Brevet FR2687502A1 — publié le 19930820

La presente invention concerne l'optimisation du rendement volumique des électro-aimants dits à noyau plongeur, où à mouvement rectiligne. Les électro-aimants connus utilisent une armature mobile coulissante dans une bobine d'induction et possèdent une seule forme polaire, permettant de faire varier la perméance du circuit magnétique. Dans ces électro-aimants, une force d'attraction variable est produite entre les pôles et elle est fonction de leur distance (entrefer). La force d'attraction entre le pôle fixe et le pôle mobile est définie par la formule suivante F = 1 (NI)2 dP 2 de dans laquelle N = Nombre de spires de la bobine d'induction I = Courant dans la bobine P = Perméance e = entrefer Dans les electro-aimants précités, le facteur dP/de est faible, car ils ont un seul entrefer variable. On est conduit alors à dimensionner le volume de la bobine à des valeurs importantes afin d'obtenir le facteur (NI)2 souhaite. L'invention vise à remedier aux inconvénients des électro-aimants classiques en créant un electro-aimant qui tout en ayant des performances au moins aussi bonnes que celles des électro-aimants connus soit d'un encombrement très réduit par rapport aux electro-aimants de l'état de la technique. Elle a donc pour objet un électro-aimant du type comprenant un circuit magnétique fixe, une armature mobile déplaçable en translation par rapport au circuit magneti- que fixe et une bobine d'excitation associée au circuit magnétique, caractérisé en ce que le circuit magnétique comporte un pôle saillant entouré par la bobine d'excita tion et dont l'extrémité libre débouche dans un orifice du circuit magnétique qui definit son pôle complémentaire, le pôle saillant délimitant avec la bobine d'excitation et le pôle complémentaire du circuit magnétique, un evidement annulaire, tandis que l'armature mobile comporte une jupe destinee à être engagée dans l'évidement annulaire et coiffer le pôle saillant du circuit magnétique pour définir entre les deux pôles du circuit magnétique au moins deux entrefers variables en fonction de la position axiale de la jupe dans l'évidement annulaire. Cette disposition permet une nette reduction du volume de la bobine d'induction et surtout de sa longueur. Il en résulte une conception plus compacte de l'electro-aimant avec l'avantage d'une réduction des pertes dans le circuit magnétique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l est une vue en élévation et en coupe d'un électro-aimant suivant l'invention; et - la Fig.2 est une vue analogue à celle de la Fig.l montrant l'armature de l'électro-aimant en position engagee dans le circuit magnétique de celui-ci. Sur la Fig.l, on a représente en coupe un électro-aimant suivant l'invention qui comporte un circuit magnétique fixe 1 réalisé en une ou plusieurs pièces, une armature mobile 2, une bobine d'excitation 3 associee au circuit magnétique, l'armature mobile 2 etant portee par un arbre de guidage 4 monté déplaçable dans un alésage central 5 du circuit magnétique, avec interposition de paliers de guidage 6. Dans le présent exemple de réalisation, le circuit magnétique 1 comporte un pôle saillant 7 qui s'étend à partir d'une première face 8 du circuit magnéti que vers une seconde face 9 de celui-ci dans laquelle il debouche par un orifice 10 ménage dans cette seconde face. Dans le présent exemple, le pôle saillant 7 est tronconique et va en se retrécissant à partir de la première face 8 vers la seconde face 9 du circuit magnétique 1. Il définit avec la bobine 3 qui l'entoure et la paroi de l'orifice 10 du circuit magnétique, un evidement annulaire 11 de section transversale variable en direction axiale. L'alésage 5 ménagé dans le circuit magnétique pour le passage de l'arbre de guidage 4 de l'armature 2, est réalisé de façon coaxiale au pôle saillant 7. L'orifice 10 ménage dans la paroi 9 du circuit magnétique 1 définit le pôle complémentaire du circuit magnétique. L'armature 2 montée sur l'arbre de guidage 4 comporte une jupe 12 venue de matière, de forme tronconique et d'épaisseur de paroi variable axialement, destinée à être engagée dans l'évidement annulaire 11 du circuit magnétique lors du déplacement axial de l'armature par rapport à ce dernier. Ainsi qu'on le voir à la Fig.l, sur laquelle la jupe 12 de l'armature 2 est partiellement engagée dans l'évidement 11 du circuit magnétique, la jupe définit entre le pôle saillant 7 et le pôle complémentaire 10 du circuit magnétique, deux entrefers 13,14 de section variable en fonction du degré de penetration de la jupe 12 dans l'évidement annulaire 11 du circuit magnétique. Entre l'extrémité libre 15 du pôle saillant 7 et le fond 16 de la cavité 17 de la jupe 12, est défini un entrefer supplementaire 