Brevet FR2805386A1 — publié le 20010824

La présente invention concerne les électroaimants bistables, permettant de commander par exemple une vanne de fluide en tout ou rien, par une impulsion électrique qui amène l'électroaimant alternativement dans l'une ou 'autre de deux positions limites stables. on connaît des électroaimants à fonctionnement bistable, comprenant un noyau magnétique allongé à deux extrémités reliées une zone intermédiaire, le noyau magnétique étant mobile en translation axiale entre une première position axiale limite et une seconde position axiale limite. Une armature magnetique, ayant un premier pôle d'extrémité placé axialement en regard de la première extrémité du noyau, présente un second pôle magnétique latéral. Un aimant permanent est inséré entre le pôle magnétique latéral armature et la zone intermédiaire du noyau, en laissant un faible entrefer entre l'aimant et le noyau pour permettre le coulissement du noyau. Une première bobine électrique est adaptée pour générer une induction magnétique dans le premier circuit magnétique formé l'aimant, par le noyau et par la partie d'armature reliant le premier pôle d'extrémité et le pôle latéral. Un ressort rappelle le noyau en seconde position axiale limite. En fonctionnement, 'aimant retient le noyau en première position axiale limite ou position stable, dans laquelle le circuit magnétique principal est fermé. Le ressort sollicite le noyau à l'écart de cette première position stable, mais avec une force inférieure à celle de l'aimant. Une impulsion électrique d'intensité appropriée dans la bobine d'induction neutralise le flux magnétique généré par l'aimant, pour laisser alors le ressort repousser le noyau en deuxième position axiale limite. Dans cette seconde position axiale limite, le ressort a une force supérieure à celle du circuit magnétique ouvert de l'aimant, de sorte que cette seconde position est également stable. Une nouvelle impulsion magnétique, dans le sens ajoutant un flux magnétique à celui de l'aimant, permet de vaincre la force de retenue de ressort pour ramener le noyau en première position axiale limite. Cette disposition connue présente des inconvénients. En effet, la force de retenue en seconde position axiale limite est assurée par la seule force du ressort qui est alors détendu. Cette force de retenue est nécessairement limitée, à défaut de quoi il ne serait pas possible de rappeler le noyau en première position axiale limite par une impulsion électrique. D'autre part, si l'on veut utiliser un ressort assurant une force de retenue importante en seconde position axiale limite, il faut alors utiliser un aimant puissant qui assure, en première position axiale limite, une force de retenue égale à au moins deux fois celle du ressort tendu. Cela conduit à augmenter l'encombrement de l'électroaimant bistable, et la force de retenue développée par le ressort en seconde position axiale limite reste cependant limitée, et généralement insuffisante pour s'opposer efficacement aux vibrations ou autres sollicitations mécaniques extérieures. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure d'électroaimant bistable qui assure une force de retenue satisfaisante dans 1 une et l'autre des positions axiales limites du noyau, tout en réduisant l'encombrement du système. Ainsi, avec un dispositif selon l'invention, il est possible de tenir une vanne avec une force satisfaisante dans l'une et l'autre des positions stables. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit un électroaimant bistable comprenant - un noyau magnétique allongé à deux extrémités reliées par une zone intermédiaire, le noyau magnétique étant mobile en translation axiale entre une première position axiale limite et une seconde position axiale limite, - armature magnétique, ayant un premier pôle d'extrémité placé axialement en regard de la première extrémité noyau magnétique, et ayant un pôle latéral, - aimant permanent inséré entre le pôle latéral de l'armature et la zone intermédiaire du noyau magnétique, avec un faible entrefer entre l'aimant permanent et le noyau magnétique - première bobine d'induction adaptée pour générer une induction magnétique dans le premier circuit magnétique formé par l'aimant permanent, par le noyau magnétique et par la première portion d'armature entre le premier pôle d'extrémité et le pôle latéral, - des moyens pour rappeler et retenir le noyau magnétique en seconde position axiale limite ; selon l'invention, l'armature comprend un second pôle d'extrémité placé axialement en regard de la seconde extremité du noyau magnétique ; la deuxième portion d'armature comprise entre le pôle latéral et le second pôle d'extrémité forme ainsi avec l'aimant permanent et le noyau magnétique un second circuit magnétique participant au maintien du noyau magnétique en