Brevet FR2732814A1 — publié le 19961011

DISPOSITIF DE COMMANDE A ELECTROAIMANT A NOYAU SANS FROTTEMENT, ET APPLICATION AUX VANNES A COMMANDE CONTINUE La présente invention concerne les dispositifs de commande de type transducteur électromécanique, dans lesquels un électroaimant transforme un signal électrique de commande en un déplacement ou une force s'appliquant sur un noyau coulissant. On connaît de tels dispositifs de commande à électroaimant à noyau coulissant, tels que celui illustré par exemple sur la figure 1. Dans un tel dispositif, l'électroaimant comprend une armature 1 fixe, solidaire du bâti 2 de l'appareil dans lequel est inséré l'électroaimant. L'armature 1, en matériau sensible au champ magnétique, comprend un canal axial 3 dans lequel coulisse un noyau 4 généralement cylindrique en matériau sensible au champ magnétique. Le noyau 4 coulisse entre deux pôles 5 et 6 de l'armature 1. Un bobinage électrique 7, connectable à une source extérieure d'énergie électrique, génère dans l'armature 1, et en particulier dans le canal axial 3 entre les deux pôles 5 et 6 de l'armature 1, un champ magnétique tendant à entraîner le noyau 4 en coulissement axial dans le canal axial 3 le long de l'axe I-I. Dans son coulissement, le noyau 4 doit être guidé. Généralement, dans les électroaimants connus on dispose pour cela un tube coaxial de guidage 8, en matériaux amagnétique, formant les parois du canal axial 3 dans lequel coulisse le noyau 4. Ces dispositifs de commande à électroaimant à noyau coulissant sont appropriés pour un déplacement axial du noyau 4 en tout ou rien, car le signal électrique de commande générant le champ magnétique peut avoir une amplitude suffisante pour provoquer le déplacement axial du noyau 4 quels que soient les frottements éventuels entre le noyau 4 et le tube de guidage 8. Cependant, un tel dispositif s'avère inapproprié, ou onéreux, lorsque l'on veut réaliser un transducteur électromécanique dans lequel la position axiale du noyau 4 doit être une fonction continue du signal électrique alimentant le bobinage 7 de l'électroaimant. En effet, dans ce cas, les frottements mécaniques. qui se développent nécessairement entre le tube de guidage 8 et le noyau 4 entraînent immanquablement une hystérésis, qui introduit des erreurs dans la commande ainsi réalisée. On remarquera que ces frottements sont inévitables, et qu'ils tendent d'ailleurs à augmenter lorsqu'on accroît le signal électrique de commande alimentant le bobinage 7, car le champ magnétique tend à plaquer le noyau 4 latéralement contre la paroi du tube de guidage 8. Une solution traditionnellement retenue consiste à prévoir un asservissement de position du noyau 4. Cela nécessite d'utiliser un capteur de position du noyau 4, et un dispositif d'asservissement réduisant l'écart entre la position désirée du noyau 4 et la position réellement mesurée du noyau 4. La complexité de cet ensemble augmente sensiblement son coût, ce qui empêche son usage dans de nombreuses applications. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure d'électroaimant qui permette, sans avoir recours à un asservissement de position, d'obtenir un transducteur électromagnétique présentant une très faible hystérésis, c'est-à-dire dont la position du noyau coulissant 4 puisse être une fonction continue du signal électrique d'entrée. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un dispositif de commande à électroaimant à noyau coulissant selon l'invention comprend une armature fixe, munie d'un bobinage électrique et d'un canal axial. Le bobinage électrique génère, dans ledit canal axial, un champ magnétique lors du passage d'un courant électrique dans son bobinage. Un noyau sensible au champ magnétique est entraîné en coulissement axial dans ledit canal axial par ledit champ magnétique, et est guidé par des moyens de guidage axial. Les moyens de guidage axial comprennent au moins un élément à lames radiales flexibles, l'élément comportant une partie périphérique montée fixe sur l'armature fixe et reliée par lesdites lames radiales flexibles à une partie centrale solidaire du noyau coulissant, lesdites lames radiales flexibles étant agencées pour présenter une grande flexibilité dans le sens du coulissement axial du noyau et pour présenter simultanément une grande rigidité dans le sens des déplacements radiaux du noyau, pour maintenir le noyau à l'écart des parois du canal axial tout en autorisant son déplacement axial selon une course appropriée entre une première et une seconde positions axiales extrêmes. De préférence, les moyens de guidage axial comprennent deux éléments à lames flexibles décalés axialement sur le noyau, à l'exclusion de tout guidage glissant dans le canal axial. Les lames flexibles comprennent au moins trois lames plates, élargies dans le plan transversal et d'épaisseur réduite dans la direction axiale du noyau. De