Brevet FR2713820A1 — publié le 19950616

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIOUE A NOYAU PLONGEANT. La présente invention concerne les systèmes d'actionnement électromagnétiques dits à noyau plongeant, comprenant une bobine entourant une cavité cylindrique dans laquelle est engagé un noyau mobile servant à l'actionnement d'un dispositif. La présente invention concerne plus particulièrement les actionneurs électromagnétiques de faible et moyenne puissance, pouvant réaliser des efforts de quelques Newton. De tels actionneurs sont susceptibles d'être montés dans diverses sortes de dispositifs, par exemple dans des mini-électrovannes pneumatiques, pour actionner un clapet de commutation de fluide, dans des relais électriques, pour actionner une lame porte-contacts... On les utilise également pour déplacer des objets de faible poids d'un emplacement vers un autre, par exemple dans des chaînes de fabrication d'objets. Parmi ces actionneurs, on distingue les actionneurs monostables, à une position stable du noyau, et les actionneurs bistables, à deux positions stables du noyau. Pour diminuer les coûts de fabrication et les investissements industriels, on cherche généralement à réaliser des actionneurs bistables et monostables à partir d'une même structure de base. Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe représentant schématiquement deux actionneurs bistables classiques obtenus à partir d'une structure de base d'actionneur monostable. Chacun des actionneurs 1 et 2 comprend une bobine 10, comportant un ou deux enroulements conducteurs, montée sur un support de bobine 11 cylindrique creux en un matériau non magnétique, dont les flancs comportent des rebords 11-1, 11-2 de protection latérale de la bobine. L'intérieur du support 11 forme une cavité cylindrique 12 dont l'axe longitudinal est confondu avec l'axe de la bobine. A une extrémité de la cavité cylindrique 12 est disposé un noyau magnétique fixe, ou culasse 13, qui s'étend sur une faible longueur dans la cavité et dépasse sensiblement de celle-ci. Dans la cavité est en outre disposé un noyau mobile 14, susceptible de coulisser axialement. Le noyau mobile 14 s'étend de l'intérieur de la cavité, où il est en regard de la culasse, jusqu'à un point sensiblement éloigné de la cavité et de la bobine, où il agit sur un dispositif auquel l'actionneur est accouplé (non représenté sur les figures). Un ressort de compression 15 est disposé entre le noyau mobile 14 et la culasse 13, et exerce une force qui tend à écarter le noyau mobile et la culasse d'un entrefer e. Les extrémités du ressort 15 sont en appui au fond de deux logements 16-1, 16-2 pratiqués sur les faces du noyau 14 et de la culasse 13 qui sont en regard. A cette structure de base commune aux actionneurs des figures 1 et 2 sont ajoutés une pièce polaire 17 ou 19, formant un circuit magnétique extérieur reliant le noyau 14 et la culasse 13, et un aimant permanent 18. Dans l'actionneur 1 de la figure 1 l'aimant 18 est disposé en série avec la pièce polaire 17. Celle-ci comprend deux plaques latérales 17-1, 17-2, disposées verticalement contre les flancs du support de bobine 11 et comportant chacune un orifice central laissant traverser la culasse 13 ou le noyau mobile 14. La liaison entre les plaques latérales est assurée par deux plaques horizontales 17-3, 17-4 prenant en sandwich l'aimant 18, qui se trouve donc prisonnier dans la pièce polaire. Dans l'actionneur 2 de la figure 2, l'aimant est disposé en parallèle avec la pièce polaire 19. Celle-ci est formée d'un seul bloc par une pièce en forme d'étrier, comportant deux montants latéraux 19-1, 19-2 munis d'orifices, équivalents aux plaques latérales 17-1, 17-2 déjà décrites, et une semelle longitudinale 19-3 s'étendant entre les montants latéraux. L'aimant 18 est posé sur la semelle 19-3 et orienté parallèlement à l'axe de la bobine. Le fonctionnement de ces deux actionneurs est identique. Une première position stable du noyau 14, montrée en figures 1 et 2, est conférée par le ressort et correspond à un entrefer e maximum, la limitation de la course du noyau et de la valeur de l'entrefer e, une fois le ressort détendu, étant assurée par le dispositif associé à l'actionneur. Une deuxième position stable est conférée par l'aimant 18 et correspond à un entrefer e nul. Dans cette position, le noyau mobile est au contact de la culasse et le flux magnétique