Brevet FR2697695A1 — publié le 19940506

La présente invention concerne un dispositif de conversion électromécanique pour produire un mouvement selon une trajectoire quelconque, en particulier rectiligne. On connaît les vérins électriques et autres actionneurs linéaires, notamment hybrides, c'est à dire dont le flux magnétique est produit conjointement par des enroulement inducteurs et des aimants permanents. Ces actionneurs comportent des stators complexes avec des pièces magnétiques successives et des enroulements électriques sur toute leur longueur. Par conséquent, si l'actionneur doit avoir une course utile importante, le coût du stator devient prohibitif. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de conversion électromécanique qui soit simple et économique à réaliser. On souhaite par exemple que le dispositif de conversion électromécanique soit suffisamment peu coûteux pour être utilisable dans des applications du bâtiment, telles que la manoeuvre motorisée des ventaux coulissants, par exemple les baies coulissantes. Suivant l'invention, le dispositif de conversion électromécanique comprenant un stator en matière magnétique comportant des pôles magnétiques statoriques, et un équipage mobile comportant au moins un enroulement inducteur et un induit définissant des pôles magnétiques mobiles qui dans des positions de conjonction sont en regard de pôles magnétiques statoriques, est caractérisé en ce que le stator est constitué par un tube de guidage comportant des évidements entre lesquels sont définis les pôles statoriques, et en ce que l'équipage mobile est monté coulissant dans le tube de guidage, et guidé de manière coulissante par le tube de guidage. Ainsi, suivant l'invention, on reporte au moins une part essentielle des fonctions magnétiques et électriques génératrices de forces motrices sur l'équipage mobile, de sorte que le stator devient une pièce très simple ayant la forme d'un tube pouvant être fendu ou fermé. En outre, ce tube est utilisé pour guider l'équipage mobile dans son déplacement. De préférence, les évidements séparant les pôles statoriques sont de simple trous disposés en rangées le long du profilé. De préférence encore, l'induit comprend au moins deux pièces polaires séparées par un aimant permanent et comprenant chacune au moins deux pôles, les pôles statoriques étant disposés de manière que dans deux positions de conjonction, l'un respectif des pôles de l'une des pièces polaires coïncide avec un pôle statorique et l'autre pôle mobile de l'autre pièce polaire de l'induit coïncide avec un pôle statorique d'une autre rangée. Ainsi, lorsque l'équipage mobile passe d'une position de conjonction à l'autre, les pôles statoriques commutent le flux entre l'un et l'autre de deux trajets différents à travers l'induit. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de conversion électromécanique selon l'invention, avec coupe selon un plan longitudinal médian - la figure 2 est une vue en perspective d'un profilé statorique convenant pour le mode de réalisation de la figure i - la figure 3 est une vue schématique en coupe du dispositif de la figure 1 - les figures 4 à 7 sont quatre vues en élévation du dispositif de la figure 1, à quatre stades successifs de son fonctionnement, avec coupe longitudinale du profilé statorique - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un dispositif selon la figure 1, dans une réalisation pratique - la figure 9 est une vue en coupe selon IX-IX de la figure 8, à échelle agrandie ;; - la figure 10 est une vue analogue à la figure 3 mais concernant une variante de réalisation ; et - la figure 11 est une vue en perspective, avec coupe partielle dans divers plans, relative à un troisième mode de réalisation, selon deux variantes. Dans l'exemple représenté aux figures 1 à 3, l'équipage mobile 1 d'un dispositif de conversion électromécanique utilisable pour réaliser un actionneur linéaire, plus particulièrement rectilinéaire, comprend dans l'exemple trois pièces polaires ferromagnétiques Sa, Sb et 5c alignées selon la direction D du mouvement à réaliser de manière que la pièce polaire Sb soit en position centrale et les deux autres Sa et 5c en position