préférence, les lames flexibles présentent, à l'état de repos en l'absence de champ magnétique produit par l'armature fixe, une déformation permanente en flexion dans la direction du déplacement axial du noyau dans un premier sens, le champ magnétique provoquant le déplacement du noyau dans le sens opposé audit premier sens. Selon une première application, le noyau porte un élément d'obturation mobile logé dans un siège fixe d'un conduit de conduction de fluide pour modifier la section ouverte dudit conduit de conduction de fluide en fonction de la position axiale de l'élément d'obturation dans ledit siège. On réalise ainsi une vanne à commande électrique. Une amélioration de la progressivité d'obturation est obtenue en utilisant un élément d'obturation présentant une forme de révolution se rétrécissant progressivement vers son extrémité. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 illustre, en vue de côté en coupe longitudinale, un dispositif de commande à électroaimant selon une réalisation connue de l'art antérieur; - la figure 2 illustre, en vue de côté en coupe longitudinale, une structure de dispositif de commande à électroaimant selon un mode de réalisation de la présente invention, en première position axiale extrême; - la figure 3 illustre, en vue de côté en coupe longitudinale, le dispositif de la figure 2 en seconde position axiale extrême; - la figure 4 illustre, en vue de côté, le dispositif des figures 2 et 3 associé à un élément d'obturation; et - les figures 5 à 7 illustrent trois modes de réalisation des éléments à lames radiales élastiquement flexibles selon l'invention. Comme le représentent les figures 2 et 3, un dispositif de commande à électroaimant et noyau coulissant selon l'invention comprend une armature fixe 1, munie d'un bobinage électrique 7 et d'un canal axial 3. L'armature fixe 1 est solidaire du bâti 2 de l'appareil dans lequel elle est disposée. Dans la réalisation illustrée sur les figures, l'armature 1, constituée d'un matériau sensible au champ magnétique, est formée d'une paroi périphérique cylindrique 9 dont les extrémités sont repliées radialement vers l'intérieur pour former des flasques d'extrémités 10 et 11 se raccordant chacun respectivement à un premier élément tubulaire coaxial 5 et à un second élément tubulaire coaxial 6, formant respectivement un premier pôle 5 et un second pôle 6 de l'armature 1. Les pôles 5 et 6 sont conformés de façon que leurs faces intérieures respectives 12 et 13 cylindriques soient en regard du noyau 4 et séparées de celui-ci par un entrefer de faible épaisseur. Le bobinage 7 est adapté de façon que, lorsqu'un courant électrique le parcourt, il produit un champ magnétique dans le canal axial 3 entre les pôles 5 et 6. Sous l'action du champ magnétique, le noyau 4, monté à coulissement dans le canal axial 3, tend à se déplacer axialement en coulissement dans le canal axial 3 dans le sens produisant la réduction des entrefers. Pour cela, le noyau 4 est réalisé en un matériau sensible au champ magnétique, et il est guidé en coulissement dans le canal axial 3 par des moyens de guidage aptes à permettre son coulissement sans introduire de frottement s'opposant à ce coulissement. Les moyens de guidage selon l'invention comprennent un premier élément 14 à lames radiales flexibles, et un second élément 15 à lames radiales flexibles. Chaque élément à lames radiales flexibles tel que l'élément 14 comporte une partie périphérique 16 montée fixe par rapport à l'armature fixe 1, c'est-à-dire solidaire soit de l'armature fixe 1 soit directement du bâti 2 de l'appareil. L'élément 14 à lames radiales flexibles comporte une partie centrale 17 solidaire du noyau 4 coulissant. La partie périphérique 16 est reliée à la partie centrale 17 par des lames radiales flexibles 18. Les lames radiales flexibles 18 sont agencées pour présenter une grande flexibilité dans le sens du coulissement axial du noyau tel que représenté par la flèche 19, et pour présenter simultanément une grande rigidité dans le sens des déplacements radiaux du noyau 4, de façon à maintenir le noyau 4 à l'écart des parois du canal axial 3, et notamment des pôles 5 et 6, tout en autorisant son déplacement axial le long de l'axe I-I selon une course appropriée. La flexibilité des lames 18 est choisie de façon que la course appropriée puisse convenir pour un déplacement possible du noyau 4 entre deux positions axiales extrêmes de commande illustrées respectivement sur les figures 2 et 3. