Brevet FR2792765A1 — publié le 20001027

ACTIONNEUR LINEAIRE ELECTROMAGNETIQUE A CAPTEUR DE POSITION L'invention concerne les actionneurs électromagnétiques destinés à déplacer en translation linéaire une palette portant une tige d'entraînement, suivant l'axe de la tige. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les actionneurs permettant d'amener une soupape alternativement dans une position d'ouverture et une position de fermeture et notamment dans ceux destinés aux soupapes d'un moteur à combustion interne, à allumage par étincelles ou par compression. La demande de brevet français n 98 12489 décrit un actionneur électromagnétique, ayant, dans un boîtier, un circuit ferromagnétique définissant un intervalle de débattement axial d'une palette en matériau ferromagnétique d'entraînement d'une tige entre deux positions extrêmes d'appui de la palette sur des pôles du circuit ferromagnétique, des moyens de rappel élastiques prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position médiane entre les positions extrêmes, et au moins une bobine portée par le circuit et permettant d'amener alternativement la palette dans les deux positions extrêmes. Les moyens électromagnétiques peuvent comporter deux bobines placées de part et d'autre de la palette et dont l'excitation attire respectivement la palette dans un sens tendant à fermer une soupape et un second électro-aimant, placé de l'autre côté de la palette, dont l'excitation tend par exemple à amener une soupape dans la position de pleine ouverture. Le mode de réalisation décrit dans la demande de brevet n 98 12489, auquel on pourra se reporter, a au contraire une bobine unique montée sur un circuit ferromagnétique de construction telle qu'il présente, en combinaison avec la palette, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant l'un et l'autre à une valeur nulle d'entrefer entre la palette et un pôle du circuit ferromagnétique. Un fonctionnement satisfaisant d'un tel actionneur implique un réglage initial tel que la palette soit au repos dans une position médiane entre ses positions extrêmes. Pour cela on peut prévoir des organes de réglage de la compression initiale d'un des ressorts, tels que ceux décrits dans la demande française déposée le même jour que la présente demande pour "Dispositif réglable de commande de soupapes et procédé de réglage d'un tel dispositif". O10 Mais encore faut-il disposer d'un capteur de position de la palette permettant de déterminer la position de cette palette dans l'intervalle ou entrefer définis par les pôles. Un bon fonctionnement exige de plus que 1' énergie fournis à la bobine ou aux bobines soit suffisante pour garantir une course complète de la palette, mais non excessive afin d'éviter un choc terminal qui provoquerait du bruit et de l'usure. Pour résoudre le second problème, la demande 98 12940 dose l'énergie appliquée pendant la phase finale du déplacement de la palette en mesurant la réluctance des bobines, ce qui implique un circuit ferromagnétique tel qu'il y ait une relation quasi linéaire entre la réluctance R (x) et l'entrefer x au cours des dernières fractions du parcours avant collage de la palette contre les pôles du circuit ferromagnétique. Cette approche ne permet pas de mesurer la position de repos de la palette. L'invention vise notamment à fournir un actionneur du type ci-dessus défini muni de moyens permettant de déterminer la position de repos de la palette de façon précise. Dans ce but elle propose notamment un actionneur dont la tige porte un barreau à aimantation radiale de longueur au moins égale au débattement de la palette et dont le boîtier porte un capteur de flux magnétique placé dans une zone d'exposition faible au champ induit par le courant passant dans une bobine. Ce capteur peut notamment être un capteur de Hall. Un capteur à effet Hall a une réponse sensiblement linéaire en fonction du champ, ce qui permet de suivre le déplacement de l'aimant par mesure du signal de sortie. Par ailleurs la dérive de ce capteur, thermique ou par vieillissement, est lente ce qui permet de n'effectuer que des recalibrages périodiques pour repérer le signal correspondant à la position médiane de la palette. En conséquence l'invention propose également un procédé de réglage d'actionneur suivant lequel: - on amène la palette dans une de ses positions extrêmes par alimentation d'une ou de la bobine et on mesure le signal de sortie du capteur, - on amène la palette dans l'autre position extrême et on mesure le signal de sortie du capteur, et - on détermine le signal de sortie correspondant à la position médiane de la palette à partir des signaux mesurés. Dans le cas d'un actionneur à une seule bobine, du genre décrit dans la demande 98 12489, l'intensité du champ magnétique dans le plan de symétrie du circuit magnétique passant par l'axe de la palette est suffisamment faible pour que le capteur puisse y être placé sans précautions particulières. On place la normale au plan de l'élément sensible de la sonde dans ce plan de symétrie. Dans un montage à deux bobines au contraire, o les deux bobines sont orientées dans des plans orthogonaux à l'axe de déplacement, il sera en général nécessaire de blinder les "chignons" des bobines, par exemple en réalisant la culasse de l'actionneur en matériau ferromagnétique. