Brevet FR2773908A1 — publié le 19990723

ACTIONNEUR ÉLECTROMAGNÉTIQUE MULTI-STABLE ET VÉHICULE AUTOMOBILE ÉQUIPÉ DE CET ACTIONNEUR La présente invention concerne un actionneur électromagnétique multi-stable, de préférence bi-stable, et un véhicule automobile équipé de cet actionneur pour la commande de verrouillage centralisée de l'accès à la tubulure d'un réservoir de carburant. Pour améliorer la sécurité des véhicules automobiles, il est souhaitable de verrouiller l'accès à la tubulure de remplissage en carburant du réservoir, notamment lorsque le véhicule est en route. A cet effet, plusieurs types d'actionneurs connus peuvent être utilisés, mais ces actionneurs doivent être adaptés à un environnement sensible aux risques de déflagration. Ainsi, il n'est pas envisageable d'utiliser des actionneurs à contact électrique frottant pouvant créer des étincelles, car un tel actionneur se trouve généralement à proximité de la tubulure de remplissage, qui contient du carburant hautement inflammable et communique avec elle par un orifice laissant diffuser des vapeurs de carburant pendant le remplissage. Un autre type d'actionneur est l'actionneur à électro-aimant qui présente l'avantage de pouvoir être utilisé sans risque dans un environnement sensible aux explosions. Bien qu'un tel actionneur soit à bas rendement, la puissance mécanique produite peut être suffisante pour déplacer, par exemple, une simple tige de blocage de l'accès à la tubulure de remplissage. Typiquement, la puissance mécanique produite par un actionneur électromagnétique est de l'ordre de 0,4 W pour une puissance électrique consommée de l'ordre de 15 W. Pour minimiser la quantité d'énergie consommée par l'actionneur électromagnétique, il est préférable d'utiliser un électro-aimant bistable pour maintenir, de manière stable, la tige de blocage dans la position verrouillée ou déverrouillée de l'accès à la tubulure de remplissage, en l'absence d'alimentation électrique permanente. On utilise, à cet effet, un noyau magnétique partiellement aimanté pouvant se déplacer à l'intérieur d'une bobine coaxiale en fonction du sens du courant qui circule dans celle-ci. Lorsque le courant, qui circule dans la bobine dans un sens prédéterminé, engendre un champ magnétique de polarité opposée à celle du noyau magnétique, ce dernier est déplacé par attraction magnétique dans une première position stable, et lorsqu'on inverse la polarité de la bobine, le noyau magnétique est déplacé en sens opposé par répulsion magnétique vers sa deuxième position stable. Ainsi, la bobine n'est alimentée en énergie que pendant la durée utile pour effectuer la course de déplacement du noyau auquel est reliée, par exemple, une tige de blocage à déplacement linéaire. Toutefois, un tel actionneur électromagnétique bi-stable présente un certain nombre d'inconvénients : lorsque le noyau est dans une position stable partiellement dégagée de la bobine, la force d'attraction mutuelle est faible au démarrage et augmente progressivement pendant la course de déplacement du noyau, ce qui nécessite d'utiliser une bobine avec un grand nombre de spires pour avoir une force minimale au départ ; le fait d'avoir une vitesse de déplacement du noyau qui varie fortement au cours du déplacement n'est pas souhaitable ; pour obtenir une course de déplacement suffisante de la tige de blocage, il est nécessaire d'utiliser une bobine et un noyau de grande longueur, ce qui peut poser un problème d'encombrement ; il est nécessaire de prévoir un moyen pour compenser les forces inertielles du noyau magnétique, pour éviter le déplacement spontané de la tige de blocage de sa position verrouillée vers sa position déverrouillée, en cas de décélérations élevées, par exemple lors d'un choc accidentel ; on utilise, à cet effet, généralement un noyau magnétique chargé par ressort, mais cela impose d'engendrer une force d'attraction magnétique encore plus importante pour vaincre la sollicitation inverse du ressort. L'invention a donc pour but d'éliminer les inconvénients précités et de proposer un actionneur électromagnétique multi-stable pouvant provoquer le déplacement d'un organe de commande, avec une force peu fluctuante tout