Brevet FR2750244A1 — publié le 19971226

Les excitateurs ou actionneul s à commade électromagnétique servent à convertir l'énergie électromagnétique en énergie mécniclue. Les actionneurs proportionnels font partie de ce groupe, mouvant des pièces selon un déplacement axial, comme les électro-aimants ou les hauts parleurs ou les excitateurs de vibrations. Il existe plusieurs principes physiques de commande électromagnétique basés: soit sur des relations linéaires ou dites encore proportionnelles liant le courant électrique et la force délivrée, ce qui est le cas des hauts parleurs et des excitateurs de vibrations dont le fonctionnement électromagnétique est basé sur l'action d'un champ magnétique permanent sur un courant parcourant les enroulements d'une bobine, soit sur des relations quadlatiques lorsque le courant parcourant les enroulements de la bobine génère lui-même le champ magnétique, ce qui est le cas des électro-aimants d'attraction. Lorsqu'une action requérant une grande précision est nécessaire, la technique actuelle (Figure 1) utilise la commande linéaire, basée sur le déplacement d'une bobine (1) dans un entrefer (2) parcouru par une induction magnétique B dont la circulation est représentée par les flèches et générée par un ou plusieurs aimants, schématisés par deux rectangles de couleur sombre. La masse (3) représente un objet auquel s'applique la force F = B.l.i avec B = induction magnétique dans l'entrefer, 1 = longueur développée du fil de bobine et i = courant parcourant ce fil. Cette disposition manque de fiabilité et d'endurance car il faut assurer la continuité élecuique par deux fils souples (4) et (5), et l'évacuation des calories perdues par effet joule dans les enroulements de la bobine (1). Ce défaut fait que les appareils utilisant cette disposition sont chers et coûteux à fabriquer et peu endurants. Inversement lorsque la force désirée ne demande aucune précision, il est préférable d'utiliser les moyens d'un électro-aimant. La Figure 2 représente un dispositif de mise en mouvement d'une pièce (6) par un électroaimant (7) attirant une pièce polaire en alliage magnétique doux (8) au travers de l'entrefer (9). Cet électro-aimant est très robuste par essence car les enroulements sont fixes, donc l'écoulement des calories dues à l'effet Joule est toujours excellent et les liaisons et raccordements très endurants car non soumis aux mouvements générés. Par contre cette conception présente des inconvénients qui sont a) des masses mobiles importantes, qui nécessitent une commande électrique particulière, plus sophistiquée que la tnditionnelle amplificatioll de puissance linéaire. b) l'impossibilité d'obtenir une force altemative car la force générée est toujours une attraction quelque soit le sens du courant. Dans le cas de la Figure 2, la pièce mobile (6) est maintenue dans une position de repos par I'inrer-médiaire du ressort de traction (10). c) une commande quadrutique, la force étant proportionnelle au carré du courant de commande. d) une commande dépendant de l'entrefer qui provoque une instabilité dangereuse pouvant rendre le déplacement incontrôlable, et qui perturbe d'autant plus le fonctionnement. Pour pallier à ces deux derniers inconvénients, une solution actuellement utilisée correspond à mesurer l'épaisseur de l'entrefer, et à créer un asservissement entre cette épaisseur et le courant de commande. Cette technique est cependant très chère, car elle nécessite un capteur de mesure de distance par électro-aimant er un processeur de signal dédié à cette seule fonction. Pour pallier au premier inconvénient, dû aux masses mobiles importantes, une solution électronique a été trouvée industriellement. Lorsque la force agit sur un ensemble mobile constitué d'une masse et d'un ressort comme c'est le cas Figure 2 et qu'elle a effectué un cycle complet, c'est-à-dire, partant d'un point de repos, est revenue finalement à ce même point, l'énergie fournie est nulle car il n'y a aucune dissipation. Seule l'énergie dissipée dans des enroulements (11) par effet Joule est perdue car transformée en chaleur. S'il existe un frottement ou une conversion de puissance réelle, telle qu'un rayonnement acoustique, ou la mise en mouvement d'un fluide visqueux, l'énergie électrique fouie correspond à cette énergie dissipée augmentée de la