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 montre un actionneur de soupape auquel est applicable l'invention, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la soupape; - la figure 2 est une vue de détail destinée à montrer la constitution de moyens de mesure de position selon un mode de réalisation; - la figure 3 montre une fraction d'une variante de la figure 2. L'actionneur 10 montré en figure 1 est du type décrit dans la demande FR 98 12940 et destiné à commander une soupape de moteur. Il comporte un boîtier destiné à être monté sur la culasse 12 d'un moteur, constitué de plusieurs pièces empilées et assemblées par des moyens non représentés, tels que des vis. Ces pièces sont en matériau non ferromagnétique, par exemple en alliage léger. Le boîtier peut être fixé sur la culasse 12 par l'intermédiaire d'une cale 20 également en matériau non ferromagnétique. L'actionneur comporte une palette mobile 22 en matériau ferromagnétique, avantageusement feuilleté pour réduire les pertes. Elle est fixée sur une tige 24 d'entraînement de la soupape 25. La palette a une forme rectangulaire et ne peut pas tourner dans le boîtier. La tige 24 peut être guidée par une bague 26 fixée à un prolongement annulaire ou cheminée du boîtier. Deux ressorts de rappel 28a et 28b sont prévus pour maintenir la soupape au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture de la soupape. Le ressort 28a est comprimé entre un plateau 30 fixé à la tige 24 et des moyens non représentés de réglage de la compression du ressort. L'autre ressort 28b est comprimé entre un plateau 31 S fixé à la queue de soupape et le fond du puits de soupape ménagé dans la culasse. L'actionneur peut aussi être utilisé avec un ressort unique travaillant en traction/compression et complété d'un amortisseur élastique assurant l'étanchéité à la fermeture de la soupape, comme indiqué dans le brevet français No. 98 11 670, ce qui permet de constituer la tige et la queue de soupape d'une seule pièce. Le boîtier contient un circuit en matériau ferromagnétique 36, avantageusement feuilleté, délimitant un circuit ferromagnétique avec la palette, et une bobine 38 placée dans le noyau. Le circuit représenté peut être en deux parties complémentaires, en appui l'une contre l'autre ou d'un seul tenant. Les tôles constitutives de chaque moitié du noyau sont en forme de E. Les branches supérieures 42 du E s'engagent dans la bobine 36 qu'elles supportent par l'intermédiaire d'un mandrin 44. Les deux autres branches de chaque moitié délimitent un volume de débattement de la palette. L'appui de la palette contre le fond 46 du volume définit la position de pleine ouverture de la soupape. Le plafond 48 du volume est à un emplacement par rapport au siège de soupape tel que l'appui de l'armature n'empêche pas la soupape de se fermer. L'ensemble constitué par la palette, la soupape et le ressort constitue un système oscillant ayant une fréquence propre. En régime permanent, on alimente la bobine pour amener l'équipage mobile dans une position extrême puis sous un courant de maintien plus faible; puis on provoque le déplacement de l'équipage mobile dans l'autre sens, jusqu'à appui, par suppression du courant, puis rétablissement lorsque la palette a atteint un position telle qu'elle est attirée vers l'autre pôle. Le courant dans la bobine peut être asservi à l'aide d'une boucle de régulation, par le procédé décrit dans la demande 98 12940, en fin de course de la palette. La dissymétrie naturelle du circuit de flux supérieur par rapport au circuit de flux inférieur peut être accentuée en donnant des inclinaisons différentes aux surfaces polaires supérieure et inférieure et aux surfaces en regard de la palette. L'actionneur dont une partie est montrée en figure 2 comporte un dispositif de réglage de la position de repos de la palette par action sur la compression du ressort 28a. Ce dispositif est constitué d'une roue dentée 50 en appui contre le boîtier et d'une bague taraudée 52 retenue en rotation par un clavetage coulissant sur le boîtier et recevant la force de compression du ressort 28a. Par rotation de la roue depuis l'extérieur, à l'aide de moyens qui peuvent être ceux décrits dans la demande de ce jour déjà mentionnés, il est possible d'ajuster la position de repos de la palette par rapport au boîtier. Un détecteur de mesure de position de la tige, et donc de la palette, par rapport au boîtier, comprend un barreau aimanté 54 fixé à la tige 24 et placé en regard d'un capteur de flux magnétique 56, qui sera généralement un capteur à effet Hall, fixé à la cheminée du boîtier. Le barreau a une longueur axiale L1 au moins égale au débattement de la palette et présente une aimantation radiale, de sorte