au long de la course de déplacement de l'organe, sans risque de basculement intempestif de l'organe de commande d'une position vers une autre en cas de choc mais sans pour autant dégrader les performances de l'actionneur, avec un faible encombrement global de l'actionneur, cet actionneur étant, en outre, de montage aisé. A cet effet, l'invention a pour objet un actionneur électromagnétique multi-stable pour actionner le déplacement d'un organe de commande en réponse à une inversion de sens du courant circulant dans la bobine de l'électro-aimant, caractérisé par le fait que, la bobine comporte un noyau ferromagnétique doux fixe, qui est agencé face à la périphérie d'un rotor, le rotor portant au moins deux pièces polaires à aimantation permanente angulairement espacées à sa périphérie avec des polarités alternativement opposées, le rotor étant agencé pour actionner le déplacement de l'organe de commande lors de sa rotation, et par le fait que l'axe du noyau est agencé de façon à ne pas coïncider avec l'axe de la pièce polaire de polarité opposée, qui en est la plus proche, lorsque l'actionneur est dans chacune de ses positions d'équilibre, afin que, lors de l'inversion de polarité de la bobine, la force de répulsion engendrée entre la pièce polaire et le noyau de même polarité en vis-à-vis présente une composante tangentielle suffisante pour provoquer la rotation du rotor dans une direction déterminée. Avantageusement, dans chaque position d'équilibre de l'actionneur, l'axe du noyau forme avec la pièce polaire en vis-à-vis un angle suffisant pour que la composante tangentielle de la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de la polarité de la bobine, provoque le couple requis entre le rotor et l'organe de commande pour déplacer ce dernier. De préférence, l'espacement angulaire entre deux pièces polaires consécutives est déterminé de façon que la force globale, résultant de la somme de la force de répulsion de la pièce polaire de même polarité et de la force d'attraction de la pièce polaire de polarité opposée qui s'appliquent de part et d'autre du noyau, présente une composante tangentielle suffisante pendant toute la course du rotor pour provoquer le couple requis entre le rotor et l'organe de commande pour déplacer ce dernier. Dans un premier mode de réalisation, I'actionneur selon l'invention est un actionneur bi-stable dans lequel le rotor porte deux pièces polaires de polarités opposées présentant un espacement angulaire suffisant pour obtenir le déplacement requis de l'organe de commande, et un moyen de butée est prévu pour limiter le débattement angulaire du rotor à une course inférieure à l'espacement angulaire des deux pièces polaires pour éviter que l'axe du noyau puisse coïncider avec l'axe des pièces polaires, I'axe du noyau étant agencé entre les positions de fin de course des axes des deux pièces polaires de façon que, dans chacune des deux positions d'équilibre, la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de polarité de la bobine, présente une composante tangentielle dirigée respectivement dans le sens horaire et anti-horaire. Dans ce cas, les pièces polaires ont une aimantation radiale et l'axe de la bobine s'étend dans une direction radiale par rapport au rotor. Dans un autre mode de réalisation, les pièces polaires de l'actionneur multi-stable sont régulièrement espacées sur la périphérie du rotor, l'axe du noyau étant agencé par rapport au rotor de façon que dans chacune des positions d'équilibre, la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de polarité de la bobine, présente une composante tangentielle dirigée dans le même sens rotationnel. Dans ce cas, les pièces polaires peuvent présenter une aimantation radiale et l'axe du noyau peut s'étendre dans une direction non radiale avec un angle déterminé par rapport au rayon passant par le centre du rotor et le centre de la bobine. Le rotor tournant toujours dans le même sens, on peut prévoir une came intercalée entre le rotor et l'organe de commande pour provoquer le déplacement de ce dernier. Dans une autre variante, I'actionneur comporte un vérin à vis axialement solidaire du rotor pour provoquer le déplacement de