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté, le noyau 4 est tenu par les deux éléments 14 et 15 à lames flexibles décalées axialement sur le noyau 4, à l'exclusion de tout guidage glissant dans le canal axial 3. D'autres réalisations sont toutefois possibles, en prévoyant que le noyau est guidé par un palier glissant à l'une de ses extrémités, dans le canal axial 3, et est guidé à son autre extrémité par un élément à lames flexibles tel que l'élément 14. La réduction sensible des frottements peut en effet convenir dans certaines applications. On peut imaginer de nombreuses formes possibles pour un tel élément 14 à lames flexibles. Pour assurer une répartition égale de la résistance à la flexion radiale, assurant ainsi un bon maintien du noyau en alignement avec l'axe longitudinal I-I de l'armature 1, on prévoit au moins trois lames flexibles régulièrement réparties en périphérie de la partie centrale 17 de l'élément 14. Les lames flexibles 18 sont des lames plates, élargies dans le plan transversal, et d'épaisseur réduite dans la direction axiale du noyau 4. Diverses formes peuvent être données aux lames flexibles 18, permettant notamment d'allonger leur longueur pour accroître les possibilités de flexion autorisant un coulissement axial du noyau 4. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 5, les lames flexibles comprennent trois lames, respectivement 180, 181 et 182, ayant une forme générale en spirale autour de l'axe longitudinal du noyau. Dans le mode de réalisation de la figure 6, les lames flexibles comportent trois lames 180, 181 et 182 comportant chacune au moins une portion 184 sensiblement en arc de cercle centré sur l'axe longitudinal du noyau, et une ou plusieurs portions généralement radiales de raccorde- ment: dans l'exemple représenté, la lame 180 comprend deux portions en arc de cercle 184 et 185, se raccordant respectivement à la couronne périphérique 16 par une portion généralement radiale 186 de raccordement, et à la couronne centrale 17 par une portion généralement radiale 187 de raccordement, et se raccordant l'une à l'autre par une troisième portion généralement radiale 188 de raccordement. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 7, chacune des trois lames flexibles telles que la lame 180 comporte également deux portions en arc de cercle respectivement 184 et 185, se raccordant l'une à l'autre par la portion généralement radiale 188, et se raccordant respectivement à la couronne périphérique 16 par la portion généralement radiale 186 et à la couronne centrale 17 par la portion généralement radiale 187. On comprend que les éléments à lames flexibles tels que l'élément 14 peuvent être constitués à partir d'un disque plat en acier ou autre matériau, dans lequel sont découpées des lumières pour former les lames flexibles telles que représentées. La figure 2 illustre un dispositif selon l'invention en une première position axiale extrême. De préférence, dans cette première position, en l'absence de champ magnétique produit par l'armature fixe 1, les lames flexibles 18 présentent une déformation permanente en flexion selon la direction I-I de déplacement axial du noyau 4 dans un premier sens 20. Dans cette position, le noyau 4 est relativement éloigné du pôle 6 de l'armature 1. Sous l'action d'un champ magnétique créé par le passage d'un courant électrique dans le bobinage 7, le noyau 4 se déplace axialement dans le sens 19 opposé audit premier sens 20 jusque dans une seconde position axiale extrême telle qu'illustrée sur la figure 3, position dans laquelle le noyau 4 s'est rapproché du pôle 6 de l'armature 1. Lors de ce déplacement, les éléments 14 et 15 à lames flexibles se déforment comme illustré sur la figure 3, par fléchissement des lames flexibles 18 de chaque élément. On remarque que, entre les deux positions extrêmes illustrées sur les figures 2 et 3, le noyau 4 peut se déplacer tout en restant en permanence à l'écart des pôles 5 et 6 de l'armature 1, de sorte qu'aucun frottement ne vient perturber le déplacement axial du noyau 4. Une des extrémités du noyau 4 peut avantageusement être conformée en cône 22, pour venir coopérer avec une partie correspondante conique 23 du pôle 6 dans lequel elle vient s'engager. Le déplacement axial du noyau 4 modifie progressivement l'entrefer 21 entre le cône 22 du noyau 4 et la partie conique 23 du pôle 6. On peut ainsi améliorer la progressivité de déplacement du noyau en présence du champ magnétique généré par le bobinage 7. Le mode de réalisation illustré sur les figures 2 et 3 peut être associé à des moyens d'obturation, pour constituer une vanne à commande électrique en continu. Pour cela, le noyau 4 porte ou constitue par lui- même un élément d'obturation permettant de modifier la section ouverte d'un canal de conduction de fluide en fonction de la position axiale du noyau 4 dans l'armature 1. Ainsi, la figure 4 représente un mode de réalisation d'une telle vanne à commande électrique en continu, comprenant un dispositif de commande à électroaimant identique à celui des figures 2 et 3, dans lequel les mêmes éléments ont été repérés par les mêmes références numériques. Le noyau 4 porte un élément d'obturation 24 coaxial de révolution venant se loger dans l'ouverture 25 d'un siège 