que les lignes de force du champ qu'il créée lorsque le capteur est face au centre du barreau présente l'allure indiquée en figure 2. Si la tige est amagnétique, la partie métallique de la tige peut être séparée du barreau par une fourrure 58 en matériau ferromagnétique de guidage des lignes de force. Le capteur 56 est encadré par deux plaquettes 60 en matériau ferro- magnétique qui canalisent axialement le flux. La longueur axiale de la plaquette de part et d'autre du capteur est du même ordre que la longueur L1 du barreau. Les fils 62 de sortie du capteur 56 peuvent être placés dans une rainure de la cheminée. Si la tige est en matériau ferro-magnétique, le barreau peut être fixé directement sur un méplat de la tige. Le plan azimutal dans lequel est placé le détecteur est choisi pour que le sens qu'y induit la bobine soit faible. La symétrie du circuit magnétique fait que ce champ est pratiquement nul dans le plan de la figure 1. Dans le cas d'un montage à deux bobines, il n'existe pas un tel plan et en conséquence il est nécessaire de protéger le capteur contre l'effet du champ magnétique des parties des bobines qui sont hors du fer. Pour cela ces parties, souvent dénommées chignons, peuvent être blindées par des enveloppes minces en matériau ferromagnétique canalisant le flux. Dans la variante de réalisation montrée en figure 3, le barreau aimanté 54 est en trois tronçons successifs ayant des aimantations radiales inversées lorsqu'on passe d'un tronçon au suivant, ce qui permet de suivre de façon plus précise le déplacement de la palette du fait du flux plus important généré par l'aimant. Dans une autre variante encore, le barreau a trois zones aimantées différemment. L'utilisation d'aimants dont le champ rémanent reste fort (supérieur à 1 Tesla) même à température élevée (tels que ceux du type samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore) permet d'augmenter encore le flux dans la sonde et le rapport signal utile/perturbations provenant des bobines. g REVENDICATIONS 1. Actionneur électromagnétique ayant, dans un boîtier, un circuit ferromagnétique définissant un intervalle de débattement axial d'une palette (22) en matériau ferromagnétique d'entraînement axial d'une tige entre deux positions extrêmes d'appui de la palette sur des pôles du circuit ferromagnétique, des moyens de rappel élastiques (28a, 28b) prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position médiane entre les positions extrêmes, et au moins une bobine portée par le circuit et permettant d'amener alternativement la palette dans les deux positions, caractérisé en ce que la tige porte un barreau à aimantation radiale (54) de longueur au moins égale au débattement de la palette et en ce que le boîtier (14) porte un capteur de flux magnétique (56) placé dans une zone d'exposition faible au champ créé par la ou les bobines. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est un capteur de Hall. 3. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a une bobine unique (38) montée sur un circuit ferromagnétique de construction telle qu'il présente, en combinaison avec la palette, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant l'un et l'autre à une valeur nulle d'entrefer entre la palette et le circuit ferromagnétique. 4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur (56) est placé dans le plan de symétrie du circuit magnétique qui passe par l'axe de la palette. 5. Actionneur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est à une seule bobine, à palette feuilletée et à surfaces polaires biseautées et parallèles aux surfaces en regard de la palette. 6. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est à deux bobines orientées dans des plans orthogonaux à l'axe de déplacement et en ce que les chignons des bobines sont blindés magnétiquement. 7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le barreau aimanté (54) est en trois tronçons successifs ayant des aimantations radiales inversées lorsqu'on passe d'un tronçon au suivant. 8. Actionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le barreau comporte trois zones aimantées différemment. 9. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau du barreau est à champ rémanent supérieur à 1 Tesla à température élevée. 10. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que la tige est en matériauamagnétique et le barreau aimanté (54) est fixé sur une fourrure (58) de retour de flux magnétique. 11. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige est ferro-magnétique et le barreau aimanté est fixé sur un méplat de la tige. 12. Procédé de calibrage d'actionneur selon la revendication 1, suivant lequel: - on amène la palette dans une de ses positions extrêmes par alimentation d'une ou de la bobine et on mesure le signal de sortie du capteur, - on amène la palette dans l'autre position extrême et on mesure le signal de sortie du capteur, et - on détermine le signal de sortie correspondant à la position médiane de la palette à partir des signaux mesurés.