l'organe de commande, le rotor étant solidaire en rotation d'un élément de l'ensemble constitué de la vis et de l'écrou, alors que l'organe de commande est déplacé par la translation de l'autre élément dudit ensemble. On pourrait également prévoir en variante que le rotor coopère directement avec l'organe de commande pour provoquer son déplacement. Selon une autre caractéristique, le rotor est agencé de façon que son centre d'inertie soit confondu avec son centre de rotation. On peut prévoir, à cet effet, une surépaisseur ou une masse d'équilibrage ajoutée. L'invention vise également un véhicule automobile à commande de verrouillage centralisée de l'accès à la tubulure du réservoir de carburant, ladite tubulure étant munie d'un clapet interne apte à être poussé par un pistolet de remplissage en position d'ouverture, caractérisé par le fait qu'il est équipé de l'actionneur décrit ci-dessus pour commander le verrouillage/déverrouillage du clapet interne de la tubulure par déplacement d'une tige de commande. Selon encore une autre caractéristique, la tige de commande comporte une rampe à son extrémité libre adaptée pour coopérer avec le clapet pour repousser la tige en position déverrouillée lorsque celleci a été préalablement actionnée en position verrouillée et que le clapet est rappelé élastiquement en position de fermeture à partir de sa position d'ouverture. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, plusieurs modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin, - la figure 1 est une vue en coupe à plans sécants suivant la ligne I de la figure 2 d'un premier mode de réalisation de l'actionneur selon l'invention - la figure 2 est une vue de dessus d'un détail de la figure 1 illustrant le rotor de l'actionneur - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une variante de réalisation de l'actionneur selon l'invention ; et - la figure 4 est une vue partielle et en coupe d'une tubulure de remplissage en carburant équipée d'une tige de blocage destinée à être déplacée par l'actionneur selon l'invention. Selon l'exemple particulier de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, l'actionneur de l'invention comporte un boîtier 1 dans lequel est logé un électro-aimant 2 qui est constitué d'une bobine d'induction 3 enroulée sur un noyau ferromagnétique doux fixe 4 aux extrémités duquel sont fixés deux flasques 5. Deux conducteurs électriques 6 traversent le boîtier 1 et viennent se connecter aux deux spires d'extrémité de la bobine 3 au niveau d'un flasque d'extrémité 5. Dans ce boîtier 1, est également logé un rotor 7 en forme générale de disque cylindrique présentant un taraudage axial 8 pour servir également comme écrou. Le rotor formant écrou 7 est monté à vissage par son taraudage axial 8 sur une tige filetée 9 qui présente à sa base un logement de section carrée 10 dans lequel est insérée à coulissement une tige de guidage de section carrée 11 qui est solidaire du boîtier 1. La tige de guidage 11 immobilise en rotation la tige filetée 9 qui ne peut que se déplacer verticalement dans la direction indiquée par la double flèche V sur la figure 1. Inversement, le rotor formant écrou 7 est immobilisé en translation axiale par des butées axiales (non représentées), mais peut être entraîné en rotation comme indiqué par la double flèche R sur la figure 2. Le rotor 7 comporte deux aimants permanents 12 et 13 dont les axes respectifs passent par le centre du rotor et sont espacés angulairement l'un de l'autre d'un angle A. Les aimants 12 et 13 débouchent sur la périphérie du rotor 7 de façon que leurs faces respectives qui se trouvent en vis-à-vis de l'électro-aimant 2 présentent une polarité différente. Par exemple, l'aimant 12 présente une aimantation radiale N-S dirigée vers l'extérieur et l'aimant 13 comporte une aimantation radiale S-N dirigée vers l'extérieur ou inversement. Comme visible sur la figure 2, l'axe de la bobine 3 forme un angle par rapport à l'axe de l'aimant 12 lorsque le rotor est dans sa position de fin de course dans laquelle l'aimant 12 est attiré par le noyau 4 de l'électro-aimant 2. Le rotor formant écrou 7 comporte, en outre, à sa périphérie une encoche en forme de