Brevet FR2705510A1 — publié le 19941125

ACTIONNEUR ÉLECTROMAGNÉTIQUE MONOPHASé À FAIBLE COURSE PRÉSENTANT UN BON RAPPORT FORCE SUR PUISSANCE ÉLECTRIQUE. La présente invention concerne un actionneur électromagnétique monophasé, destiné plus particulièrement à des applications nécessitant des courses de faible amplitude. On connaît dans l'état de la technique des actionneurs comportant une première partie mobile selon une direction Y, et une seconde partie statorique fixe réalisée en un matériau de très haute perméabilité magnétique et comportant au moins une bobine. De tels actionneurs sont par exemple divulgués dans le brevet français nO 2648633 de la demanderesse. L'actionneur selon cet exemple de réalisation comporte un aimant mince aimanté transversalement et présente la particularité de fournir une force constante sur toute la course et une absence de force magnétostatique. L'objet de la présente invention est un actionneur optimisé pour des faibles courses, et de proposer un actionneur qui présente une force par watt élevée. A cet effet, l'actionneur selon lrinvention présente une partie statorique fixe et une partie ferromagnétique mobile définissant entre elles deux entrefers disposés symétriquement par rapport au plan médian perpendiculaire à l'axe de déplacement Y de l'organe mobile aimanté radialement et passant par le milieu d'un aimant permanent, la longueur de la partie ferromagnétique mobile étant sensiblement égale à la longueur de l'aimant permanent. L'entrefer radial entre l'aimant fixe et la partie ferromagnétique est rendu aussi faible que mécaniquement possible. Quand la partie ferromagnétique mobile est en position médiane par rapport à l'aimant et à la partie statorique fixe, le flux magnétique da à l'aimant se partage de façon égale entre les deux entrefers en l'absence de courant dans la bobine d'excitation. Lorsqu'un courant circule dans la bobine d'excitation, il engendre un flux s'ajoutant ou se retranchant à celui de l'aimant permanent. Suivant le sens du flux généré par la bobine, celui-ci se fermera préférentiellement dans l'un ou dans l'autre des entrefers, ce qui provoque le déplacement de la partie ferromagnétique mobile en direction de l'entrefer traversé par l'addition des deux flux. Ce type d'actionneur présente la particularité de produire une grande force magnétostatique dans chacune des deux positions stables sans courant en bout de course. Afin de diminuer la proportion de force magnétostatique par rapport à la force due au courant, on peut avantageusement incliner les entrefers par rapport à l'axe Y, d'un angle de l'ordre de 450. Selon une variante préférée, la partie statorique fixe est constituée par un tube cylindrique extérieur réalisé en un matériau magnétique doux, fermé à chacune de ses extrémités par une flasque de même matériau présentant une surface conique. Avantageusement, la bobine est logée dans le cylindre extérieur, ltaimant fixe se logeant dans le diamètre intérieur de la bobine, et étant préférentiellement réalisée dans un aimant à haute énergie et à orientation radiale tels que ceux proposés par la société DAIDO STEEL Ltd. La partie magnétique mobile est constituée par une pièce tubulaire réalisée en un matériau magnétique doux présentant à chacune de ses extrémités une surface conique complémentaire de celle de la partie statorique fixe. Avantageusement la bobine est logée dans une cavité cylindrique prévue dans la partie statorique fixe. Selon une variante, l'actionneur comporte deux bobines annulaires disposées symétriquement par rapport au plan transversal médian, logées dans des cavités cylindriques prévues dans la partie statorique fixe. Ce mode de réalisation permet l'utilisation de l'actionneur en commande unipolaire de façon bidirectionnelle et permet d'intercaler un matériau magnétique doux entre les deux bobines pour faciliter la fermeture du flux magnétique entre l'aimant et le cylindre extérieur, plutôt qu'à travers l'épaisseur du cuivre de la bobine. Selon un mode de réalisation préféré, l'actionneur comporte deux ressorts exerçant sur chacune des extrémités de l'organe mobile une force de rappel orientée selon l'axe Y et destinée à compenser l'effort magnétostatique naturel de cette structure. On arrive grâce à cette méthode à développer une force sensiblement constante sur toute la course de l'actionneur. Selon une variante particulière, l'actionneur comporte une deuxième partie ferromagnétique mobile coaxiale avec la première partie ferromagnétique mobile. Ce mode de réalisation permet de disposer de deux organes mobiles en sens opposés. De préférence, l'aimant est fixe, et selon une variante particulière, l'aimant cylindrique à orientation radiale est remplacé par 3 tuiles formant des secteurs d'environ 1200, ou par une succession d'aimants minces rectangulaires répartis de façon régulière sur un diamètre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins annexés où - la figure 1 représente une vue en coupe, à une échelle 2, d'un actionneur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation - la figure 3 représente une vue selon un plan de coupe transversale AA de cette variante ; - la figure 4 représente une vue d'un actionneur selon une deuxième variante ; - la figure 5 représente une vue d'un actionneur selon une troisième variante ; - la figure 6 représente une vue d'un actionneur selon une quatrième variante. L'actionneur représenté à titre d'exemple non limitatif en figure 1 comporte une partie statorique fixe constituée par deux pièces cylindriques (1, 2) réunie par une pièce de fermeture tubulaire (3), les trois pièces coaxiales étant réalisées en un matériau magnétique doux. Les pièces cylindriques (1, 2) présentent une partie frontale respectivement (4, 5) de forme annulaire et une partie intérieure respectivement (6, 7) présentant une surface (8, 9) conique. La longueur de la pièce de fermeture (3) est de 37 millimètres, dans l'exemple de réalisation décrit, et le diamètre extérieur de la partie statorique fixe est de 45 millimètres. La partie ferromagnétique mobile (10) est constituée par une pièce tubulaire en un matériau magnétique