perte d'énergie due à l'effet Joule dans les enroulements de commande. En général, les applications des électro-aimants qui comportent des masses mobiles importantes dues à la nécessité d'utiliser obligatoirement une partie mobile en alliage ferromagnétique, exigent des puissances instantanées impoflantes, non génératrices de travail, pour des puissances utiles proportionnellement faibles. Ce fonctionnement à très faible puissance réellement fournie se rencontre très fréquemment, et justifie la commande, en courant haché, qui restitue l'énergie récupérable, comme l'indique la Figure 3, qui représente un dispositif de ce type dit "en pont" très connu, asservissant le courant traversant la bobine par l'intermédiaire d'un comparateur. Lorsque le courant croît, il est fourni par l'accumulateur. Lorsqu'il décroît, il est restitué au dit accumulateur. Cependant, le courant généré est dépendant des tensions d'alimentation, ce qui rend le système peu précis. La forme du courant voulu (12) provenant d'un signal de commande extérieur, est comparée au courant traversant la bobine (11), représentée par son schéma équivalent inductance et résistance série, mesuré par un capteur de courant (13). Cette comparaison s'effectue par l'amplificateur différentiel (14), dont le signal de sortie est positif si le courant mesuré est supérieur à la valeur du courant voulu (12) et négatif dans l'autre cas. Ce signal, convenablement amplifié et confoìmé par le circuit (15) commande soit l'ouverture simultanée des 2 interrupteurs électroniques (16) et (17) et la fermeture des 2 interrupteurs électroniques (18) et (19), soit la fermeture des 2 interrupteurs électroniques (16) et (17) et l'ouverture des 2 interrupteurs électroniques (18) et (19), selon la polarité du signal de sortie de l'amplificateur. Ainsi ce dispositif "en pont'', pLr1flt-il de restituer l'énergie électrique 1/2 Li2 si L est l'inductance propre des enroulements dc la bobine (11) à l'accumalateur (20). Pour pallier à l'impossibilité d'obtenir une force allelllative, et au manque de force de répulsion, les dispositifs d'cxcil;tlioll ulilisa ce principe comportent soit 2 électro-aimants placés en opposition, de part et d'autre de la pièce à exciter, comme le montre la Figure 4, soit un seul électroaimant commandé par une force oscillant autour d'une force dite de polarisation lorsque cela est possible, par exemple lorsque l'on désire générer des forces oscillatoires. Le dispositif selon l'invention pallie aux inconvénients présentés par l'absence de proportionnalité de la commande et sa dépendance à l'épaisseur de l'entrefer, sans le secours de composants supplémentaires coûteux. La commande n'est pas proportionnelle car la relation liant force et courant est complexe : la force d'attraction F suit une loi physique telle que F = k B2 (Relation 1) C'est-à-dire que la force générée par tin électro-aimant est fonction du carré de l'induction B, donc dépend du courant parcourant les enroulements (11) et de l'entrefer(9), comme il est explicité ci-dessous et qui se rapporte au schéma de principe de la Figure 2. Si N est le nombre de spires des enroulements (11) et si les matériaux constituant les pièces (7) et (8) présentent une pellnéabilicé magnétique très élevée par rapport à la perméabilité de l'air, alors, si l'entrefer (9) a une épaisseur e, la relation dite d'Ampère fournit NI (Relation 2) 2e H = champ magnétique dans l'entrefer I = courant parcourant les enroulements (11) NI et l'induction B est alors B = 0 . 2e (Relation 3) avec ssO perméabilité de l'air ( K. 10-7) Lorsque la pièce mobile (8) se rapproche de la pièce (7), I'entrefer (9) diminue, et pour un même courant I, I'induction B augmente comme l'indiquent les relations (2) et (3) donc la force d'attraction F - k B2. La figure 5 montre le fonctionnement d'une configuration souvent rencontrée comprenant (voir Figure 2) une pièce mobile (8) retenue par un ressort (10), dont la caractéristique Force = f (déplacement) est linéaire. Stir la Figure 4 ont été tracées d'une part la caractéristique du ressort: F = constante (eo - e) (Relation 4) avec e = épaisseur de l'entrefer eO = épaisseur de l'entrefer au repos; d'autre part la caractéristique de force d'attraction F = k . B2, qui en regroupant les relations ], 2 et 3 avec kl = constante k1 kÈlao2N)2 