secteur angulaire 14 dans laquelle fait saillie une butée d'arrêt 15 solidaire du boîtier I pour limiter la course de déplacement du rotor 7 à un angle A-2cV, afin que l'axe de la bobine 3 soit toujours compris entre les deux axes des aimants 12 et 13, en formant un angle minimal a avec eux, pour les raisons qui sont indiquées plus loin. La tige filetée 9 déplaçable en translation linéaire peut être reliée directement ou indirectement à une tige de commande 16 illustrée sur la figure 4 qui sert à bloquer en position de fermeture le clapet interne 17 pour l'accès à une tubulure de remplissage 18 d'un réservoir de carburant d'un véhicule automobile. Le clapet 17 est articulé à sa base 17a sur l'entrée de la tubulure 18 et est destiné à venir buter par son sommet 17b contre un épaulement correspondant 18a de l'autre côté de l'entrée de la tubulure 18. Un ressort de compression 19 est prévu à l'intérieur de la tubulure 18 pour solliciter le clapet 17 en position de fermeture contre l'épaulement 18a. La tige de commande 16 peut comporter à son extrémité libre une rampe ou un biseau 16a qui est apte à coopérer avec le sommet 17b du clapet 17, comme expliqué plus loin. On notera ici que la tige de blocage est destinée à verrouiller le clapet d'accès à la tubulure et non la trappe extérieure au niveau de la carrosserie du véhicule automobile. On va maintenant se référer à la figure 3 qui représente une variante de réalisation de l'actionneur de l'invention. On a représenté ici simplement une plaque de dessus et une plaque de dessous du boîtier 101 de cette autre variante d'actionneur. Les mêmes chiffres de référence ont été utilisés pour désigner des pièces identiques aux pièces du premier mode de réalisation. Le rotor 117 n'agit pas ici comme un écrou et est solidaire en son centre d'une tige filetée 109 qui est immobilisée en translation verticale entre les plaques 101 précitées et libre de tourner dans la direction indiquée par la double flèche R. Sur cette tige filetée 109 est monté un écrou 120 qui est apte à se déplacer verticalement dans la direction de la double flèche V, mais qui est immobilisé en rotation par rapport à la tige filetée 109. Cet écrou 120 comporte un doigt 121 destiné à actionner la tige de commande 16 précitée. De manière analogue au mode de réalisation des figures 1 et 2, le disque 117 comporte une encoche 14 à travers laquelle passe une tige de butée d'arrêt 115 reliant les plaques inférieures et supérieures 101 précitées. Sur les figures 1 et 2, l'ensemble du rotor-écrou 7 et de la tige filetée 9 et sur la figure 3, l'ensemble de la tige filetée 109 et de l'écrou 120 forment chacun un vérin à vis pour déplacer, par exemple en translation linéaire, une tige de commande 16. On va maintenant brièvement décrire le fonctionnement de l'actionneur de l'invention. Dans la position d'équilibre illustrée sur la figure 2, la bobine 3 n'est plus alimentée en courant, mais le rotor 7 reste en position stable en raison de l'attraction qui subsiste entre l'aimant 12 et le noyau 4 en matériau magnétique doux. Bien entendu, si la bobine était alimentée en permanence de manière à présenter un pôle opposé, cette position d'équilibre serait encore plus stable. Dans cette position, nous pouvons supposer que la tige de commande 16 est dans une position escamotée libérant la rotation du clapet 17 pour permettre à un pistolet de remplissage de repousser le clapet 17 vers l'intérieur de la tubulure 18 à l'encontre de la force de rappel du ressort 19, Lorsque l'utilisateur souhaite verrouiller le clapet 17, il envoie un signal de commande pour inverser le sens de circulation du courant dans la bobine 3, ce qui a pour effet d'inverser la polarité du noyau 4 qui se trouve dans le champ magnétique induit par la bobine 3. Dès lors, le noyau 4 et l'aimant 12 présentent la même polarité et une force de répulsion est engendrée entre eux. Etant donné que l'axe du noyau 4 et l'axe de l'aimant 12 ne sont pas alignés mais angulairement décalés d'un angle OL, la force de répulsion mutuelle présente une composante tangentielle en sin(cr) qui déclenche la rotation du rotor 7 dans la direction horaire. Au cours de la rotation du rotor 