18. Dans le présent exemple, l'armature mobile 2 comporte une collerette périphérique 19 qui, lorsque l'armature mobile 2 vient au contact du circuit magnétique 1 constitue une butée axiale destinee à éviter la venue des parois de la jupe 12 en contact avec le pôle saillant 7 et le pôle complémentaire constitué par l'orifice 10 en maintenant ainsi les entrefers 13,14 et 18 à leur dimension minimale. A titre de variante, la fonction de butée peut éventuellement assurée par le fond 16 de la cavite 17 de la jupe qui dans ce cas vient au contact de l'extrémité libre 15 du pôle saillant 7. Alors, avec les entrefers 13 et 14 subsiste également un entrefer 20 entre la paroi 9 du circuit magnétique et la face 21 de la collerette 19 située en regard de cette paroi. Les entrefers 13,14 et 18 qui subsistent lors de l'application de l'armature mobile 2 contre le circuit magnétique 1, sont représentés à la Fig.2, sur laquelle on voit que la collerette périphérique 19 de l'armature mobile constitue l'organe de butée axiale de celle-ci. Dans le mode de réalisation représenté, on voit que l'entrefer 13 défini entre la surface exterieure de la jupe 12 et le pôle du circuit magnétique défini par l'orifice 10 est de section variable mais de longueur constante. En revanche, l'entrefer 14 défini entre la paroi interieure de la jupe 12 et le pôle saillant 7 presente à la fois une section et une longueur variables. Enfin, l'entrefer 18 entre l'extrémité libre 15 du pôle saillant 7 et le fond 16 de la cavité 17 de la jupe, présente seulement une longueur variable. On voit donc que grâce à l'agencement de l'invention, l'armature mobile 2 est de construction telle que la section et la longueur de la portion de la jupe 12 traversée par le flux magnétique, est fonction de la position axiale de l'armature mobile 2 par rapport au circuit magnétique 1. Dans le présent exemple, l'orifice 10 ménage dans la face 7 du circuit magnétique et dans lequel debouche le pôle saillant 7, est de forme tronconique. Cet orifice peut egalement être soit cylindrique, soit de forme étagée, suivant les caractéristiques de la courbe force/course souhaitée. Dans l'exemple représenté au dessin, le pôle saillant est de forme tronconique, tandis que la jupe 12 de l'armature mobile 2 est également de forme tronconique complémentaire à celle du pôle saillant 7. I1 est cependant possible d'envisager de realiser un electro-aimant suivant l'invention, avec un pôle saillant cylindrique qui coopérerait avec une armature mobile ayant une jupe tronconique à cavité interne cylindrique et un orifice tronconique definissant le pôle complémentaire. Le circuit magnétique de l'electro-aimant peut également comporter un pôle saillant tronconique coopérant avec une armature mobile pourvue d'une jupe à paroi extérieure cylindrique et à paroi interieure tronconique et avec un pôle complémentaire tronconique. On peut de plus imaginer un électro-aimant selon l'invention comportant un circuit magnétique dont le pôle saillant serait cylindrique, le pôle complémentaire defini par l'orifice dans lequel debouche l'extrémité libre du pôle saillant serait également cylindrique, alors que l'armature coopérant avec un tel circuit magnétique comporterait une jupe tronconique dont la paroi serait d'épaisseur axialement variable. Dans tous les cas, il est cependant nécessaire qu'en regard du pôle complémentaire du circuit magnétique, définit par l'orifice 10, la somme de la section transversale du pôle saillant et de l'épaisseur de la paroi de la jupe engagée dans l'évidement, soit variable en fonction de la position axiale de l'armature mobile par rapport au circuit magnétique. L'avantage de disposer d'entrefers de grande surface en regard, est manifeste, car la réluctance des entrefers est inversement proportionnelle à cette surface. I1 en résulte un gain important en Ampère-tours pour un même flux magnétique. L'électro-aimant suivant l'invention présente les avantages suivants 1) rendement volumique important; 2) gain en performances dû à la réduction de la longueur du circuit magnétique; 3) gain en poids; 4) réduction du temps de réponse de l'armature du fait d'une masse mobile nettement plus faible que dans les agencements classiques; 5) coût de production réduit. La présence de plusieurs entrefers de longueur et de section variables, entre les circuits magnétiques de l'electro-aimant et la jupe de son armature mobile, permet en raison notamment de la distribution de ces entrefers, la variation de la perméance du circuit magnétique en fonction de la position axiale de l'armature mobile. Dans l'exemple décrit en référence au dessin, l'extrémité 15 du pôle saillant 7 qui débouche dans l'orifice 10 de la paroi 9 du circuit magnétique définis- sant le pôle