engendré par l'aimant 18 circule dans le circuit formé par la pièce polaire 17 ou 19, le noyau 14 et la culasse 13. Le noyau reste collé contre la culasse, malgré la force exercée par le ressort comprimé dans les logements 16-1, 16-2. La bobine n'est alimentée que lorsqu'on veut faire passer le noyau d'une position à l'autre. Pour éviter d'avoir à inverser le signe du courant dans la bobine, la bobine peut comprendre deux enroulements conducteurs agissant en sens contraires. Chacun de ces actionneurs bistables présente l'avantage de pouvoir être réalisé simplement à partir d'une structure d'actionneur monostable, par ajout d'un aimant permanent en série ou en parallèle avec la pièce polaire. Néanmoins, chacun présente des inconvénients qui lui sont propres. Dans le cas de l'actionneur de la figure 1, l'aimant 18 en série dans la pièce polaire se comporte comme un entrefer et s'oppose considérablement à la circulation du flux d'induction magnétique généré par la bobine. Les matériaux ferromagnétiques comme les ferrites, utilisés pour la fabrication des aimants, présentent en effet une réluctance au moins 10 000 fois supérieure à celle des matériaux magnétiques comme le fer doux, utilisés pour la fabrication de la pièce polaire. Pour générer le flux nécessaire à la commande du noyau, un actionneur à aimant série nécessite donc une bobine surdimensionnée, plus coûteuse et consommant plus d'énergie électrique. Dans le cas de l'actionneur 2 de la figure 2, l'aimant 18 ne gêne pas la circulation du flux de la bobine, mais le flux de l'aimant est partiellement courtcircuité par la semelle 19-3 sur laquelle repose l'aimant, comme montré sur la figure 2 par des traits en pointillés. L'efficacité de l'aimant en est considérablement amoindrie, et la force de maintien du noyau contre la culasse est plus faible qu'avec un aimant en série. Pour pallier cet inconvénient, on diminue fortement l'épaisseur de la semelle 19-3 et on augmente la taille de l'aimant. Toutefois, en procédant ainsi, on augmente la réluctance de la pièce polaire. La mise au point d'une telle structure relève donc du compromis et ne permet pas d'atteindre l'optimum souhaité en termes d'encombrement, de puissance d'alimentation et d'efficacité. En outre, l'aimant de par sa disposition pénalise de façon notable l'encombrement total de l'actionneur. Un objet de la présente invention est de prévoir une structure d'actionneur bistable à aimant permanent qui ne présente pas les inconvénients de ces structures classiques. Un objet plus particulier de la présente invention est de prévoir un agencement de l'aimant du type parallèle, permettant de réduire l'encombrement de l'aimant tout en améliorant son efficacité. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure d'actionneur monostable pouvant être transformé rapidement en actionneur bistable, sans modification de sa structure. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un actionneur électromagnétique comprenant, une bobine de commande comportant au moins un enroulement conducteur, montée sur un support creux comportant une cavité cylindrique axiale, une culasse magnétique fixe obturant une extrémité de la cavité, un noyau magnétique mobile engagé dans la cavité, soumis à une force qui tend à l'éloigner de la culasse d'un entrefer e, une pièce polaire formant un circuit magnétique extérieur reliant le noyau mobile et la culasse, comprenant deux montants latéraux plaqués contre les flancs du support de bobine, actionneur dans lequel la matière formant le support de bobine comprend un matériau ferromagnétique susceptible de prendre une aimantation permanente sous l'action d'un champ magnétique extérieur. Selon un mode de réalisation, le support de bobine est réalisé en plastoferrite, et comprend des particules d'un matériau ferromagnétique noyées dans une matière synthétique. La présente invention concerne également un actionneur électromagnétique bistable comprenant, une bobine de commande comportant au moins un enroulement conducteur, montée sur un support creux, une cavité cylindrique axiale, dont l'axe longitudinal est confondu avec celui de la bobine, une culasse magnétique fixe obturant une extrémité de la cavité, un noyau magnétique mobile engagé dans la cavité, soumis à une force qui tend à l'éloigner de la culasse d'un entrefer e, une pièce polaire formant un circuit magnétique extérieur reliant le noyau mobile et