deuxième position axiale limite. De la sorte, en première position axiale limite, noyau ferme le premier circuit magnétique et se trouve ainsi maintenu dans cette position par l'effet de l'aimant ; en seconde position axiale limite, le noyau ferme le second circuit magnétique et se trouve ainsi maintenu dans cette seconde position par l'effet de l'aimant ; la bobine permet d'annuler sélectivement l'induction magnétique produite par l'aimant dans le premier circuit magnétique pour autoriser le déplacement du noyau vers sa seconde position axiale limite sous l'action d'une force extérieure ; et la bobine permet ajouter une induction magnétique supplémentaire à celle produite par l'aimant dans le premier circuit magnétique pour provoquer le déplacement du noyau vers sa première position axiale limite a l'encontre de la force extérieure. De préférence, la première bobine d'induction logée autour tronçon axial de l'armature et du noyau magnétique. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens pour rappeler et retenir le noyau magnétique seconde position axiale limite comprennent un ressort sollicitant axialement le noyau magnétique vers sa seconde position axiale limite. Dans ce cas, on prévoit avantageusement que la surface de contact entre la seconde extrémité du noyau magnétique et second pôle d'extrémité d'armature est réduite, pour limiter la force de retenue noyau magnétique en seconde position axiale limite. Cela limite, simultanément, l'induction magnétique supplémentaire qui est nécessaire pour le décollement et le déplacement du noyau magnétique vers la première position axiale limite. Selon un second mode de réalisation de l'invention, les moyens pour rappeler et retenir le noyau magnétique en seconde position axiale limite comprennent une seconde bobine d'induction insérée dans le second circuit magnétique et générant dans ce second circuit magnétique une induction provoquant l'attraction du noyau magnétique vers sa seconde position axiale limite. Dans ce cas, les deux circuits magnétiques peuvent être symétriques, les première et seconde bobines d'induction étant identiques et connectées électriquement en série pour produire des champs magnétiques dans le même sens. Dans le mode de réalisation à deux bobines, l'électroaimant bistable est associé à des moyens d'alimentation en énergie électrique, connectés aux bobines d'induction de manière à générer une induction magnétique annulant sensiblement l'induction magnétique permanente due à l'aimant permanent dans le circuit magnétique initialement fermé par le noyau magnétique, et à générer dans l'autre circuit magnétique une induction magnétique s'ajoutant à celle produite par l'aimant permanent D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue de côté coupe longitudinale d'un électroaimant bistable selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; et - la figure 2 est une vue de côté coupe longitudinale d'un électroaimant bistable selon un second mode de réalisation de la présente invention. Dans les deux modes de réalisation illustrés sur les figures, un électroaimant bistable selon l'invention comprend un noyau magnétique 1 allongé à deux extremités 2 et 3 reliées par une zone intermédiaire 4. Le noyau magnétique 1 est mobile en translation axiale selon l'axe longitudinal I-I de l'électroaimant entre une première position axiale limite et une seconde position axiale limite. Dans la première position axiale limite, le noyau magnétique 1 est déplacé vers le bas sur les figures. Dans la seconde position axiale limite, le noyau magnétique 1 est repoussé vers le haut sur les figures 1 et 2. L'électroaimant bistable comprend une armature 5 magnétique ayant un premier pôle d'extrémité 6 placé axialement en regard la première extrémité 2 du noyau magnétique 1, et ayant un pôle latéral 7 placé latéralement au niveau de la zone intermédiaire 4 du noyau magnétique 1. aimant permanent 8 est inséré entre le pôle latéral 7 de l'armature 5 et la zone intermédiaire 4 du noyau magnétique 1, avec un faible entrefer 9 éventuellement occupé par un diélectrique entre 1 aimant permanent 8 et le noyau magnétique 1. L'un des pôles de l'aimant permanent 8 est en regard du pôle latéral 7 de l'armature 5, et l'autre pôle de l'aimant permanent est en regard de la zone intermédiaire 4 du noyau magnétique 1. Une première bobine d'induction 10 est adaptée pour générer une induction magnétique dans le premier circuit magnétique formé l'aimant permanent 8, par le noyau magnétique 1 et par la première portion d'armature 20 située entre le premier pôle d'extrémité 6 et le pôle latéral 7. 