Brevet FR2743217A1 — publié le 19970704

La présente invention concerne notamment le domaine des actionneurs électriques linéaires synchrones à réluctance variable et a notamment pour objet un actionneur linéaire électrique, du type comprenant un stator et un piston, tout deux comportant des plaques disposées parallèlement au sens de déplacement du piston. Il existe actuellement trois types d'actionneurs: - hydrauliques, pneumatiques et - électriques. Parmi les actionneurs électriques, il existe déjà des actionneurs linéaires soit à réluctance variable pure, soit à réluctance variable hybride, (utilisation d'aimants pour l'excitation). Seulement, les actionneurs électriques ont une poussée beaucoup plus faibles que les actionneurs pneumatiques, ou hydrauliques. Il existe toutefois des actionneurs linéaires électriques avec une forte poussée utilisant des électroaimants, et dans lesquels, de par leur structure, I'effort de poussée est dû à la composante normale du champ magnétique. Toutefois, cette forte poussée n'est possible que sur de petites distances. Ainsi, les actionneurs électriques ne peuvent concurrencer les actionneurs pneumatiques (et encore moins les actionneurs hydrauliques), parce que lorsqu'ils ont une poussée spécifique élevée, ils ne parcourent que des petites distances. Or il serait intéressant d'obtenir des actionneurs électriques ayant des capacités au moins semblables à celles des actionneurs pneumatiques car l'électricité, contrairement à l'air comprimé, permet des positionnements très précis et une grande souplesse dans la commande, donc le déplacement. Dans le document FR 2 588 131, I'un des inventeurs décrit la structure et le fonctionnement d'une machine tournante discoïde ainsi que plusieurs structures de motifs électromagnétiques associés à des aimants permanents, permettant l'utilisation d'un moteur synchrone à réluctance variable. Cette machine génère un mouvement du type rotatif et ne connaît donc pas les problèmes des actionneurs linéaires que les inventeurs veulent résoudre, à savoir, générer une forte poussée ou accélération sur de grandes longueurs. Dans le document FR 2 588 133, I'un des inventeurs décrit la structure et le fonctionnement d'un actionneur linéaire synchrone à réluctance variable, capable de poussées importantes sur de grandes longueurs. Cet actionneur, à reluctance variable pure, comporte un stator et un piston, ce dernier comprenant un noyau portant des lames ferromagnétiques minces, parallèles entre elles et parallèles au sens de déplacement, et fractionnées chacune dans le sens longitudinal en plots avec un pas déterminé p, le circuit ferromagnétique de chaque enroulement comportant également plusieurs lames 2 2743217 minces alternant avec celles portées par le noyau et également fractionnées en plots au même pas p que celui des plots des lames du noyau. Cet actionneur présente cependant les inconvénients suivants: - sa structure ne permet pas un fonctionnement avec des jeux d'entrefer importants, si ce n'est au détriment des performances, - les plots placés aux extrémités d'une lame subissent d'importants efforts perpendiculaires au déplacement. Ces mouvements parasites, perpendiculaires au mouvement désiré, rendent la lame instable. Ce phénomène est appelé effet de bout. Pour pallier cet inconvénient et conserver des jeux d'entrefer les plus faibles possibles, les inventeurs ont conçu des actionneurs à lames tels que les plots des lames mobiles et ceux des plaques fixes frottent les uns contre les autres. Mais de tels actionneurs s'usent rapidement, chauffent, et sont bruyants. De plus, pour avoir un actionneur linéaire électrique avec une poussée régulière, il est recommandé d'utiliser un actionneur à réluctance variable hybride (actionneur possédant des aimants permanents). Or il est difficile de fabriquer des dispositifs lamellaires possédant des aimants permanents alternés et alignés avec d'autres matériaux. L'invention a donc pour but d'obtenir un actionneur électrique du type comportant un stator et un piston, ayant des propriétés mécaniques comparables aux actionneurs pneumatiques c'est-à-dire possédant une forte poussée ou accélération sur une distance importante, ne présentant pas d'effet de bout ni des frottements importants lors du déplacement du piston, et dont la réalisation est simple. Selon l'invention, un actionneur linéaire électrique synchrone à réluctance variable, du type comprenant un stator et un piston, tout deux