la culasse, comprenant deux montants latéraux plaqués contre les flancs du support de bobine, un aimant permanent, agencé pour assurer le maintien du noyau contre la culasse lorsque l'entrefer e est nul, actionneur dans lequel l'aimant permanent est disposé entre la bobine et la cavité cylindrique axiale, s'étend axialement entre les montants latéraux de la pièce polaire, et possède une aimantation axiale. Selon un mode de réalisation, l'aimant et le support de bobine forment une même pièce. Selon un mode de réalisation, la pièce polaire comprend entre ses montants latéraux une semelle qui présente une réluctance plus grande que la réluctance du circuit magnétique formé par le noyau mobile et la culasse lorsque l'entrefer e est nul. Selon un mode de réalisation, la section de la semelle est très inférieure à la section du noyau et de la culasse. Selon un mode de réalisation, les montants latéraux de la pièce polaire sont sensiblement plus épais que la semelle. Selon un mode de réalisation, les montants latéraux de la pièce polaire sont épaissis par des rondelles métalliques engagées autour du noyau et de la culasse. Selon un mode de réalisation, un ressort de compression est monté entre le noyau et la culasse. Selon un mode de réalisation, la culasse comporte un alésage axial traversé par une tige rendu solidaire du noyau mobile par l'intermédiaire d'un ressort. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers de la présente invention, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 et 2 ont été décrites précédemment et représentent des actionneurs bistables de l'art antérieur, la figure 3 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un actionneur selon la présente invention, la figure 4 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un actionneur selon la présente invention, et la figure 5 est une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un actionneur selon la présente invention. La figure 3 représente un actionneur électromagnétique 3 selon la présente invention. La structure de l'actionneur telle qu'elle apparaît sur cette figure ressemble à celle d'un actionneur monostable classique, c'est à dire un actionneur comme celui représenté en figure 2 auquel on aurait retiré l'aimant permanent. Ainsi, l'actionneur 3 comprend une bobine 30 comprenant au moins un enroulement conducteur, un support de bobine 31 comportant des rebords latéraux 31-1, 31-2 et une cavité cylindrique 32, dans laquelle sont montés un noyau mobile 33, une culasse fixe 34, et un ressort de compression 35, chacune des pièces étant dans sa forme identique à celles décrites en relation avec la figure 2. L'actionneur 3 comprend également une pièce polaire 36, en forme d'étrier, comprenant une semelle longitudinale 36-1 et deux montants latéraux 36-2, 36-3, plaqués contre les flancs du support de bobine 31 et munis d'orifices de passage du noyau ou de la culasse. Selon la présente invention, le support 31 de la bobine 30 est réalisé en une matière comprenant des particules ferromagnétiques noyées dans un matériau plastique. Cette matière est bien connue de l'homme du métier sous le terme générique de plastoferrite. Elle est utilisée dans divers domaines et notamment pour la fabrication de rotors de moteurs électriques comportant un pignon intégré. L'un de ses avantages est en effet de pouvoir être moulée comme une matière plastique ordinaire, et d'avoir en même temps les propriétés d'un matériau ferromagnétique, grâce à la présence des particules ferromagnétiques, qui peuvent être des particules de ferrites (oxydes ferreux avec oxyde de baryum,..), ou de terres rares (samarium-cobalt, fernéodyme-bore,...). Dans la pratique, les plastoferrites sont obtenus en mélangeant une poudre du matériau ferromagnétique avec une poudre de matière plastique, l'ensemble formant un tout homogène après fusion et moulage. Le support de bobine 31 selon l'invention peut donc prendre une aimantation permanente après un passage de quelques millièmes de secondes dans un dispositif d'aimantation classique. Lorsque le support de bobine 31 n'est pas aimanté, l'actionneur 3 selon l'invention fonctionne comme un actionneur monostable classique. Lorsque le support de bobine 31 est aimanté, l'actionneur 3 devient avantageusement un actionneur bistable, qui de plus ne présente pas les défauts des dispositifs connus, comme cela sera vu plus loin. Le support 31 est