devient pour i = il (Relation 5) Un constate qu'il peut exister 2 points de fonctionnement A et B pour le même courant I, ce qui ne permet pas l'utilisation dc ce dispositif dans toute l'étendue de la course possible : seul les courses situées atix alentours du point A sont exploitables car lorsque la course dépasse le point B, la force d'attraction est toujours supérieure à la force de rappel et la pièce mobile (8) vient se coller sur la pièce (7). Le dispositif selon l'invention apporte une solution économique, à l'ensemble des problèmes énumérés ci-dessus, réduisant la consommation à la seule énergie réellement fournie, augmentée des pertes dues au dispositif lui-même en supprimant la non linéarité de la relation liant la force délivrée par les électro-aimants et le signal électrique de commande. Selon l'invention ce dispositif remplace lcs dispositifs linéaires à bobine mobile dans toutes leurs applications ioui en appoflant robustesse, fiabilité et coût minimum. Il se compose de 4 sous-ensembles fonctionnels (Figure 6): Le premier, appelé générateur (21) fournit l'alimentation en courant de l'électro-aimant par un système de 4 commutateurs électroniqaes montés en pont (16), (17), (18) et (19) qui inversent cycliquement la polarité aux bornes des enroulements (11) de l'électro-aimant comme indiqué Figure 6 et un capte tir de mesure de courant du type, par exemple, à effet Hall (13), qui permet de mesurer le courant parcourant un conducteur tout en assurant l'isolement galvanique. Ce sous-ensemble générateur économise l'énergie nécessaire, qui lorsque l'électro-aimant n'a à fournir qu'un déplacement sans frottement, est nulle, comme il a été exposé précédemment Figure 3, aux pertes par effet Joule près. Le second, appelé compeiisatettr de pertes électriqzes (22), compense les pertes dues à l'effet Joule. Il se compose dan générateur (23) fournissant un courant I1 proportionnel au courant traversant les enroulements (11) et mesuré par le capteur de courant (13). Le troisième appelé pilote (24), commande la commutation du générateur, selon le processus explicité ci-dessous : un amplificateur différentiel (25), mesure en permanence la tension aux bomes des enroulements (Il). La tension de sortie de cet amplificateur (25) est donc proportionnelle à la tension aux bornes des enroulements (11), qui s'inverse cycliquement. Cette tension est appliquée à un dispositif générant un courant 12 (26) proportionnel à ladite tension. Le courant Il, additionné au courant 12, soit 13 = Il + I2, est appliqué au condensateur (27). La tension üux bornes de ce condensateur (27) est comparée à la tension de commande (28) par le comparateur (29) qui pilote, par l'intermédiaire du dispositif de commande (30), les commutations des commutateurs (16), (17), (18) et (19). L'ensemble est câblé selon des polarités telles que le dispositif global soit asservi et n'oscille pas. Le quatrième, appelé conformateur (31), convertit un signal incident initial (32), dont on veut qu'il soit converti en une force qui lui soit proportionnelle, en signal de pilotage (28) dont l'amplitude est générée sous fon'e de racine carrée de l'amplitude du signal incident qui est proportionnel au flux magnétique générateur de la force. Une description non limitative comprend deux amplificateurs séparateurs de signaux (33) et (34) l'un amplifiant les alternances positives (35) autre amplifiant les alternances négatives (36), celui-ci étant suivi par un amplificateur inverseur (37) redressant l'alternance négative. Les deux signaux ainsi générés sont ensuite traités par 2 circtiits de cilcul dc raiie carrée (38) et (39) dont les signaux de sortie sont les signaux de base de commande de 2 électro-aimants fonctionnant en opposition comme précisé précédemment Un autre dispositif conformateur (40) Figure 7 basé sur l'utilisation d'un microcalculateur remplace ce dispositif conformateur lorsque la fréquence de l'excitation de l'électro-åimant désirée est suffisamment faible pour que le temps nécessité par des calculs numériques soit inférieur au temps d'un cycle d'excitation. Le signal incident de commande (32) est alors remplacé par une suite numérique (41) le microcalculateur (42) transformant numériquement cette suite en 2 signaux analogiques (43) et (44) identiques au signaux (28) et (28 bis) Figure 5. Le