d'extrémité. Chaque pièce polaire présente des pôles désignés d'une manière générale par la lettre "B", formés par des faces parallèles à la direction de déplacement D et répartis angulairement autour de celle-ci.Dans ce premier exemple représenté aux figures 1 à 3, les pièces polaires S sont de forme générale parallélépipédique aplatie dans le plan perpendiculaire à la direction D, et présentent chacune un premier pôle mobile Bla, Blb ou Blc et un second pôle mobile B2a, B2b ou B2c opposés. Les premiers pôles mobiles Bila, Blb et Blc appartiennent à la même surface géométrique, plane dans l'exemple, parallèle à la direction D, et il en va de même des seconds pôles mobiles B2a, B2b et B2c. Comme le montre la figure 1, les pôles mobiles B forment relativement à la direction de déplacement D le sommet de saillies de la matière ferromagnétique et constituent donc des dents mobiles de l'actionneur. La pièce polaire centrale Sb est reliée à chacune des pièces polaires d'extrémité Sa et 5c par un aimant permanent respectif Aab et Acb. Ces deux aimants ont des sens de magnétisation contraires parallèles à la direction de déplacement D. Dans l'exemple, la direction d'aimantation des deux aimants est dirigée vers la pièce polaire centrale Sb. L'équipage mobile comprend en outre un enroulement électrique 3 qui entoure tout l'empilement de pièces polaires S et d'aimants permanents A dans un plan parallèle aux pôles mobiles B. Le stator 2 de l'actionneur linéaire est réalisé à partir d'un profilé tubulaire ferromagnétique de section par exemple carrée, dans lequel l'équipage mobile 1 est monté coulissant. Par exemple, comme le montre la figure 3, les composants actifs de l'équipage mobile 1 peuvent être noyés dans un bloc de résine parallélipipédique 4 dont le profil extérieur correspond, à un jeu de coulissement près, au profil intérieur du profilé statorique 2. Le bloc de résine 4 laisse apparaître, ou bien ne recouvre que d'une mince couche, les premiers pôles B1 et les secondes pôles B2 de l'équipage mobile 1. Deux rangées longitudinales de trous rectangulaires T1 et respectivement T2 sont pratiquées à travers les parois du profilé statorique 2 qui sont en regard des pôles mobiles B. Dans chaque rangée, les trous définissent entre eux une rangée de pôles statoriques Ria, Rib, etc ; R2a, R2b, etc. Les pôles statoriques, que l'on peut désigner généralement par la lettre "R", peuvent également être qualifiés de dents. Les rangées de trous T1 et T2 sont décalées longitudinalement l'une par rapport à l'autre de manière que chaque pôle statorique, tel que Ria, soit situé à mi-distance, mesurée parallèlement à la direction de déplacement D, entre deux pôles statoriques tels que R2a et R2b de l'autre rangée. Une paroi 6 au moins du profilé statorique 2 relie de manière continue les deux parois comportant les trous T1, T2 de manière à former culasse magnétique entre elles. La distance entre deux pôles statoriques d'une même rangée, tels que R2a et R2b à la figure 1, est égale à la distance entre les deux pièces polaires d'extrémité Sa et Sc de l'équipage mobile 1. Ainsi, comme le montre la figure 1, l'équipage mobile 1 peut prendre dans le stator 2 des positions de conjonction, dans lesquelles la pièce polaire centrale Sb a l'un de ses pôles, par exemple le premier pôle Bib, qui coïncide avec un pôle fixe de la rangée correspondante, dans l'exemple le pôle fixe Ria, tandis que les pièces polaires d'extrémité Sa et 5c ont leurs autres pôles, donc les deuxièmes pôles B2a et B2C dans l'exemple, qui coïncident avec deux pôles successifs R2a et R2b de l'autre rangée de pôles fixes. On comprend aisément, et cela sera d d'ailleurs explicité plus loin, que l'équipage mobile 1 de la figure 1 peut prendre une autre position de conjonction dans laquelle c'est le deuxième pôle B2b de la pièce polaire centrale Sb qui est en coïncidence avec un second pôle fixe R2, tandis que les premiers pôles Bia et Blc des deux pièces polaires d'extrémité Sa et Sc sont en coïncidence avec deux premiers pôles fixes R1 successifs. Comme le montrent les figures 4 à 7, pour réaliser un actionneur linéaire on monte dans le tube statorique 2 un équipage mobile comprenant