comportant des plaques disposées parallèlement au sens de déplacement du piston, est caractérisé en ce que les plaques du stator et du piston sont disposées de manière alternée selon une matrice de forme tubulaire. De plus, un actionneur linéaire électrique synchrone à réluctance variable hybride selon l'invention est du type comprenant un stator et un piston, tous deux comportant des plaques disposées parallèlement au sens de déplacement du piston, les unes étant ferromagnétiques et fractionnées chacune dans le sens longitudinal en dents avec un pas déterminé p, les autres étant non ferromagnétiques, alternant avec les plaques ferromagnétiques et comportant des aimants régulièrement répartis, et est caractérisé en ce que les plaques du stator, et du rotor sont disposées selon une géométrie cylindrique, chaque dent étant séparée des plaques non ferromagnétiques adjacentes par un entrefer. 3 2743217 Selon une caractéristique particulière, la matrice est de forme tubulaire. Selon une caractéristique additionnelle, la polarité des aimants d'un même coté d'une plaque les renfermant est alternée et, pour chacun d'entre eux normale au plan longitudinal de cette plaque, les éléments de même polarité étant disposés selon un pas égal à p. Selon une autre caractéristique, le piston comporte un axe en matériau amagnétique portant des plaques ferromagnétiques dentées, le stator comportant un enroulement et des plaques non ferromagnétiques, alternant avec les plaques ferromagnétiques du piston et comportant des aimants régulièrement répartis. Selon une caractéristique additionnelle, les dents d'une branche du piston sont décalées par rapport à celles des branches adjacentes du piston. Selon une autre caractéristique, le stator comporte n éléments statoriques décalés dans le sens longitudinal de p/n et dont l'alimentation des enroulements est déphasée de T/n. Selon une autre caractéristique, I'actionneur comporte des moyens de guidage du piston en translation et en rotation, ces moyens pouvant comprendre au moins un bras solidaire du piston, et des roulements à billes solidarisés au stator par des moyens de supportage. Selon une autre caractéristique, le stator comporte un enroulement et des plaques ferromagnétiques dentées, le piston comportant des plaques non ferromagnétiques, alternant avec les plaques ferromagnétiques et comportant des aimants régulièrement répartis. Selon une caractéristique particulière de l'invention, I'actionneur est appliqué à un lanceur électrique, le piston constituant alors un projectile. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode particulier de réalisation de l'invention, au regard des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre un schéma du stator, - la figure 2 présente un schéma d'une plaque du stator - la figure 3 représente un schéma du piston - sur la figure 4 sont représentées les principales pièces constitutives du piston. Un actionneur électrique selon l'invention est composé d'une partie fixe 1, appelé stator ou chemise et d'une partie mobile 2, appelée piston, coulissant dans le stator. 4 2743217 Comme montré à la figure 1, le stator 1 est composé d'un ensemble de plaques 3 d'égales longueurs en matériau non ferromagnétiques. Ces plaques 3 sont disjointes et régulièrement réparties selon une matrice 4 de forme tubulaire dont l'axe correspond avec celui du piston, et dont l'épaisseur correspond à la hauteur des plaques. Ces plaques ont une section transversale trapézoïdale. Ces plaques 3 sont entourées par un enroulement 5 qui engendre un champ magnétique induit. Cet enroulement est lui-même entouré par une carcasse ferromagnétique 6. L'ensemble constitué par les plaques 3, I'enroulement 5 et la carcasse 6 est fixé, à chacune de ses deux extrémités, à une flasque ferromagnétique, non représentée, en forme de couronne. Cette géométrie permet au piston de coulisser à l'intérieur de ces éléments. Comme représenté sur la figure 2, des aimants 15 sont insérés dans les plaques 3 formant la chemise de telle façon que dans le sens longitudinal correspondant au sens de déplacement du piston, la polarité des aimants soit alternée. Ainsi la polarité des aimants est normale aux plans longitudinaux des plaques. La distance séparant, dans le sens longitudinal, deux aimants de même polarité défini le pas p de l'actionneur. L'insertion peut se faire par collage dans des trous prédécoupés, par moulage ou tout autre moyen. L'enroulement 5 est associé à un circuit