Brevet FR2764748A1 — publié le 19981218

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement électromagnétique comportant une structure statorique et un organe mobile comprenant une ou plusieurs parties aimantées perpendiculairement à la direction de leur déplacement, la ou les parties aimantées étant réalisées en un matériau ayant une perméabilité réversible proche de celle de l'air et présentant dans tout le domaine de travail du dispositif d'entraînement une caractéristique de désaimantation pratiquement linéaire et une droite de recul pratiquement confondue avec cette caractéristique, la structure statorique comprenant au moins une première partie de circuit magnétique réalisée en un matériau de haute perméabilité magnétique, cette partie ou ces parties de circuit présentant, chacune, deux parties polaires, la structure statorique comprenant en outre au moins une bobine électrique d'excitation couplée avec une première partie de circuit magnétique, l'organe mobile ou la structure statorique comprenant au moins une seconde partie de circuit magnétique réalisée en un matériau de haute perméabilité magnétique et agencée de façon à former avec chacune desdites parties polaires un entrefer, tous ces entrefers étant de même longueur, sensiblement constante, mesurée perpendiculairement aux surfaces des parties polaires, l'ensemble desdites première et seconde parties de circuit formant un ou plusieurs circuits magnétiques fermés, le dispositif d'entraînement étant agencé de façon à permettre le déplacement de la ou des parties aimantées à travers lesdits entrefers, ces parties aimantées ayant, chacune, une longueur mesurée dans le sens de l'aimantation, sensiblement constante, inférieure à la longueur de chaque entrefer de la grandeur du jeu mécanique nécessaire pour permettre le déplacement de l'organe mobile à travers lesdits entrefers, chaque partie aimantée de l'organe mobile ayant une largeur n'excédant pas la somme de la largeur d'une partie polaire et de la largeur de l'espace entre deux parties polaires d'un même circuit magnétique, toutes ces largeurs étant mesurées dans le sens dudit déplacement. Les dispositifs d'entraînement de ce type qui peuvent être rotatifs ou linéaires, permettent notamment de fournir, sur une course relativement grande de l'organe mobile, un couple ou une force constant pour une valeur donnée des ampères-tours de la bobine d'excitation, ce couple ou cette force étant proportionnel aux ampères-tours. Ils peuvent ainsi être utilisés avantageusement comme actionneurs à commande directe, de tels actionneurs étant plus fiables que ceux formés par des moteurs à courant continu avec réducteur. Ils peuvent également être utilisés, par exemple, comme moteur rotatif polyphasé fournissant, par phase, à courant continu, une loi de couple trapézoïdale. Un inconvénient de ces dispositifs réside dans le coût des matériaux magnétiques à haute énergie, tels qu'ils sont généralement nécessaires pour atteindre les performances demandées, en particulier en ce qui concerne la force ou le couple à fournir. Un autre inconvénient est le fait que pour atteindre des forces ou couples suffisants, l'organe mobile est muni d'aimants élémentaires de polarités alternantes, ce qui nécessite une aimantation avant l'assemblage du dispositif et implique des manipulations délicates, vu la puissance et la fragilité des aimants utilisés. De ce fait, et en particulier dans une fabrication en grande série, on ne peut pas totalement exclure le risque qu'une particule d'aimant ne subsiste à l'intérieur du dispositif et se loge dans l'entrefer d'un circuit magnétique, ce qui entraînerait, bien entendu, un défaut du dispositif. L'invention a comme premier but de remédier aux inconvénients susmentionnés, tout en fournissant un dispositif d'actionnement dont les performances sont comparables à celles des dispositifs existants. A cet effet, le dispositif d'entraînement électromagnétique selon l'invention est caractérisé en ce que les parties aimantées de l'organe mobile sont toutes aimantées dans le même sens, que le matériau de la ou des parties aimantées possède une caractéristique de désaimantation pratiquement linéaire jusqu'à des températures au moins égales à 100 C et au moins jusqu'à une valeur négative de l'induction magnétique sensiblement égale, en valeur absolue, à 0,5 fois l'induction rémanente dudit matériau, et que le ou lesdits circuits magnétiques et la ou les