doux présentant à ses deux extrémités frontales (11, 12) des surfaces coniques définissant avec les surfaces coniques (8, 9) de la partie statorique fixe deux entrefers annulaires (13, 14). La largeur de l'entrefer, mesurée suivant la direction Y de déplacement de la partie ferromagnétique mobile, est de 1 millimètre. L'actionneur comporte une bobine annulaire (15) constituée par un enroulement de fils de cuivre. Cette bobine (15) est logée dans une cavité cylindrique de la partie statorique fixe, et engendre, lorsqu'un courant circule dans ladite bobine, un flux magnétique conduit par la pièce de fermeture (3), le premier entrefer (13), la pièce statorique mobile (10), et le second entrefer (14). L'aimant permanent (16) est constitué par une pièce tubulaire aimantée radialement. Il est collé sur une pièce d'isolation (17) assurant l'étanchéité de la cavité dans laquelle est logée la bobine électrique (15). Cette pièce d'isolation est réalisée en matière plastique. La partie ferromagnétique mobile (10) est solidaire d'un organe mobile (18) de forme tubulaire pour l'accouplement avec un moyen extérieur, par exemple le pointeau d'une vanne, ou, dans l'exemple de réalisation représenté en figure 4, une lame de contact hyperfréquence. L'organe mobile (18) est ramené au repos en position médiane par deux ressorts (19, 20) agissant sur des épaulements respectivement (21, 22) prévus à l'intérieur de l'organe mobile (18). L'organe mobile (18) présente des évents (23 à 26) pour éviter la compression de l'air dans les entrefers (13, 14). A titre d'exemple, un actionneur selon cet exemple de réalisation développe une force de 40 newton pour une puissance électrique de 6 watt, et pour un déplacement de + 1 millimètre par rapport au plan de symétrie médian (27). Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe d'une variante de réalisation mettant en oeuvre deux parties statoriques mobiles (40, 41) coaxiales de forme tubulaire, mobiles axialement entre les deux parties frontales (1, 2) de la pièce statorique fixe définissant des entrefers (44 à 47). Des billes (48) sont positionnées dans des logements prévues dans l'aimant permanent (16) de forme tubulaire. Ces billes (48) assurent le positionnement et le guidage des parties statoriques mobiles (40, 41). Le passage d'un courant dans la bobine annulaire (15) provoque le déplacement en sens opposés des deux parties statoriques mobiles (40, 41). La figure 4 représente une variante de l'actionneur présentant les caractéristiques générales de l'actionneur représenté en figure 1, dont l'organe mobile entraîne une tige de couplage cylindrique (50). Dans la réalisation représentée, il n'existe pas de ressorts de rappel, afin d'exploiter l'effort magnétostatique à chaque extrémité de la course, se traduisant par deux position stables en l'absence de courant. La figure 5 représente une variante de réalisation, dans laquelle l'aimant permanent est constitué par un assemblage de trois aimants minces (51, 52, 53) en forme de tuile formant des secteurs d'environ 1200. Dans l'exemple de réalisation représenté en figure 6, l'aimant permanent est constitué par six aimants parallélépipédiques (54 à 59) régulièrement espacés. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemples non limitatifs. Il est bien entendu que l'Homme de Métier sera à même de réaliser diverses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Actionneur électromagnétique monophasé comportant au moins une première partie ferromagnétique (10) solidaire d'un organe mobile selon une direction Y, et une seconde partie statorique fixe (1, 2, 3) réalisée en un matériau magnétique doux et comportant au moins une bobine (15) électrique, ledit actionneur comportant un aimant (16) mince aimanté transversalement caractérisé en ce que la partie statorique fixe et la partie ferromagnétique mobile (10) définissent entre elles au moins deux entrefers (13, 14) disposés symétriquement par rapport au plan médian perpendiculaire à l'axe de déplacement Y de l'organe mobile (10) et passant par le milieu de l'aimant permanent (16), la longueur de la partie ferromagnétique mobile (10) étant sensiblement égale à la longueur de l'aimant permanent (16). 2 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les entrefers (13, 14) forment avec l'axe Y un angle compris entre 0 et 90 degrés, de préférence de l'ordre de 45 degrés. 3 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la partie statorique fixe est constituée par deux pièces cylindriques réalisées en un matériau magnétique doux, présentant une partie frontale annulaire prolongée par une partie centrale présentant une surface conique, la partie ferromagnétique mobile (10) étant constituée par une pièce tubulaire réalisée en un matériau magnétique doux, présentant à ses extrémités frontales une surface conique complémentaire de la surface conique des pièces statoriques fixes, l'aimant (16) étant constitué par une pièce tubulaire aimantée radialement. 4 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la bobine (15) est logée dans une cavité cylindrique prévue dans la partie statorique fixe. 5 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il comporte deux bobines (15) annulaires disposées symétriquement par rapport au plan transversal médian, logées dans des cavités cylindriques prévues dans la partie statorique fixe. 6 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte deux ressorts exerçant sur chacune des extrémités de l'organe mobile (10) une force de rappel orientée selon l'axe Y. 7 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième partie ferromagnétique mobile (10, 40) coaxiale avec la première partie ferromagnétique mobile (10). 8 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aimant (16) est fixe. 9 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'aimant (16) est constitué par 3 aimants (51 à 53) en forme de tuile formant des secteurs d'environ 1200. 10 - Actionneur électromagnétique monophasé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'aimant (16) est constitué par une succession de secteurs aimantés également répartis suivant un diamètre.