deux ensembles successifs tels que celui décrit en référence à la figure 1, fixés l'un à l'autre par des moyens 7 qui peuvent prendre n importe quelle forme appropriée pour respecter le fonctionnement dont la description va suivre. Les deux sous-ensembles ou phases P1 et P2 qui forment l'équipage mobile 1 sont reliés l'un à l'autre de manière que lorsque l'une des phases (P1 à la figure 4) est dans une position de conjonction, l'autre phase (P2 à la figure 4) est à mi-chemin entre deux positions de conjonction. A partir de cette situation, dans un mode de fonctionnement en pas à pas, on alimente l'enroulement 32 de la phase P2 qui est en position intermédiaire de manière que le flux rentre dans les pièces polaires d'extrémité Sa et Sc pour traverser les aimants permanents Aab et Acb dans le sens de l'aimantation permanente puis ressortir par la pièce polaire centrale Sb. Le flux ainsi créé se referme à travers le tube statorique 2. On voit qu'à travers l'équipage mobile 1, les lignes de flux ainsi produites dans les pièces polaires Sar Sb et 5c de la phase P2 sont toutes globalement dirigées vers le bas, ce qui correspond à un premier sens du courant fourni à l'enroulement 32. Pendant ce temps, l'enroulement 31 est maintenu au repos. Les forces magnétiques produites dans la phase P2 déplacent l'équipage mobile 1 vers la position représentée à la figure 5 correspondant à une position de conjonction pour la phase P2 et une position intermédiaire pour la phase P1.A ce stade, on met l'enroulement 32 de la phase P2 au repos et on alimente l'enroulement 31 de la phase P1 de façon que les lignes de flux aillent, une fois encore, des pièces polaires d'extrémité Sa et 5c vers la pièce polaire centrale Sb.Ainsi, une fois encore, le flux produit par l'enroulement s'ajoute à celui des aimants permanents. Mais cette fois, les pièces polaires d'extrémité Sa et 5c vont coïncider avec les seconds pôles fixes R2a et R2b. Il en résulte que les lignes de flux traversent l'équipage mobile vers le haut, c'est à dire en sens contraire du flux qui traversait la phase P2 à la figure 4, et par conséquent l'enroulement 31 doit être alimenté dans un second sens, contraire au premier. Les forces qui en résultent amènent l'équipage mobile dans la position représentée à la figure 6, dans laquelle la phase P1 est dans sa position de conjonction autre que celle de la figure 4 et la phase P2 se trouve à nouveau en position intermédiaire. On met l'enroulement 31 au repos et on alimente l'enroulement 32 dans le deuxième sens, contraire à celui de la figure 4, pour déplacer l'équipage mobile 1 jusqu'à la situation représentée à la figure 7 à partir de laquelle, par mise au repos de l'enroulement 32 et alimentation de l'enroulement 31 dans le premier sens, on repassera à la situation de la figure 4. Dans un mode de fonctionnement auto-piloté, on envoie dans chaque enroulement une onde de courant alternatif en synchronisme avec la variation alternative du flux généré par les aimants permanents dans les enroulements. Ainsi, pour chaque phase P1 ou P2, les pôles statoriques R se comportent comme des commutateurs de flux magnétique grâce auxquels le flux emprunte l'un ou l'autre de deux trajets en Y à travers chaque phase. Pour alimenter les enroulements 31 et 32, on peut relier l'équipage mobile à des bornes fixes par un cordon souple par exemple du genre ayant au repos une configuration hélicoïdale. On peut aussi, comme représenté à la figure 8, placer dans le profilé statorique 2, deux rails d'alimentation 8 contre lesquels glissent des frotteurs élastiques 9 portés par l'équipage mobile 1. La paroi intérieure 2 du profilé est, dans l'exemple représenté, recouverte d'un revêtement par exemple en polytétrafluoréthylène 11, ayant à la fois un très faible coefficient de frottement et des qualités d'isolant électrique. Le bloc de résine 4 glisse contre le revêtement 11. Les rails 8 sont fixés sur le revêtement avec en cas de besoin une isolation complémentaire.Pour réaliser la commutation permettant l'alimentation sélective et alternée des deux enroulements 31 et 32, on peut prévoir qu'il y ait un rail 8 pour chaque sens de courant, les rails comportant chacun