7, la force de répulsion décroît car l'aimant 12 s'éloigne du noyau 4, mais cette diminution de la force de répulsion est compensée par le fait que sa composante tangentielle augmente et que s'y ajoute la force d'attraction entre le noyau 4 et l'autre aimant 13 qui présente une polarité opposée au noyau. Ainsi, on peut obtenir un couple de rotation du rotor 7 sensiblement constant pendant toute sa course en choisissant des angles a et A adaptés. La rotation du rotor 7 sera interrompue lorsque la butée d'arrêt 15 viendra en appui contre la face radiale opposée de l'encoche 14 du rotor 7. Dans cette position, l'axe de la bobine reste angulairement décalé d'un angle a de l'axe de l'aimant 13, ce qui permet le retour en sens inverse, c'est-à-dire dans le sens anti-horaire du rotor 7, lorsque la polarité de la bobine est inversée à nouveau. Lorsque le rotor 7 a atteint sa position de fin de course, l'alimentation de la bobine 3 peut être interrompue, car le noyau 4 est simplement attiré par l'aimant 13 avec une force suffisante pour maintenir de manière stable le rotor 7 en position grâce à l'aimant 13. Au cours de la rotation du rotor 7, ce dernier ne pouvant pas se déplacer verticalement, la tige filetée 9 est entraînée en translation verticale V, car elle est immobilisée en rotation par la tige de guidage de section carrée 11. Ainsi, la tige 9 peut déplacer la tige de commande 16 dans sa position de verrouillage, comme illustré sur la figure 4, où l'extrémité libre 16a dépasse au niveau de l'épaulement de butée 18a de la tubulure 18 qui est destiné à recevoir le sommet 17b du clapet 17 en position de fermeture. On comprend donc que si la tige de commande 16 est sollicitée en position de verrouillage avant que le clapet 17 ait été rappelé en position de fermeture par le ressort 19, par exemple si le pistolet de remplissage n'a pas encore été retiré, le sommet 17b du clapet 17 viendra en appui contre la rampe 1 6a de la tige de commande 16 pour la repousser en arrière dans la direction V et permettre ainsi la fermeture étanche du clapet 17 contre l'épaulement 1 8. Il est en effet essentiel pour la sécurité du véhicule que le clapet soit fermé, même si non verrouillé, lorsque le pistolet de remplissage est retiré. Le retour en arrière de la tige de commande 16 sous l'action du clapet 17 est rendu possible car l'actionneur de l'invention est facilement réversible, le rotor 7 pouvant tourner en sens inverse, même en présence d'une aimantation rémanente du noyau 4. Par ailleurs, pour éviter que le rotor 7 bascule vers un aimant ou vers l'autre lors d'un choc frontal, on pourra prévoir une surépaisseur de matière dans le rotor 7 ou une masse d'équilibrage ajoutée de façon que le centre de gravité de l'ensemble du rotor avec ses aimants 12 et 13 soit confondu avec l'axe de rotation de celui-ci. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Actionneur électromagnétique multi-stable (1, 101) pour actionner le déplacement d'un organe de commande (16) en réponse à une inversion de sens du courant circulant dans la bobine (3) de l'électro-aimant (2), caractérisé par le fait que la bobine (3) comporte un noyau ferromagnétique doux fixe (4) qui est agencé face à la périphérie d'un rotor (7, 117), le rotor portant au moins deux pièces polaires à aimantation permanente (12, 13) angulairement espacées à sa périphérie avec des polarités alternativement opposées, le rotor étant agencé pour actionner le déplacement de l'organe de commande (16) lors de sa rotation, et par le fait que l'axe du noyau (4) est agencé de façon à ne pas coïncider avec l'axe de la pièce polaire de polarité opposée, qui en est la plus proche, lorsque l'actionneur est dans chacune de ses positions d'équilibre, afin que, lors de l'inversion de polarité de la bobine (3), la force de répulsion engendrée entre la pièce polaire et le noyau de même polarité en vis-à-vis présente une composante tangentielle suffisante pour provoquer la rotation du rotor dans une direction déterminée. 