aimanté axialement, de sorte que les faces du support en regard des montants latéraux 36-2, 36-3 de la pièce polaire présentent des polarités opposés, repérées par N et S sur la figure 3. I1 peut se produire des polarités secondaires n et s sur les faces internes des rebords 31-1, 31-2, mais celles-ci ne perturbent pas le fonctionnement de l'actionneur selon l'invention. Une première position stable du noyau mobile 33 est assurée par le ressort, de façon classique. Une deuxième position stable du noyau 33 est assurée par l'aimant/support de bobine 31, quand l'entrefer e entre le noyau et la culasse est nul. Dans ce cas, le flux de l'aimant 31 passe directement par les montants latéraux 36-2, 36-3 de la pièce polaire, et traverse le noyau 33 et la culasse 34. I1 est donc avantageux d'épaissir sensiblement les montants latéraux 36-2, 36-3, afin de faciliter la transmission du flux de l'aimant. Par contre, il est préférable que la semelle 36-1 présente une section sensiblement inférieure à la section du noyau et de la culasse, pour que la réluctance de la semelle 36-1 soit supérieure à la réluctance du circuit magnétique noyau/culasse. Ainsi, le flux généré par l'aimant passe préférentiellement dans le circuit noyau/culasse et l'efficacité de l'aimant est pratiquement maximale. L'efficacité de la bobine est également maximale, puisque l'aimant ne s'interpose pas dans la pièce polaire. Ainsi, on notera que de façon générale l'invention prévoit un actionneur bistable ayant un aimant permanent qui est disposé entre la bobine et la cavité cylindrique recevant le noyau, qui s'étend axialement d'un des montants latéraux de la pièce polaire à l'autre, et qui possède une aimantation axiale. C'est pourquoi la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, bien que celui-ci soit très avantageux, et peut être mise en oeuvre de diverses manières. Par exemple, comme autre mode de réalisation, on peut prévoir un aimant cylindrique disposé dans la cavité cylindrique d'un support de bobine non magnétique, cet aimant comportant lui-même une cavité cylindrique dans laquelle est disposé le système noyau/culasse. On obtiendrait également un résultat équivalent avec des petits barreaux aimantés enchâssés dans un support de bobine non magnétique, et disposés régulièrement (pour plus d'efficacité) autour de la cavité cylindrique du support de bobine. En outre, comme le montre la figure 4, la présente invention est susceptible de s'appliquer à tout type d'actionneur à noyau plongeant. L'actionneur 4 représenté a une structure de noyau 40 et de culasse 45 particulière décrite en détail dans la demande de brevet français déposée sous le n 91 06894. La bobine 30, le support de bobine 31 selon l'invention, la pièce polaire 36 et les éléments qu'ils comprennent sont inchangés et désignés par les mêmes références. La cavité cylindrique 32 est fermée à ses deux extrémités par la culasse 45 et un manchon de fermeture 47. Le noyau 40 est prisonnier dans la cavité 32 entre le manchon 47 et la culasse 45, mais conserve une liberté de déplacement e correspondant à un entrefer maximum culasse/noyau. Le noyau se prolonge par une tige de commande 41 traversant un alésage axial 46 pratiqué dans la culasse 45. La tige 41 se termine par un piston 42 enfermé dans une cavité cylindrique borgne 43 pratiquée dans le noyau 40, dans laquelle est comprimé un ressort 44. I1 n'est pas prévu de ressort entre le noyau 40 et la culasse 45, la tige 41 étant naturellement soumise à une force axiale (F) qui tend à éloigner le noyau de la culasse. Sur la figure 5, on a représenté un mode de réalisation industriel d'un actionneur 5 selon la présente invention. La bobine 30 et le support de bobine 31 sont enrobés par une matière plastique 50, à l'exception des flancs du support 31 qui sont laissés nus. Des cosses 51 d'alimentation de la bobine sont fixées dans le matériau plastique. La cavité cylindrique 32 est habillée d'un fourreau en laiton 52 dans lequel prennent place le noyau et la culasse. La pièce polaire prend la forme d'un étrier 53 d'épaisseur uniforme. Deux rondelles magnétiques 54, 55 sont enfilées autour du noyau et de la culasse, et maintenues plaquées contre les flancs du support de bobine 31 par les montants latéraux de la pièce polaire 53. Ces rondelles permettent d'augmenter à moindre coût l'épaisseur du circuit magnétique, dans sa partie en regard des flancs du support