d'alimentation pouvant comporter une source de courant continu et un hacheur fournissant à l'enroulement des impulsions cycliques synchrones avec le déplacement, le hacheur pouvant être commandé par un capteur de déplacement du piston. Le piston 2, présenté à la figure 3, a la forme d'une étoile à plusieurs branches. Chaque branche de l'étoile est composée par des dents 7 agencées selon le pas p de l'actionneur et dont la longueur (côté dans la direction du mouvement du piston) est légèrement inférieure au pas p, par exemple de l'ordre de 80% du pas. L'écart d entre deux dents successives est donc, dans cet exemple, de l'ordre de 20% du pas p. Les dents 7, en matériau ferromagnétique, sont fixées sur un axe 8 en matériau de préférence amagnétique, voire en matière isolante surtout si le piston est destiné à avoir des mouvements rapides. De plus, les dents 7 de deux branches voisines 91 et 92, ne sont pas en vis à vis mais décalées de telle sorte que le centre de symétrie d'une dent 7 de la branche 91 soit en vis à vis avec le centre d'un intervalle entre deux dents 2743217 consécutives de la branche 92. On obtient ainsi une structure de dents en quinconce. La distance entre deux branches consécutives 91 et 92 est légèrement supérieure à l'épaisseur d'une plaque 3 du stator, constituant ainsi un jeu d'entrefers, qui peut être important, en l'occurrence de l'ordre du mm Ainsi constitué, le piston 2 peut coulisser à l'intérieur du stator 1. Comme montré sur la figure 4, la structure de dents en quinconce peut être obtenue avantageusement par l'assemblage d'éléments identiques 101 et 102 ayant une forme de roue dentée, ces roues comportant deux fois moins de dents 7 que le piston ne comporte de branches 9. La distance entre deux branches voisines 91 et 92 d'un même élément 101 ou 102, est égale à la somme de la largeur d'une dent, de deux fois l'épaisseur des plaques 3 du stator 1 et des jeux d'entrefers. Le piston 2 est réalisé en fixant sur un axe 11 une succession d'éléments 101 et 102, ces éléments 101 et 102 étant disposés de telle façon que le centre de symétrie d'une dent 7 du premier élément 101 soit en vis à vis avec le centre de symétrie d'un espace séparant deux dents successives de l'élément 102. Le décalage longitudinal entre les dents 7 de deux branches consécutives 91 et 92, correspondant respectivement aux dents des éléments est réalisé à l'aide d'une rondelle 11. Le problème du blocage des éléments 101 et 102 en rotation sur l'axe 8 est résolu par simple serrage l'axe 8 comportant un épaulement et étant taraudé pour recevoir un écrou. Les éléments 101 et 102 peuvent, par exemple, être réalisés par moulage. La longueur du piston 2 est évidemment supérieure à celle du stator 1, et plus exactement celle du cylindre creux limité par les deux flasques. Pour faciliter la translation du piston 2 par rapport au stator 1, il peut être utilisé des douilles à billes, placées entre le stator et le piston, hors du cylindre délimité par les flasques. Le positionnement angulaire du piston 2 par rapport au stator 1 peut être avantageusement résolu par l'adoption de bras de guidage lié au piston et coulissant dans des coulisses réglables fixées au stator et comportant des roulements à billes Sans cette possibilité de positionnement, le stator et le piston se colleraient l'un à l'autre. Ainsi, dans un tel actionneur électrique, les plaques du stator ont, de par leur distribution cylindrique, toutes le même environnement, ce qui élimine tout effet 6 2743217 de bout et facilite le positionnement angulaire du fait de la possibilité d'utiliser des jeux d'entrefer importants. Pour obtenir le fonctionnement d'un tel piston, il suffit d'alimenter l'enroulement 5 par un courant électrique dont l'intensité est du type créneau. Il se créé ainsi un champ magnétique synchrone qui est la source d'une force faisant translater le piston par rapport au stator. Il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation présenté. Ainsi, I'actionneur décrit est du type monophasé. Cependant, il peut être facilement réalisé un actionneur polyphasé, avec n phases, en disposant, le long du piston plusieurs éléments statoriques d'excitation déphasée de T/n, T étant la période du courant d'alimentation et n le nombre de phases. Dans une telle configuration, chaque élément statorique doit avoir le même pas, le pas de l'actionneur, qui est aussi le pas du piston. Cependant, la position des éléments statoriques doit être