parties aimantées sont dimensionnés de façon que le point de fonctionnement moyen de chaque partie aimantée, en absence de courant dans la ou les bobines, se situe à une valeur de l'induction inférieure à 0,5 fois la valeur de l'induction rémanente dudit matériau magnétique. Un organe mobile dont les parties aimantées sont toutes orientées dans le même sens signifie, par rapport au cas habituel o des parties aimantées de polarités alternantes sont disposées dans lesdits entrefers, toutes dimensions égales, une réduction de moitié du volume des parties aimantées, puisque le nombre de ces parties n'est alors que la moitié du nombre d'entrefers. La réduction du volume d'aimant, et donc du coût du matériau utilisé, correspond également à une réduction de la masse de l'organe mobile, ce qui est un avantage important, notamment lorsque de fortes accélérations sont exigées. Une telle structure de l'organe mobile permet en outre d'effectuer l'aimantation après l'assemblage du dispositif. La réduction du volume d'aimant entraîne toutefois également une réduction correspondante de la force ou du couple fournis pour un nombre d'ampères- tours donné, si les autres paramètres du dispositif restent les mêmes. Pour compenser, au moins en grande partie, la perte en force ou en couple, l'invention utilise un matériau d'aimant approprié, d'une manière inédite, de façon à permettre une forte augmentation des ampères- tours applicables et une large variation de l'induction. En effet, dans les dispositifs d'entraînement du présent type, l'excursion du point de fonctionnement de l'aimant sur la caractéristique de désaimantation B(H) est limitée, d'une part, par l'induction maximale acceptable pour éviter une saturation du matériau formant le circuit magnétique ou une diminution sensible de sa perméabilité et, d'autre part, par la valeur minimale négative du champ magnétique permettant d'éviter le risque de désaimantation de l'aimant. Le développement des matériaux d'aimants à grande énergie, dans le but d'augmenter le champ coercitif intransèque de ces aimants à la température ambiante, a notamment conduit à des aimants du type NdFeB ayant des caractéristiques B(H) dans lesquelles un coude n'apparaît dans le deuxième cadran qu'à des températures très élevées dépassant, par exemple, 215 C. En travaillant à des températures inférieures, la partie linéaire de la caractéristique de désaimantation s'avère s'étendre jusque dans le troisième cadran, notamment jusqu'à des valeurs négatives de l'induction pouvant dépasser, en valeur absolue, 0,5 fois l'induction rémanente du matériau à des températures au moins égales à 100 C. Dans ces conditions, le dimensionnement selon l'invention, par lequel le point de fonctionnement moyen de l'aimant se situe à une valeur de l'induction de moins de la moitié de l'induction rémanente, permet d'utiliser le dispositif dans un domaine de variation de l'induction très large et jusqu'ici totalement inusité. Un tel dispositif permet d'atteindre des forces ou couples au moins comparables à ceux des dispositifs usuels qui nécessitent un volume d'aimant beaucoup plus grand. Dans une forme d'exécution particulière, le présent dispositif d'entraînement peut comporter un organe mobile rotatif, à course limitée, monté sur un axe logé dans la structure statorique, cet organe mobile comprenant une partie aimantée dont la forme est essentiellement celle d'une portion de disque plat annulaire et qui est disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe mobile, la structure statorique comportant au moins une partie de circuit magnétique en forme de U dont les extrémités forment des parties polaires. Dans une telle forme d'exécution, le dispositif selon l'invention est avantageusement caractérisé en ce que lesdites parties polaires présentent deux bords respectifs en regard l'un de l'autre, parallèles entre eux et parallèles à un plan axial, la partie aimantée ayant, dans le sens de la rotation, deux extrémités dont les bords respectifs coïncident essentiellement, dans les positions extrêmes correspondantes de la partie mobile, avec les bords respectifs desdites parties polaires. Dans une autre forme d'exécution, le présent dispositif d'entraînement peut comporter un organe mobile rotatif monté sur un axe logé dans la structure statorique, cet organe mobile comprenant au moins une partie aimantée dont la forme est essentiellement celle d'une portion de disque plat annulaire