complémentaire, affleure la surface extérieure de la paroi correspondante du circuit magnétique. I1 est egalement possible que cette extrémité se trouve en retrait par rapport à la paroi extérieure de cette face. Dans l'exemple représente, le pôle saillant 7 est de forme tronconique. Cependant, il peut egalement être réalisé de forme étagee, auquel cas, la jupe de l'armature mobile associée à un tel circuit magnétique peut également etre réalisée de forme étagée complémentaire à celle du pôle saillant. L'électro-aimant suivant l'invention présente enfin l'avantage de nécessiter une force magnétomotrice inférieure à celle que nécessitent des électro-aimants de conception classique et de même puissance pour engendrer une force d'attraction identique. REVENDICATIONS 1. Electro-aimant du type comprenant un circuit magnétique fixe (1), une armature mobile (2) déplaçable en translation par rapport au circuit magnétique fixe et une bobine d'excitation (3) associée au circuit magnétique, caractérisé en ce que le circuit magnétique (1) comporte un pôle saillant (7) entouré par la bobine d'excitation (3) et dont l'extrémité libre (15) débouche dans un orifice (10) du circuit magnétique qui définit son pôle complémentaire, le pôle saillant (7) délimitant avec la bobine d'excitation (3) et le pôle complémentaire du circuit magnétique, un évidement annulaire (11), tandis que l'armature mobile (2) comporte une jupe (12), destinée à être engagée dans l'évidement annulaire et coiffer le pôle saillant (7) du circuit magnétique (1) pour définir entre les deux pôles du circuit magnétique au moins deux entrefers (13,14,18) variables en fonction de la position axiale de la jupe (12) dans l'évidement annulaire (11). 2. Electro-aimant suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en regard du pôle complémentaire (10) du circuit magnétique, la somme de la section transversale du pôle saillant (7) et de l'épaisseur de la paroi de la jupe (12) de l'armature mobile (2) engagée dans l'évidement (11) est variable en fonction de la position axiale de l'armature mobile (2) par rapport au circuit magnétique. 3. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pôle saillant (7) du circuit magnétique est de section transversale variable axialement et la jupe (12) de l'armature mobile (2) présente une forme complémentaire à celle du pôle saillant et une épaisseur de paroi variable axialement. 4. Electro-aimant suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le pôle saillant (7) est de forme tronconique se rétrécissant vers le pôle complémentaire (10), la jupe (12) de l'armature mobile (2) est de forme tronconique complémentaire à celle du pôle saillant (7) et d'épaisseur de paroi variable axialement et l'orifice (10) du circuit magnétique définissant le pôle complémentaire est également tronconique, la jupe (12) de l'armature mobile (2) définissant avec les deux pôles (7,10) du circuit magnétique trois entrefers (13,14,18) de section variable. 5. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pôle saillant du circuit magnétique est cylindrique, la jupe de l'armature mobile est tronconique, à cavité interne cylindrique et l'orifice définissant le pôle complémentaire est tronconique. 6. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pôle saillant du circuit magnétique est tronconique et coopère avec une armature mobile à jupe cylindrique et à paroi intérieure tronconique et avec un pôle complémentaire cylindrique. 7. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le pôle saillant du circuit magnétique est cylindrique, et coopère avec une armature mobile dont la jupe est tronconique d'épaisseur de paroi variable axialement et avec un pôle complemen- taire cylindrique. 8. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'armature mobile (2) comporte une collerette périphérique (19) qui définit avec le circuit magnétique (1), un entrefer supplémentaire (20) variable en fonction de la position axiale de l'armature mobile (2) par rapport au circuit magnétique (1). 9. Electro-aimant suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de butée axiale (19) de maintien des entrefers (13,14,18; 13,14,20) entre le circuit magnétique et l'armature mobile à une valeur minimale lors de l'engagement maximal de la jupe (12) de l'armature mobile dans l'évidement annulaire (11) du circuit magnétique. 10. Electro-aimant suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément de butée est constitue par la collerette périphérique (19) de l'armature mobile. 11. Electro-aimant suivant les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'élément de butée est constitué par le fond (16) de la cavite (17) de la jupe (12) de l'armature mobile, qui coopère avec l'extrémité libre (15) du pôle saillant (7).