fonctionnement global du dispositif selon l'invention est explicité ci-dessous : La relation physique liant l'induction 13 et les enroulements (11) de N spires de résistance R, la tension aux bornes de ceux-ci E, la surfiice de sortie du flux magnétique dans l'entrefer S et le courant parcourant des enroulements 1 est E=NdB#S+RI dt La relation précédente s'écrit encore I Edt = N.S .B + R J ide appelée par la suite relation (A) Sachant que la foire F est proportionnelle au carré de B, F = k . B2 , elle est donc F(l) = k# #(E - RI)dt #2 NS Si l'on connaît à chaque instant 1, il suffit d'appliquer une tension telle que I(E-Rl)dt = a F(t), a est un coefficient d'échelle. Le dispositif selon l'invention propose une solution élégante, basée sur la similitude entre la relation (A) liant les paramètres physiques de l'électro-aimant et les relations (B) et (C) cidessous reliant la charge d'un condensateur Figure 5, alimenté à courant constant par un courant i. Le fonctionnement de ce dispositif est résumé par la relation ci-dessous I idt = C.V appelée relation B. À cette relation, il faut ajouter un terme proportionnel au terme R #Idt de la relation A, et dv alors, j idt = CV + k R# Idt soit sous fonne différentielle i = C dv + kRI appelée relation C. dt Cette relation C est donc une image parfaite du fonctionnement de l'électro-aimant. Elle correspond au second sous-ensemble décrit précédemment appelé compensateur de pertes électriques et au troisième, appelé pilote. L'asservissement de la tension V du condensateur C aux signaux de base de commande par l'intermédiaire des tensions commutées présentes aux bornes de des enroulements (Il) fournit alors une commande parfaitement proportionnelle à l'induction magnétiqite préset0te dans l'entrefer (9) indépendante de l'épaisseur de l'entrefer (9) et aussi indépendante de la tension d'alimentation du générateur dont les fluctuations d'amplitudes sont automatiquement cotnpcnsées par le générateur de courant asservi (26) et l'amplificateur différentiel (25). L'invention est applicable partout où une commande de force linéaire par action électromagnétique est nécessaire, telle que la génération de vibrations mécaniques contrôlées, la génération d'ondes sonores de grande puissance, plus généntlement partout où une force doit être générée avec précision. IZEVENDICATIONS 1) Dispositif de commande proportionnelle de la force délivrée par un électro-aimant caractérisé pal le irait qu'il comporte un générateur (21) de courant à commutateurs électroniques montés en pont associé à un capteur de mesure de courant (13), un compensateur de pertes électriques (22), un pilote (24) commandant le fonctionnement du générateur et assurant une commande proportionnelle à l'induction magnétique dans l'entrefer (9), un conformateur (31) de conversion du signal initial en un signal proportionnel à l'induction magnétique. 2) Dispositif selon la reveidication I caractérisé par le fait que le compensateur de pertes électriques (22) se compose d'un générateur (23) délivrant un courant proportionnel au courant traversant les enroulements tl l) de l'électro-aimant. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le pilote comporte un amplificateur différentiel (25) qui mesure la tension aux bornes des enroulements (11), et un dispositif (26) généntnt un courant proponionnel à la tension aux bornes dédits enroulements, un condensateur auquel est appliqué ce courant et le courant issu du compensateur de pertes électriques, un comparateur (28) comparant un signal décommande à la tension présente aux bornes du condensateur, et un dispositif de commande des commutations (30) des commutateurs (16), (17), (18) et (19), ces éléments caractéristiques assurant une relation proportionnelle entre le signal de commande et l'induction m,tgnétique présente dans l'entrefer (9). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le générateur est composé de 4 commutateurs électroniques (16), (17), (18) et (19) montés en pont. 5) Dispositif selon la revendication l caractérisé par le fait que le conformateur comporte soit deux amplificateurs séparateurs (33) et (34), et 2 circuits de calcul des racines carrées (38) et (39) et un inverseur (37), soit un microcalculateur (42) convertissant une suite numérique image du signal incident en 2 signaux utiles.