et qui est disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe mobile, la structure statorique comportant au moins deux parties de circuit magnétique en forme de U, disposées d'un même côté du plan de la partie aimantée. Dans une telle forme d'exécution, le dispositif selon l'invention est avantageusement caractérisé en ce que deux branches voisines desdites deux parties de circuit en forme de U sont couplées avec une même bobine électrique d'excitation, les extrémités de ces branches voisines étant réunies par une même partie polaire. Lesdites parties en forme de U sont de préférence constituées par des paquets de tôles en forme de U. L'invention vise également une utilisation du présent dispositif d'entraînement selon laquelle un courant de polarisation permanent est appliqué à ladite ou auxdites bobines, de façon à régler le point de fonctionnement moyen de la ou des parties aimantées à une valeur de l'induction au moins approximativement égale à zéro. Dans un tel cas, la force ou le couple correspondant aux ampères-tours de polarisation peuvent être compensés par exemple par un ressort. Un réglage selon lequel l'induction moyenne est approximativement égale à zéro, est particulièrement utile dans le cas d'actionneurs linéaires ou angulaires devant fonctionner à des fréquences élevées. D'une façon générale, la réduction de l'induction moyenne, telle qu'elle est préconisée par l'invention, permet notamment de réduire les efforts mécaniques parasites et les pertes magnétiques. Dans le cas de dispositifs d'entraînement rotatifs à entrefer axial, par exemple, les efforts axiaux variant avec le carré de l'induction, le frottement et l'usure des paliers se trouvent sensiblement réduits. Dans le cas o les parties aimantées sont fixées sur une culasse mobile et sont dès lors fortement attirées par les parties polaires du stator, de sorte qu'un effort important s'exerce sur la butée axiale, la réduction de l'induction moyenne est particulièrement avantageuse. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication du présent dispositif, selon lequel on assemble l'organe mobile, à l'état nonaimanté, avec la structure statorique et l'on procède ensuite à l'aimantation des parties correspondantes de l'organe mobile en plaçant l'ensemble dans un inducteur. Pour obtenir plus facilement une saturation des parties aimantées, il peut être avantageux de porter la température, lors de l'aimantation, à une valeur comprise entre 100 à 150 C. D'autres caractéristiques, avantages et buts de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous, à titre d'exemple, de différentes formes de réalisation de dispositifs d'actionnement illustrées dans les dessins annexés dans lesquels: La Fig. 1 est une vue en coupe, selon la ligne I- I de la Fig. 2, montrant un actionneur rotatif à course limitée, conforme à l'invention, cet actionneur comportant une seule partie aimantée; La Fig. 2 est une vue en plan selon la ligne II-II de la Fig. 1; La Fig. 3 est une vue en coupe, selon la ligne III-III de la Fig. 4, montrant un autre actionneur à course limitée, conforme à l'invention, cet actionneur comportant trois parties aimantées; La Fig. 4 est une vue en plan, selon la ligne IV-IV de la Fig. 3; et La Fig. 5 est une vue en coupe partielle, selon la ligne V-V de la Fig. 4. Les Figures 1 et 2 représentent un dispositif d'entraînement selon l'invention sous forme d'un actionneur rotatif à course limitée, comportant une seule partie aimantée. Dans cet exemple, un organe mobile 1 porte une partie aimantée 2 ayant la forme d'une portion d'un disque plan annulaire, de faible épaisseur par rapport à ses autres dimensions, cette partie 2 étant aimantée parallèlement à l'axe de rotation 3 du dispositif d'entraînement. L'organe mobile 1 comporte une culasse 4 en un matériau de haute perméabilité magnétique, par exemple en fer doux fritté, la partie aimantée 2 étant collée sur une surface plane de cette culasse. L'ensemble de l'organe rotatif 1 est chassé sur l'axe 3. L'ensemble statorique de ce dispositif comporte une partie de circuit magnétique fixe 5, présentant une partie de base 6 et deux parties de noyau 7 et 8 dont les extrémités libres forment des parties polaires respectives 71 et 81. Ces parties polaires constituent, avec la culasse 4, deux entrefers respectifs de même longueur, constante, mesurée perpendiculairement aux surfaces de ces parties polaires. La longueur de la partie aimantée 