorique fixe l'entrefer E. L 'actionneur selon l'invention permet d'optimiser la circulation des flux magnétiques et les contraintes s'exerçant sur les pièces mobiles. Le déplacement des éléments mobiles est en principe linéaire. L'actionneur selon l'invention peut également être réalisé sous une forme cylindrique, le déplacement des pièces mobiles s'effectuant dans ce cas selon des arcs de cercles inscrits sur un cylindre coaxial avec l'entrefer de forme cylindrique dans ce mode de réalisation. De préférence, l'organe mobile est constitué de deux éléments mobiles en opposition, chacun desdits éléments mobiles étant relié à la partie statorique fixe par des moyens déformables pour autoriser un débattement selon la direction de mobilité tout en maintenant un entrefer E sensiblement constant. Avantageusement, la liaison entre chacun des éléments mobiles et le partie statorique fixe est assurée par des lames-ressorts s 'étendant sensiblement perpendiculairement au plan de l'entrefer. Selon un mode de réalisation préféré, la longueur Xç du pôle statorique central (3) et la longueur Xi des pôles statoriques latéraux (4, 5) sont supérieure ou égale à la course X de l'organe mobile augmentée d'une longueur sensiblement égale à E, X1 étant supérieur ou égal à Xc. Selon un mode de réalisation préféré permettant d'augmenter le volume de cuivre sans augmenter les cotes extérieures de l'actionneur, les trois pôles statoriques se prolongent par une partie de section inférieure à leur propre section. Les sections des parties ainsi formées sont déterminées de façon à permettre le passage du flux magnétique en régime nominal sans saturation, les culasses (11, 21) présentent une section trapézoïdale, la grande base correspondant à la surface de jonction avec les aimants permanents. L'actionneur selon l'invention peut être réalisé en symétrie plane ou en symétrie axiale. Dans le cas de la symétrie axiale, la structure statorique ainsi que le rotor sont de type cylindrique. Le rotor est mobile soit en translation selon un axe Y correspondant à l'axe de courbure de la structure statorique cylindrique et du rotor, soit en rotation autour dudit axe. Dans ce dernier cas, la structure générale correspond à la structure décrite dans le brevet nO 90 13 352 de la demanderesse, dans laquelle il convient de substituer à l'organe rotatif comportant les parties aimantées des organes mobiles coaxiaux présentant des parties aimantées inversées. Le pôle central est de préférence séparé des pôles latéraux d'une distance e supérieure ou égale à 0,5 E, où E désigne la largeur de l'entrefer. Selon un mode de réalisation particulier, l'organe mobile comporte en outre au moins un aimant auxiliaire coopérant avec une bobine électrique pour former un capteur de vitesse et/ou avec une sonde de Hall pour former un capteur de position. Un mode de réalisation particulier de la présente invention est décrit dans ce qui suit, faisant référence aux dessins, où : - la figure 1 représente un mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention, dont la partie mobile est suspendue sur des lames ressort - la figure 2 représente une vue dudit actionneur selon une coupe aa'; - la figure 3 représente une vue dudit actionneur selon une coupe bb'; - la figure 4 représente une vue de coté de l'actionneur selon l'invention. L'actionneur selon l'invention, dont un mode de réalisation est représenté en figure 1, comporte un stator fixe (1) et un organe mobile (2). Le stator (1) présente un pôle statorique central (3) de longueur Xç et deux pôles statoriques latéraux (4, 5) de longueur X1. Le pôle statorique central (3) est entouré par une bobine (6). Le stator est constitué par un empilement de tôles découpées dans un matériau magnétiquement doux, par exemple en fer-silicium feuilleté. Le pôle statorique central (3) est feuilleté dans un sens perpendiculaire aux tôles constituant les autres parties du stator. La section des jambes (7, 8) correspondant aux pôles magnétiques latéraux respectivement (4, 5) est inférieure à la surfaces des pôles magnétiques latéraux respectivement (4, 5) correspondant, pour dégager un espace suffisant pour le positionnement de la bobine (6). De même, la section de la jambe centrale (9) est inférieure à la surface du pôle central (3), comme cela est représenté sur la figure 2. Les