telle que, par rapport aux dents du piston, lorsque les aimants du premier élément statorique coïncident, ceux du deuxième élément statorique sont décalés de p/n, p étant le pas de l'actionneur, ceux de l'éventuel troisième élément statorique étant décalés de 2p/n etc... De plus, dans l'exemple de réalisation précédemment décrit, le piston était entièrement passif, les éléments sources de champ magnétique, qu'il soit induit comme la bobine ou inducteur comme les aimants, sont tous dans le stator. Or, il est aisé de réaliser un actionneur dans lequel les aimants sont dans les plaques du piston au lieu d'être dans le stator, le principe de structure à symétrie cylindrique, avec un piston en forme d'étoile munie de branches dentées, et avec un stator muni de plaques entre lesquelles coulisse le piston, les plaques étant entourées d'un bobinage, restant le même. La différence résidant dans le fait que les plaques non ferromagnétiques du stator munies d'aimants sont remplacées par des dents ferromagnétiques. On voit aussi qu'un actionneur selon l'invention peut fonctionner comme un accélérateur du piston, ce dernier pouvant alors devenir un projectile. Dans ces conditions l'actionneur constitue un lanceur électrique dont l'accélération est conditionnée par l'ordre d'allumage des phases des éléments statoriques. 7 2743217 REVENDICATIONS 1 - Actionneur linéaire électrique synchrone à réluctance variable, du type comprenant un stator (1) et un piston (2), tout deux comportant des plaques, respectivement (3) et (9), disposées parallèlement au sens de déplacement du piston, caractérisé en ce que les plaques (3) et (9) sont disposées de manière alternée selon une matrice (4) de forme tubulaire. 2 - Actionneur linéaire électrique synchrone à réluctance variable hybride, du type comprenant un stator (1) et un piston (2), tout deux comportant des plaques, respectivement (3) et (9), disposées parallèlement au sens de déplacement du piston, les unes des plaques (3) ou (9) étant ferromagnétiques et fractionnées chacune dans le sens longitudinal en dents (7) avec un pas déterminé p, les autres étant non ferromagnétiques et comportant des aimants (15) régulièrement répartis,, les plaques (3) alternant avec les plaques (9), caractérisé en ce que les plaques du stator, et du rotor sont disposées selon une géométrie cylindrique, chaque dent (7) étant séparée des plaques non ferromagnétiques adjacentes par un entrefer. 3 - Actionneur linéaire électrique synchrone à réluctance variable hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques (3) et (9) sont disposées selon une matrice (4) de forme tubulaire. 4 - Actionneur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la polarité des aimants (15) d'un même coté d'une plaque les renfermant est alternée et, pour chacun d'entre eux normale au plan longitudinal de cette plaque, les aimants de même polarité étant disposés selon un pas égal à p. - Actionneur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le piston (2) comporte un axe (8) en matériau amagnétique portant des plaques ferromagnétiques dentées (7), le stator comportant un enroulement (5) et des plaques (3) non ferromagnétiques, alternant avec les plaques ferromagnétiques (9) et comportant des aimants (15) régulièrement répartis. 6 - Actionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les dents (7) d'une branche (91) du piston sont décalées par rapport aux dents (7) des branches adjacentes (92) du piston. 7 - Actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le stator comporte n éléments statoriques décalés dans le sens longitudinal de p/n et dont l'alimentation des enroulements est déphasée de T/n, T étant la période du courant d'alimentation. 8 - Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de guidage du piston en translation et en rotation. 8 2743217 9 - Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de guidage comportent au moins un bras solidaire du piston (2), et des roulements à billes solidarisés au stator 1 par des moyens de supportage. - Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator (1) comporte un enroulement (5) et des plaques (3) ferromagnétiques dentées et en ce que le piston (2) comporte des plaques (9) non ferromagnétiques, alternant avec les plaques ferromagnétiques (3) et comportant des aimants (15) régulièrement répartis. 11 - Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un lanceur électrique, le piston constituant alors un projectile.