2, mesurée dans le même sens, est légèrement inférieure à la longueur de ces entrefers, la différence entre la longueur de l'entrefer et la longueur de la partie aimantée correspondant au jeu mécanique nécessaire pour le mouvement de l'organe mobile par rapport à l'ensemble statorique. L'ensemble statorique comporte deux paliers 9 et 10 pour l'axe 3, ces paliers étant fixés, directement ou par l'intermédiaire d'une pièce de montage 11, sur la partie 5, comme le montre la Fig. 1. Deux bobines électriques 12 et 13 sont placées, respectivement, autour des parties de noyau 7 et 8, le sens du bobinage et du courant d'excitation qui les parcourt étant tel que des polarités différentes apparaissent sur les parties polaires 71 et 81. L'interaction de ces pôles avec la partie aimantée fournit le couple de l'actionneur dans l'une ou l'autre direction de rotation selon le sens du courant, la course de l'organe mobile étant limitée par des moyens non représentés, et s'étend dans le présent dispositif sur un angle maximal de 900. La forme des bobines 12 et 13 et la forme de la partie aimantée 2, qui constituent une particularité importante du présent dispositif, sont visibles à la Fig. 2, cette figure représentant la partie aimantée dans une position intermédiaire, soit à mi-course entre les positions extrêmes. Il est à remarquer notamment que les bords en regard 72 et 82 des parties polaires 71 et 81 sont parallèles entre eux et parallèles au plan de symétrie axiale 14, dans la zone de passage de la partie aimantée 2. La partie aimantée présente elle-même des bords 21 et 22 qui sont inclinés par rapport à la direction radiale, de telle façon que dans les positions extrêmes de l'organe mobile, ces bords coïncident ou sont très voisins respectivement des bords 72 et 82. Les bords de l'autre extrémité coïncident alors ou sont très voisins des bords 83 et 73 des parties polaires respectives 81 et 71. L'agencement ainsi défini permet de réduire au minimum la surface et donc le volume de la partie aimantée dans une telle structure, tous les autres paramètres restant les mêmes. La culasse 4 qui ferme le circuit magnétique de ce dispositif et dont la largeur, dans le sens du déplacement, doit être au moins égale à la largeur de la partie aimantée augmentée de chaque côté de la largeur d'une partie polaire de la structure statorique - ce qui correspond en l'occurrence à un arc peu inférieur à 2 7 fois le rayon moyen de la partie aimantée -, de sorte que la culasse 4 a ici une forme circulaire indiquée en partie en traits interrompus à la Fig. 2. A titre d'exemple quantitatif, avec une longueur d'aimant de 1 mm et un jeu de 0,4 mm entre la partie aimantée et une partie polaire de la structure statorique, et avec un aimant du type utilisé dans le cadre de la présente invention dont l'induction rémanente est par exemple de 0,85 T à une température d'environ 140 C, le point de fonctionnement moyen de la partie aimantée se situe à une valeur de l'induction de 0,3 T. Avec 1300 ampères-tours par bobine, la variation du point de fonctionnement d'une position extrême de l'organe mobile à l'autre - la partie aimantée se trouvant dans ces positions extrêmes totalement en face de l'une ou de l'autre partie polaire -, est alors de + 1,17 T. Dans ce cas, les valeurs limites de l'induction sont, respectivement, peu supérieure à la valeur correspondant au coude de la caractéristique B(H) du matériau d'aimant, et peu inférieure à l'induction maximale acceptable dans un fer fritté économique. Il est à noter que le potentiel appliqué au circuit fermé comportant les deux entrefers en série est de 2600 ampères-tours, soit quatre fois le potentiel de la seule partie aimantée incluse dans ce circuit pour une position extrême du rotor, ce potentiel étant d'environ 650 ampèrestours. Une telle disproportion est totalement inusitée dans le domaine des actionneurs à aimant mobile. En comparaison, avec des dispositifs connus utilisant deux parties aimantées adjacentes de signes contraires, le point de fonctionnement moyen correspondrait à une induction de 0,6 T et les ampères-tours maximum admissibles seraient de 970 ampères-tours par entrefer. Le rapport des potentiels susmentionnés devient dans ce cas égal à environ 1,5 au lieu de 4 dans le dispositif selon l'invention. Le couple du dispositif conventionnel serait accru de 50%, mais pour une masse d'aimant à peu près triplée. La solution selon l'invention est donc