polarités des pôles statoriques indiquées sur la figure 2 correspondent à la phase dans laquelle la pièce mobile (2) reçoit un effort dans la direction OX. Pour la phase dans laquelle la pièce mobile (2) se déplace dans la direction opposée XO, le courant appliqué à la bobine est inversé, et donc les polarités des pôles statoriques sont inversées par rapport à celle mentionnées sur les dessins annexés. La section Sj des jambes est déterminée de façon à limiter ssmax/sJ à environ 1,5 Teslas, où 4)max désigne le flux magnétique circulant à l'intérieur des jambes suivant la formule ou Rr représente la perméabilité réversible de l'aimant ; X désigne le déplacement par rapport à la position moyenne E désigne l'entrefer compris entre la surface inférieure (15) de la culasse (11) et les pôles statoriques (3, 4, 5) Z désigne la largeur cumulée des deux rotors mesurée dans le sens perpendiculaire à leur déplacement Br désigne l'induction rémanente des aimants L désigne l'épaisseur des aimants mesurée dans le sens de l'éaimantation, ni désigne les ampères-tours appliqués à la bobine et RO désigne la perméabilité du vide. L'organe mobile (2) est constitué de deux pièces (10, 20) mobiles suivant l'axe OX, en sens alternés. La pièce mobile (10) visible de face sur la figure 1 et en coupe sur la figure 2 est constituée d'une culasse (11) en matériau doux de forme trapézoïdale, sur la surface inférieure de laquelle sont collés deux aimants minces (12, 13). Ces aimants minces sont aimantés en sens alternés, dans le sens de l'épaisseur. Les aimants sont de préférence du type à terres rares, tels les aimants en Samarium-Cobalt Smog, ou en néodyme-fer-bore NdFeB. La longueur Xa de chacun des aimants (12, 13) est sensiblement égale à C + 2E, C désignant la course de la pièce mobile (10). Leur épaisseur L est de l'ordre du millimètre pour une valeur de nl inférieure à 300 ampèrestours. La longueur de la culasse peut être supérieure à la longueur 2Xa cumulée des deux aimants (12, 13), et est environ égale à 2Xa + E dans l'exemple représenté. La culasse (11) et les aimants (12, 13) sont encapsulés dans un bloc (16) de matière non magnétique. Pour définir un entrefer E, il convient de maintenir la pièce mobile (10) à une faible distance de la surface des pôles statoriques (3, 4, 5), et ce pour toute la course utile C. Cette fonction peut être assurée par une liaison déformable ou par une liaison élastique. Dans l'exemple décrit en référence, cette fonction est obtenue grâce à des lamesressort (17, 18) travaillant en flexion alternée avec superposition d'un effort de traction lié à la valeur absolue moyenne de l'induction dans l'entrefer, constituées par des feuilles minces réalisées en acier à ressort tel que le Phynox (dénomination commerciale), s'étendant perpendiculairement au plan des aimants permanents (12, 13). Pour tendre vers des lames dites d'égales contraintes, les lames ressort (17, 18, 27, 28) présentent, comme représenté en figure 4, des évidements (35) en forme de losanges. La longueur et l'épaisseur des lames-ressort (17, 18) sont déterminés de façon à maintenir les pièces mobiles (10, 20) à la bonne distance du stator, à supporter la contrainte due au déplacement, et à fixer éventuellement la fréquence de résonance de la pièce mobile. Pour mieux supporter la fatigue due à la flexion alternée, on peut disposer plusieurs lames en parallèle. La longueur Lr des lames ressort (17, 18) peut être en outre déterminée de façon à être suffisante afin que les déplacements de la pièce mobile (10) suivant un axe perpendiculaire au plan des aimants permanents (12, 13), soient négligeables pour la course C. La géométrie de l'entrefer peut être -modifiée pour augmenter ou réduire la raideur magnétique et obtenir un effet similaire à celui obtenu en modifiant la raideur des ressorts de suspension, de façon à réduire les contraintes subies par les lames-ressort sans modifier la fréquence propre. Lorsque la lame-ressort est longue, les variations de Entrefer entre l'extrémité de la course et la position centrale sont minimisées et se traduisent par une faible raideur magnétique. La fréquence propre de l'organe mobile est dans ce cas essentiellement déterminée par les caractéristiques des lames-ressort, et en particulier par leur raideur mécanique. Au contraire, lorsque les lames