une alternance convenable de zones conductrices et de zones isolantes pour distribuer convenablement le courant, dans le sens voulu et au moment voulu, à chaque enroulement 31 ou 32. Selon les applications le retour de courant peut se faire par la masse du profilé 2 ou par un conducteur de retour non représenté, par exemple un troisième rail 8. Mais il est également possible, comme illustré plus particulièrement à la figure 9, de ne prévoir que deux rails 8, ayant entre eux une tension continue uniforme, l'équipage mobile 1 comportant un dispositif de commutation 12 pour appliquer ce courant dans le sens voulu et au moment voulu à chacun des enroulements. Il existe de nombreux procédés connus pour commuter automatiquement un courant dans un équipage mobile de machine électrodynamique. On peut utiliser un détecteur de proximité monté sur l'équipage mobile pour détecter la position de l'équipage mobile par rapport aux pôles fixes "R". On pourrait par exemple, d'une manière adaptée à l'invention, détecter dans l'enroulement qui n'est pas alimenté le courant induit par les aimants permanents, le résultat de cette détection donnant une indication de la position de l'équipage mobile par rapport aux pôles fixes "R". On peut également faire appel à une détection de position extérieure pour relever la position de l'équipage mobile et transmettre à l'équipage mobile, par exemple par la méthode des courants porteurs, des signaux de commandes de commutation électrique. Dans les exemples décrits jusqu a présent, le profilé statorique 2 a été décrit et représenté comme un tube fermé, à l'exception des trous T. Ceci implique que l'équipage mobile déplace l'organe à commander soit par l'intermédiaire d'une tige sortant du profilé statorique 2 par l'une des ses extrémités, soit par action sans contact, en particulier action magnétique. Par exemple, si l'actionneur linéaire sert à commander un rideau, on peut prévoir que le profilé 2 sert en même temps de tringle pour le rideau, autour de laquelle coulissent des anneaux auxquels le rideau est accroché. En tête de la série d'anneaux un curseur en matière magnétique coulisse autour du profilé 2 en même temps que l'équipage mobile 1 coulisse à l'intérieur du profilé 2. Mais comme représenté à la figure 10 on peut également souhaiter un couplage direct entre l'équipage mobile 1 et l'organe à entraîner. Dans ce cas, le profilé 2 peut présenter une fente longitudinale 13, de préférence à travers l'une des parois comportant les trous T1 ou T2 de manière à éviter d'interrompre l'une des parois 6 formant culasse magnétique. Pour compenser la surface active ôtée aux pôles statoriques R2 par la fente 13, les pièces polaires S comportent un épanouissement polaire 14 du côté de la paroi traversée par la fente 13. La fente peut servir de moyen de positionnement angulaire de l'équipage mobile, de sorte que la section du tube pourrait être ronde même si l'on désire que l'équipage mobile ne puisse pas tourner autour de l'axe du tube. L'exemple représenté à la figure 11 ne sera décrit qu'en ce qui concerne ses différences par rapport aux précédents. Les pièces polaires Sar Sb et 5c comportent chacune quatre pôles, par exemple Bilai B2a, B3a et B4a répartis à intervalles angulaires de 90" autour de la direction de déplacement D. Chaque paroi du profilé statorique 2 comporte des rangées de trous T1 et T2, T3 et T4. Dans l'exemple illustré par la partie droite de la figure 11, les trous tels que T1 et T2 ou encore T3 et T4 situés sur des parois opposées du profilé 2 sont en regard les uns des autres et décalés longitudinalement d'un demi-pas par rapport aux trous des deux autres parois.Il n'y a alors que deux enroulements 3 entourant chacun la rangée de dents adjacentes à l'une de deux parois opposées, les dents B1 et B2 dans l'exemple. Dans ce cas, la structure fonctionne sensiblement comme il a été dit plus haut, excepté que les culasses sont constituées par les régions d'angle du profilé 2, ce qui correspond à des trajets magnétiques plus courts. Les deux enroulements sont toujours alimentés en sens opposés l'un de l'autre pour ramener le flux vers le centre des pièces polaires d'extrémité Sa et Sc, le