nettement plus économique, indépendamment du fait qu'elle permet une aimantation à l'état assemblé du dispositif et procure les autres avantages déjà mentionnés. Les Figures 3 à 5 illustrent une autre forme de réalisation d'un dispositif d'entraînement selon l'invention. Il s'agit d'un actionneur rotatif, par exemple également à course limitée, dont l'organe mobile comporte trois parties aimantées 23, 24, 25, orientées dans le même sens parallèlement à l'axe de rotation. Ces parties aimantées ont ici la forme de secteurs annulaires et, comme dans l'exemple précédent, elles sont fixées, par exemple par collage, sur une culasse 40 fermant le circuit magnétique dont les premières parties sont formées dans la structure statorique 50. La particularité de la construction selon les Figures 3 à 5 réside dans la réalisation des parties de circuit magnétique du stator et de leur couplage avec les bobines d'excitation. Comme on le voit notamment aux Figures 4 et , chaque bobine, telle que la bobine 15, est couplée avec deux parties de circuit magnétique en forme de U, telles que 16 et 17. La bobine 15 entoure ainsi deux branches voisines de ces circuits qui peuvent avantageusement être réalisées sous forme de paquets de tôles en forme de U. Dans le présent exemple, six bobines sont ainsi couplées avec six parties de circuit magnétique disposées selon la vue de dessus de la Fig. 4. Les extrémités des branches entourées par une même bobine sont réunies par une pièce polaire respective, telle que la pièce polaire 18. Les dispositifs selon la présente invention ne nécessitant pas de sections de fer très importantes, la structure selon les Figures 3 à 5 constitue une solution très intéressante notamment du point de vue du prix de revient et de la fabrication. L'espace entre les branches de circuit magnétique entourées par une même bobine, tel que l'espace 19, peut être rempli de résine et l'ensemble peut être logé dans un boîtier 26, 27 en un matériau magnétique ou non-magnétique dans lequel sont fixés les paliers 28, 29 pour l'axe d'entraînement 30. Dans toutes les formes d'exécution, le dispositif d'entraînement selon l'invention permet d'aimanter les parties correspondantes de l'organe mobile une fois que l'ensemble stator et rotor est assemblé. A cet effet, on peut placer le dispositif dans un inducteur et effectuer l'aimantation, de préférence à une température située entre 100 et 150 C. Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés comme actionneurs linéaires ou angulaires à course limitée pour fournir sur cette course un couple pratiquement constant, ou encore comme moteurs rotatifs polyphasés. Ils se distinguent par leur structure économique et leur fiabilité. Ils permettent, dans les conditions exposées ci-dessus, d'obtenir des couples comparables à ceux des dispositifs usuels et d'assurer le fonctionnement à des températures même sensiblement supérieures à 100 C. Dans la pratique, on pourra adapter le dimensionnement de l'aimant, qui est un matériau cher, aux ampères-tours crêtes et à la qualité de fer utilisée, rechercher éventuellement dans le même encombrement une construction optimale de la ou des bobines et dimensionner ainsi l'ensemble du dispositif de façon optimale en fonction de son utilisation spécifique. Revendications Dispositif d'entraînement électromagnétique comportant une structure statorique (5) et un organe mobile (1) comprenant une ou plusieurs parties (2) aimantées perpendiculairement à la direction de leur déplacement, la ou les parties aimantées (2) étant réalisées en un matériau ayant une perméabilité réversible proche de celle de l'air et présentant dans tout le domaine de travail du dispositif d'entraînement une caractéristique de désaimantation pratiquement linéaire et une droite de recul pratiquement confondue avec cette caractéristique, la structure statorique (5) comprenant au moins une première partie de circuit magnétique (6, 7, 8) réalisée en un matériau de haute perméabilité magnétique, cette partie ou ces parties de circuit présentant, chacune, deux parties polaires (71, 81), la structure statorique (5) comprenant en outre au moins une bobine électrique d'excitation (12) couplée avec une première partie de circuit magnétique, l'organe mobile (1) ou la structure statorique (5) comprenant au moins une seconde partie de circuit magnétique (4) réalisée en un matériau de haute perméabilité magnétique et agencée de façon à former avec chacune