26 coaxial d'un conduit de conduction de fluide. L'élément d'obturation 24 présente avantageusement une forme de révolution se rétrécissant progressivement vers son extrémité 27, de sorte que l'élément d'obturation 24 produit une variation continue de la section ouverte du conduit de conduction de fluide en fonction de la position axiale du noyau 4 et de l'élément d'obturation 24 dans le siège 26. Un joint en élastomère 28 peut être interposé entre une facette 29 frontale du siège 26 et une facette 30 frontale de l'élément d'obturation 24, pour assurer une obturation étanche lorsque le dispositif est en première position axiale extrême illustrée sur les figures 2 et 4. Le noyau 4 est sollicité en translation axiale par des moyens élastiques tels qu'un ressort de compression 31, le repoussant vers sa première position axiale extrême représentée sur les figures 2 et 4, à l'encontre de la sollicitation exercée par le champ magnétique généré par le bobinage 7. Le ressort 31 doit avoir une force de rappel supérieure à la force axiale éventuellement exercée par les éléments 14 et 15 à lames flexibles, et inférieure à la sollicitation axiale produite sur le noyau par le champ magnétique généré par le bobinage 7. L'invention trouve en particulier des applications dans la commande de débit des gaz. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commande à électroaimant à noyau coulissant (4), dans lequel une armature fixe (1), munie d'un bobinage électrique (7) et d'un canal axial (3), génère dans ledit canal axial (3) un champ magnétique lors du passage d'un courant électrique dans son bobinage (7), et dans lequel un noyau (4) sensible au champ magnétique est entraîné en coulissement axial dans ledit canal axial (3) par ledit champ magnétique et est guidé par des moyens de guidage axial, caractérisé en ce que les moyens de guidage axial comprennent au moins un élément (14) à lames radiales flexibles (18) comportant une partie périphérique (16) montée fixe sur l'armature fixe (1) et reliée par lesdites lames radiales (18) flexibles à une partie centrale (17) solidaire du noyau (4) coulissant, lesdites lames radiales (18) flexibles étant agencées pour présenter une grande flexibilité dans le sens du coulissement axial du noyau (4) et pour présenter simultanément une grande rigidité dans le sens des déplacements radiaux du noyau (4), pour maintenir le noyau (4) à l'écart des parois du canal axial (3) tout en autorisant son déplacement axial selon une course appropriée entre une première et une seconde positions axiales extrêmes. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage axial comprennent deux éléments (14, 15) à lames flexibles décalées axialement sur le noyau (4), à l'exclusion de tout guidage glissant dans le canal axial (3). 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les lames flexibles (18) comprennent au moins trois lames plates (180, 181, 182), élargies dans le plan transversal et d'épaisseur réduite dans la direction axiale du noyau (4). 4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lames flexibles (18) ont une forme générale en spirale autour de l'axe longitudinal (I-I) du noyau (4). 5 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lames flexibles (18) comportent au moins une portion (184) sensiblement en arc de cercle centré sur l'axe longitudinal (I-I) du noyau (4), et une ou plusieurs parties généralement radiales (186, 187, 188) de raccordement. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les lames flexibles (18) présentent, en première position axiale extrême en l'absence de champ magnétique produit par l'armature fixe (1), une déformation permanente en flexion selon la direction de déplacement axial (I-I) du noyau (4) dans un premier sens (20), le champ magnétique provoquant le déplacement du noyau (4) dans le sens opposé (19) audit premier sens (20). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le noyau (4) porte un élément d'obturation (24) logé dans l'ouverture (25) d'un siège (26) d'un conduit de conduction de fluide pour modifier la section ouverte dudit conduit de conduction de fluide en fonction de la position axiale de l'élément d'obturation (24) dans ledit siège (26), constituant une vanne à commande électrique. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément d'obturation (24) présente une forme de révolution se rétrécissant progressivement vers son extrémité (27), produisant une variation continue de la section ouverte du conduit de conduction de fluide en fonction de la position axiale de l'élément d'obturation (24) dans ledit siège (26). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le noyau (4) est sollicité en translation axiale par des moyens élastiques (31) le repoussant vers la première position axiale extrême à l'encontre de la sollicitation exercée par le champ magnétique généré par le bobinage (7).