2 - Actionneur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans chaque position d'équilibre de l'actionneur, l'axe du noyau (4) forme avec la pièce polaire (12, 13) en vis-à-vis un angle suffisant (,) pour que la composante tangentielle de la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de la polarité de la bobine (3), provoque le couple requis entre le rotor (7, 117) et l'organe de commande (16) pour déplacer ce dernier. 3 - Actionneur selon les revendications l ou 2, caractérisé par le fait que l'espacement angulaire (A) entre deux pièces polaires (12, 13) consécutives est déterminé de façon que la force globale, résultant de la somme de la force de répulsion de la pièce polaire de même polarité et de la force d'attraction de la pièce polaire de polarité opposée qui s'appliquent de part et d'autre du noyau (4), présente une composante tangentielle suffisante pendant toute la course du rotor (7, 117) pour provoquer le couple requis entre le rotor et l'organe de commande (16) pour déplacer ce dernier. 4 - Actionneur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'actionneur est bi-stable et que le rotor (7, 117) porte deux pièces polaires (12, 13) de polarités opposées présentant un espacement angulaire (A) suffisant pour obtenir le déplacement requis de l'organe de commande (16), et un moyen de butée (14, 15, 115) est prévu pour limiter le débattement angulaire (A-2a) du rotor à une course inférieure à l'espacement angulaire (A) des deux pièces polaires pour éviter que l'axe du noyau (4) puisse coïncider avec l'axe des pièces polaires, l'axe du noyau étant agencé entre les positions de fin de course des axes des deux pièces polaires de façon que, dans chacune des deux positions d'équilibre, la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de polarité de la bobine (3), présente une composante tangentielle dirigée respectivement dans le sens horaire et anti-horaire. 5 - Actionneur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les pièces polaires (12, 13) ont une aimantation radiale et l'axe de la bobine (3) s'étend dans une direction radiale par rapport au rotor (7, 117). 6 - Actionneur selon l'une des revendications l à 3, caractérisé par le fait que les pièces polaires de l'actionneur multi-stable sont régulièrement espacées sur la périphérie du rotor, l'axe du noyau étant agencé par rapport au rotor de façon que dans chacune des positions d'équilibre, la force de répulsion engendrée lors de l'inversion de polarité de la bobine, présente une composante tangentielle dirigée dans le même sens rotationnel. 7 - Actionneur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les pièces polaires présentent une aimantation radiale et l'axe du noyau s'étend dans une direction non radiale avec un angle déterminé par rapport au rayon passant par le centre du rotor et le centre de la bobine. 8 - Actionneur selon l'une des revendications l à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un vérin à vis axialement solidaire du rotor (7, 117) pour provoquer le déplacement de l'organe de commande (16), le rotor étant solidaire en rotation d'un élément de l'ensemble constitué de la vis (9, 109) et de l'écrou (7, 120), alors que l'organe de commande est déplacé par la translation de l'autre élément dudit ensemble. 9 - Actionneur selon l'une des revendications l à 8, caractérisé par le fait que le rotor (7, 117) est agencé de façon que son centre d'inertie soit confondu avec son centre de rotation. 10 - Véhicule automobile à commande de verrouillage centralisée de l'accès à la tubulure (18) du réservoir de carburant, ladite tubulure étant munie d'un clapet interne (17) apte à être poussé par un pistolet de remplissage en position d'ouverture, caractérisé par le fait qu'il est équipé de l'actionneur (1, 101) selon l'une des revendications précédentes pour commander le verrouillage/déverrouillage du clapet interne de la tubulure par déplacement d'une tige de commande. 11 - Véhicule automobile selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la tige de commande (16) comporte une rampe (16a) à son extrémité libre adaptée pour coopérer avec le clapet (17) pour repousser la tige en position déverrouillée lorsque celle-ci a été préalablement actionnée en position verrouillée et que le clapet est rappelé élastiquement en position de fermeture à partir de sa position d'ouverture.