de bobine. Dans la pratique, l'aimantation du support de bobine selon l'invention peut être réalisé avant ou après bobinage. Par ailleurs, lorsqu'on assemble un actionneur selon la présente invention, on a le choix d'utiliser une bobine dont le support n'est pas aimanté, ou une bobine dont le support est aimanté. On obtient ainsi un actionneur monostable ou un actionneur bistable. Ainsi, grâce à la présente invention, les mêmes machines peuvent servir à la réalisation de deux types d'actionneurs, et les investissements industriels sont considérablement diminués. En outre, en supposant que l'investissement en outillage soit amorti, le prix de revient d'un actionneur bistable selon l'invention reste très avantageux en raison de la simplification apportée à la structure. Enfin, les performances d'un actionneur bistable selon l'invention sont globalement meilleures que celle d'un actionneur classique du type décrit au préambule, grâce à la disposition avantageuse de l'aimant permanent. REVENDICATIONS 1. Actionneur électromagnétique (3,4,5), comprenant - une bobine de commande (30) comportant au moins un enroulement conducteur, montée sur un support creux (31) comportant une cavité cylindrique axiale (32), - une culasse magnétique (34,45) fixe obturant une extrémité de ladite cavité, - un noyau magnétique mobile (33,40) engagé dans ladite cavité, soumis à une force qui tend à l'éloigner de la culasse d'un entrefer e, - une pièce polaire (36,53) formant un circuit magnétique extérieur reliant le noyau mobile et la culasse, comprenant deux montants latéraux (36-2,36-3) plaqués contre les flancs du support de bobine, actionneur caractérisé en ce que la matière formant ledit support de bobine (31) comprend un matériau ferromagnétique susceptible de prendre une aimantation permanente sous l'action d'un champ magnétique extérieur. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support de bobine est réalisé en plastoferrite, et comprend des particules d'un matériau ferromagnétique noyées dans une matière synthétique. 3. Actionneur électromagnétique bistable (3,4,5), comprenant - une bobine de commande (30) comportant au moins un enroulement conducteur, montée sur un support creux (31), - une cavité cylindrique (32) axiale, dont l'axe longitudinal est confondu avec celui de la bobine, - une culasse magnétique (34,45) fixe obturant une extrémité de ladite cavité, - un noyau magnétique mobile (33,40) engagé dans ladite cavité, soumis à une force qui tend à l'éloigner de la culasse d'un entrefer e, - une pièce polaire (36,53) formant un circuit magnétique extérieur reliant le noyau mobile et la culasse, comprenant deux montants latéraux (36-2,36-3) plaqués contre les flancs du support de bobine, - un aimant permanent (31), agencé pour assurer le maintien du noyau contre la culasse lorsque l'entrefer e est nul, actionneur caractérisé en ce que ledit aimant permanent (31) est disposé entre la bobine (30) et ladite cavité cylindrique axiale (32), s'étend axialement entre lesdits montants latéraux (36-2,36-3) de la pièce polaire, et possède une aimantation axiale. 4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit aimant et ledit support de bobine forment une même pièce (31). 5. Actionneur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la pièce polaire (36) comprend entre ses montants latéraux (36-2,36-3) une semelle (361) qui présente une réluctance plus grande que la réluctance du circuit magnétique formé par le noyau mobile et la culasse lorsque l'entrefer e est nul. 6. Actionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la section de ladite semelle (36-1) est très inférieure à la section du noyau et de la culasse. 7. Actionneur selon la revendications 6, caractérisé en ce que les montants latéraux (36-2,36-3) de la pièce polaire sont sensiblement plus épais que ladite semelle. 8. Actionneur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les montants latéraux de la pièce polaire (53) sont épaissis par des rondelles métalliques engagées autour du noyau et de la culasse. 9. Actionneur (3,4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel un ressort de compression (35) est monté entre le noyau et la culasse. 10. Actionneur (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la culasse (45) comporte un alésage axial (46) traversé par une tige (41) rendu solidaire du noyau mobile (40) par l'intermédiaire d'un ressort (44).