ressort sont courtes, la distance entre la surface des aimants (12, 13) et les surfaces polaires de la première partie statorique varie sensiblement entre la position centrale et la position dans laquelle l'organe mobile est en fin de course. Cette variation de l'entrefer se traduit par une phénomène de force en l'absence de courant tendant à faire revenir l'organe mobile au repos en position centrée. La fréquence propre de l'organe mobile (25) est donc sensiblement modifiée par la raideur magnétique ainsi obtenue. La deuxième pièce mobile (20) est identique à la première pièce mobile (10) à l'exception du fait que les aimants (22, 23) sont aimantés selon des sens opposés aux aimants adjacents de la première pièce mobile (10), lorsque toutes les deux sont en position de repos centrée par rapport au pôle statorique central (3). Les deux pièces mobiles se déplacent en opposition, en raison du renversement des polarités des aimants (12, 13) et (22, 23). Il est à noter que l'utilisation de deux pièces mobiles vibrant en opposition de phase permet de réduire le flux qui passe par les jambes latérales. Cela permet de réduire les pertes magnétiques et donc de réduire l'encombrement et la masse du stator. La présente invention ntest pas limité à l'exemple de réalisation décrit dans ce qui précède. De nombreuses variantes peuvent être envisagées. En particulier, les lames-ressorts peuvent être remplacées par des ressorts boudins précontraints assurant le positionnement des deux pièces mobiles. REVENDICATIONS 1 - Actionneur électromagnétique comportant un stator (1) fixe présentant un pôle central (3) de longueur Xc et deux pôles latéraux (4, 5) de longueur XL, ledit stator comportant une bobine d'excitation (6), l'actionneur comportant en outre une partie mobile (2) munie d'aimants permanents minces aimantés selon la direction de l'entrefer, caractérisé en ce que l'organe mobile (2) est composé d'au moins deux éléments (10, 20) indépendants mobiles chacun selon des directions parallèles à l'intersection du plan de l'entrefer et du plan médian du stator fixe (1), en sens opposés, chacune des pièces mobiles (10, 20) présentant une paire d'aimants minces (12, 13), (22, 23) aimantés en sens alternés, solidaireS d'une culasse (11), (21) en matériau doux, les aimants minces (22, 23) d'un desdits éléments mobiles (20) étant aimantés selon le sens opposé aux aimants minces (12, 13) correspondant de lrélément mobile adjacent (10), les culasses (11, 21) définissant avec la pièce statorique fixe l'entrefer E. 2 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe mobile (2) est constitué de deux pièces (10, 20) mobiles en opposition, chacune desdites pièces mobiles (10, 20) étant reliée au stator fixe (1) par des moyens élastiquement déformables pour autoriser un débattement selon la direction de mobilité tout en maintenant un entrefer E sensiblement constant. 3 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 2 caractérisé en ce que la liaison entre chacune des pièces mobiles (10, 20) et le stator (1) fixe est assurée par des lames-ressort (17, 18, 27, 28) s'étendant sensiblement perpendiculairement au plan de l'entrefer. 4 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la longueur Xç du pôle statorique central (3) et la longueur X1 des pôles statoriques latéraux (4, 5) sont supérieure ou égale à la course X de l'organe mobile augmentée d'une longueur sensiblement régale à E, Xi étant supérieur ou égal à Xc. 5 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la section du noyau central (9) supportant la bobine (6) et les sections des jambes latérales (7, 8) sont inférieures à la section du pôle statorique correspondant. 6 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la distance e séparant le pôle central et chacun des pôles latéraux est supérieure ou égale à 0,5 E où E désigne la largeur de l'entrefer. 7 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les culasses (11, 21) présentent une section trapézoïdale, la grande base correspondant à la surface de jonction avec les aimants permanents. 8 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce l'organe mobile comporte en outre au moins un aimant auxiliaire coopérant avec une bobine électrique pour former un capteur de vitesse et/ou avec une sonde de Hall pour former un capteur de position.