faire passer par les deux aimants permanents puis le faire diverger vers deux dents opposées à partir du centre de la pièce polaire centrale Sb. Selon une autre version illustrée par la partie gauche de la figure 11, il y a quatre enroulements entourant chacun les dents associées à l'une des faces du profilé, et toutes les rangées de pôles fixes sont décalées longitudinalement par rapport aux trois autres d'un quart de pas, un demi-pas et respectivement trois quarts de pas. Ainsi, dans chaque position de l'équipage mobile, il y a deux rangées de pôles mobiles B qui définissent une situation de conjonction et les deux autres rangées définissent une position intermédiaire.En alimentant dans le sens convenable les enroulements entourant les dents mobiles qui sont dans la situation intermédiaire, et en laissant au repos les deux autres enroulements, on provoque le mouvement de l'équipage mobile selon la direction D jusqu a ce que les deux rangées de dents initialement en situation intermédiaire soient désormais en position de conjonction, alors que les deux rangées de dents initialement en position de conjonction atteignent une position intermédiaire. On alimente alors les deux autres enroulements dans le sens convenable et on supprime l'alimentation des deux enroulements précédemment alimentés pour que le mouvement se poursuive.De cette manière, les deux phases sont confondues matériellement dans un seul et même induit et il n'est donc plus nécessaire que l'équipage mobile comporte deux sous-ensembles accouplés l'un à l'autre comme cela était représenté aux figures 4 à 7. Dans l'ensemble des exemples décrits, les surfaces actives des aimants permanents peuvent être grandes par rapport aux surfaces d'entrefer. Il en résulte une induction d'excitation élevée dans l'entrefer. Ainsi même avec des aimants peu coûteux, en ferrite, on obtient les performances que l'on attend habituellement de matériaux beaucoup plus coûteux, tels que les terres rares. En outre, le stator est simplifié à l'extrème et peut être débarrassé de toute fonction nécessitant des pièces localisées ou des commandes ou branchements à appliquer sur ce stator. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Il n'est pas nécessaire que l'équipage mobile comporte des aimants permanents. il pourrait ne comporter qu'un simple barreau de fer doux, correspondant à l'une des pièces polaires de la figure 1, entouré par un enroulement convenablement commuté au cours du déplacement de cet équipage. Même si l'on réalise une structure hybride, c'est à dire avec aimants permanents, il suffit de deux pièces polaires avec un seul aimant permanent pour réaliser une phase, l'utilisation de trois pièces polaires et deux aimants ayant simplement pour avantage de supprimer les couples de basculement sur l'équipage mobile pendant son coulissement. On pourrait utiliser un profilé sans décalage longitudinal entre les pôles fixes, les pièces polaires étant par exemple disposées obliquement par rapport à la direction de déplacement de l'équipage mobile, ou encore prolongées par des cornes polaires ou épanouissements polaires de forme appropriée pour réa liser la commutation de flux décrite. Par rapport au mode de réalisation de la figure 11, on peut augmenter encore le nombre de pôles autour de l'axe de déplacement de l'équipage mobile. Même dans le cas où les quatre rangées de pôles statoriques sont toutes décalées longitudinalement les unes par rapport aux autres, on peut ne prévoir que deux enroulements, entourant deux rangées de pôles mobiles dont chacune est en position de conjonction. Dans tous les exemples, on peut également augmenter le nombre de phases, notamment pour rendre la force de déplacement plus uniforme. On peut donner au profilé 2 une forme courbe ou sinueuse pour guider l'équipage mobile 1 selon une trajectoire correspondante. On peut prévoir un enroulement autour de chaque dent à la place des enroulements entourant plusieurs dents. On peut monter l'équipage mobile sur roulettes ou galets dans le tube. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion électromécanique comprenant un stator en matière magnétique comportant des pôles magnétiques statoriques (Rla, Rlb, R2a, R2b), et un équipage mobile (1) comportant au moins un enroulement inducteur (3 ; 31, 32) et un induit (Sa, Sb, Sc) définissant des pôles magnétiques mobiles (Bla, b, c ; B2a, b, c) qui dans des positions de conjonction sont en regard de pôles magnétiques statoriques, caractérisé en ce que le stator est constitué par un tube de guidage (2) comportant des évidements (T1, T2) entre lesquels sont définis les pôles statoriques, et en ce que l'équipage mobile (1) est monté coulissant dans le tube de guidage (2) et guidé de manière coulissante par le tube de guidage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les évidements sont des trous (T1, T2). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube de guidage (2) est réalisé à partir d'un profilé. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube de guidage (2) a une section polygonale et l'équipage mobile (1) un profil extérieur au moins partiellement correspondant, de façon à empêcher la rotation relative du stator (2) et de l'équipage mobile (1) autour de l'axe du tube. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube comporte une fente longitudinale (13) par laquelle l'équipage mobile (1) est reliable à un organe à entraîner. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'induit comporte un aimant permanent (Aab, Acb) entre deux pièces polaires (Sa, Sb, Sc) ayant chacune au moins deux pôles mobiles (Bla, Blb ; B2a, B2b ; B3a, B3b) défilant chacun devant une rangée de pôles statoriques respective (Rla, Rlb ;R2a, R2b), et en ce que les pôles statoriques et mobiles sont agences de façon que dans une première de deux positions de conjonction de l'induit, deux premiers pôles mobiles (B1a, 32b i B2a, lb appartenant chacun à l'une respective des pièces polaires et coopérant chacun avec l'une respect vue tes rangées de pôles statoriques concinent avec eux pôles statoriques tandis que les deux autres pôles mobiles sont décalés par rapport aux pôles statoriques, alors que dans la deuxième des deux positions de conjonction, lesdits deux autres pôles mobiles coïncident avec des pôles statoriques et les deux premiers pôles mobiles sont décalés par rapport aux pôles statoriques. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enroulement inducteur (3 ; 31, 323 est alimenté dans deux sens différents selcn que l'induit s'approche de la première position de conjonction ou de la deuxième position de conjonction. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les rangées de pôles statoriques (Rla, Rlb ; R2a, R2b) sont décalées longltudinalement l'une par rapport à l'autre. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque pièce polaire comporte quatre pôles (Bla, B2a, 33a, B4a) et le tube de guidage (2) définit quatre rangées de pôles statoriques. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'induit comporte trois pièces polaires (Sa, Sb, Sc) séparées par deux aimants permanents (Aab, Acb) ayant des sens 'aimantation opposés sensiblement parallèles au sens de déplacement '3) de l'équipage mobile (1) dans le tube de guidage (2). li Dispositif selon 'une des revendications 1 à 10, caractérisé en e que l'équipage mobile (1) comporte au moins deux induits équipés chacun d'au moins un enroulement (31, 32), et se suivant selon la direction de déplacement de l'équipage mobile (1) dans le tube de guidage (2), les deux induits étant fixés 'un à l'autre de manière à être magnétiquement écalés 'un par rapport à l'autre reiatvement aux pôles statoriques (R1a, R1b ; 2a, R2b). 12 Dispositif selon l'une es revendications 1 à 11, caracterisé en ce que tour e pontage coulissant de l'équipage rnoeile (1) dans Le tube de guidage (2), la paroi intérieure du profilé est garnie d'un matériau de glissement (11). 13 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'induit de l'équipage mobile (1) est noyé dans un bloc de résine (4) dont le profil extérieur correspond sensiblement au profil intérieur du tube de guidage (2). 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il est prévu à l'intérieur du profilé au moins un rail d'alimentation électrique longitudinal (8), l'équipage mobile (i) comportant un contact (9) coopérant avec ce rail.