desdites parties polaires (71, 81) un entrefer, tous ces entrefers étant de même longueur, sensiblement constante, mesurée perpendiculairement aux surfaces des parties polaires, l'ensemble desdites première et seconde parties de circuit formant un ou plusieurs circuits magnétiques fermés, le dispositif d'entraînement étant agencé de façon à permettre le déplacement de la ou des parties aimantées (2) à travers lesdits entrefers, ces parties aimantées (2) ayant, chacune, une longueur mesurée dans le sens de l'aimantation, sensiblement constante, inférieure à la longueur de chaque entrefer de la grandeur du jeu mécanique nécessaire pour permettre le déplacement de l'organe mobile à travers lesdits entrefers, chaque partie aimantée de l'organe mobile ayant une largeur n'excédant pas la somme de la largeur d'une partie polaire et de la largeur de l'espace entre deux parties polaires d'un même circuit magnétique, toutes ces largeurs étant mesurées dans le sens dudit déplacement, caractérisé en ce que les parties aimantées de l'organe mobile sont toutes aimantées dans le même sens, que le matériau de la ou des parties aimantées possède une caractéristique de désaimantation pratiquement linéaire, jusqu'à des températures au moins égales à 100 C et au moins jusqu'à une valeur négative de l'induction magnétique sensiblement égale, en valeur absolue, à 0,5 fois l'induction rémanente dudit matériau, et que le ou lesdits circuits magnétiques et la ou les parties aimantées sont dimensionnés de façon que le point de fonctionnement moyen de chaque partie aimantée, en absence de courant dans la ou les bobines, se situe à une valeur de l'induction inférieure à 0,5 fois la valeur de l'induction rémanente. 2. Dispositif d'entraînement selon la revendication 1 comportant un organe mobile rotatif (1) à course limitée, monté sur un axe (3) logé dans la structure statorique (5), cet organe mobile comprenant une partie aimantée (2) dont la forme est essentiellement celle d'une portion de disque plat annulaire et qui est disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (3) de l'organe mobile, la structure statorique comportant au moins une partie de circuit magnétique en forme de U (6, 7, 8) dont les extrémités forment des parties polaires (71, 81), caractérisé en ce que lesdites parties polaires (71, 81) présentent deux bords respectifs (72, 82) en regard l'un de l'autre, parallèles entre eux et parallèles à un plan axial (14), la partie aimantée (2) ayant, dans le sens de sa rotation, deux extrémités dont les bords respectifs (21, 22) coïncident essentiellement, dans les positions extrêmes correspondantes de la partie mobile (1), avec les bords respectifs (72, 73; 82, 83) desdites parties polaires (71, 81). 3. Dispositif d'entraînement selon la revendication 1 comportant un organe mobile rotatif (23, 24, 25, 40), monté sur un axe (30) logé dans la structure statorique (26, 27), cet organe mobile comprenant au moins une partie aimantée (23, 24, 25) dont la forme est essentiellement celle d'un secteur de disque plat annulaire et qui est disposé, dans un plan perpendiculaire, à l'axe de rotation (30) de l'organe mobile, la structure statorique comportant au moins deux parties de circuit magnétique en forme de U (16, 17) disposées d'un même côté du plan de la partie aimantée, caractérisé en ce que deux branches voisines desdites deux parties de circuit en forme de U (16, 17) sont couplées avec une même bobine électrique d'excitation (15), les extrémités de ces branches voisines étant réunies par une même pièce polaire (18). 4. Dispositif d'entraînement selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites parties en forme de U (16, 17) sont constituées par des paquets de tôles en forme de U. 5. Utilisation du dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un courant de polarisation permanent est appliqué à ladite ou auxdites bobines de façon à régler le point de fonctionnement moyen de la ou des parties aimantées à une valeur de l'induction au moins approximativement égale à zéro. 6. Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on assemble l'organe mobile à l'état non aimanté avec la structure statorique et que l'on procède ensuite à l'aimantation des parties correspondantes de l'organe mobile en plaçant l'ensemble dans un inducteur. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on porte la température lors de l'aimantation à une valeur comprise entre 100 et C.