'armature 5 comprend un second pôle d'extrémité 11 placé axialement en regard de la seconde extrémité 3 du noyau magnétique 1. La deuxième portion d'armature 12 comprise entre pôle latéral 7 et second pôle d'extrémité 11 forme avec l'aimant permanent 8 et le noyau magnétique 1 un second circuit magnétique susceptible de participer au maintien du noyau magnétique en deuxième position axiale limite. En première position axiale limite, la première extrémité 2 du noyau magnétique 1 est en contact du premier pole d'extrémité 6 de 1 armature 5, et le noyau magnétique 1 ferme ainsi le premier circuit magnétique et se trouve ainsi maintenu dans cette position par l'effet de l'aimant permanent 8. En seconde position axiale limite, le noyau magnétique 1 est déplacé vers le haut, et sa seconde extrémité 3 est en contact du second pôle d'extrémité 11 de l'armature 5. Le noyau magnétique 1 ferme alors le second circuit magnétique et se trouve ainsi maintenu dans cette position par l'effet de l'aimant permanent 8. Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, noyau magnétique 1 est sollicité vers sa seconde position axiale limite par un ressort 13, qui assure son rappel son maintien en seconde position axiale limite. Lorsque le noyau magnétique 1 se trouve en première position axiale limite, il est maintenu dans cette position la force produite par l'aimant permanent 8 qui est choisi de façon à produire une force supérieure à la force de rappel exercée le ressort 13. Pour déplacer le noyau magnétique vers sa seconde position axiale limite, on envoit dans la première bobine d'induction une impulsion électrique, selon le sens approprié et selon l'intensité appropriée, qui annule le champ magnétique traversant le premier circuit magnétique, en créant une induction égale et opposée à celle produite par l'aimant permanent 8. Le noyau magnétique 1 est alors soumis à la seule force de rappel du ressort 13, qui le déplace vers sa seconde position axiale limite, c'est-à-dire vers le haut sur la figure 1. Dans cette seconde position axiale limite, l'aimant permanent 8 assure le maintien du noyau magnétique, en complément de la force exercée par le ressort 13. En faisant passer dans la première bobine d'induction 10 une impulsion électrique de sens approprié et d'intensité superieure, on produit dans le premier circuit magnétique une induction magnétique qui vient s'ajouter à celle produite par l'aimant permanent 8 dans ce même premier circuit magnétique. Si l'induction est suffisante, elle produit sur le noyau magnétique 1 une force dirigée vers la première position axiale limite qui est supérieure à la somme de la force de retenue du ressort 13 et de la force de retenue de l'aimant permanent 8 vers la seconde position axiale limite. Le noyau magnétique 1 se déplace alors vers sa première position axiale limite, dans laquelle il est ensuite maintenu par la seule action de l'aimant permanent 8 dans le premier circuit magnétique. Dans ce premier mode de réalisation, on comprend que l'impulsion électrique nécessaire pour ramener le noyau magnétique 1 vers sa première position axiale limite est plus importante que l'impulsion électrique nécessaire pour laisser repartir le noyau magnétique 1 vers la seconde position axiale limite. Pour éviter d'avoir recours à une impulsion électrique trop élevée, on réduit avantageusement la surface de contact entre la seconde extrémité 3 du noyau magnétique 1 et le second pôle d'extrémité de l'armature 5, limitant ainsi la force de retenue du noyau magnétique 1 en seconde position axiale limite par l'effet de l'aimant permanent 8. Dans le second mode de réalisation, illustré sur la figure 2, seconde bobine d'induction 14 est insérée dans le second circuit magnétique, et génère dans ce second circuit magnétique une induction provoquant l'attraction du noyau magnétique 1 vers sa seconde position axiale limite. Dans la réalisation illustrée sur la figure 2, le circuit magnétique inférieur est sensiblement identique au circuit magnétique supérieur, et les première bobine d'induction et seconde bobine d'induction 14 sont identiques et connectées électriquement en série. Dans ce cas, pour passer d'une position axiale limite à l'autre, il suffit d'envoyer dans l'une et 1 autre des bobines d'induction 10 et 14 une impulsion électrique produisant une induction égale et opposée à celle produite par l'aimant permanent 8 dans le circuit magnétique initialement fermé par le noyau magnétique 1. Simultanément, l'impulsion électrique génère dans l'autre circuit magnétique une induction qui s'ajoute à celle produite par l'aimant permanent 8, et qui attire le noyau magnétique 1 vers son pôle d'extrémité respectif. Dans ce cas, l'électroaimant bistable assure une force de maintien égale du noyau magnétique 1 dans l'une et l'autre des positions axiales limites. Les impulsions électriques nécessaires dans ce second mode de réalisation pour provoquer le déplacement du noyau magnétique 1 sont inférieures à celles nécessaires dans le mode de réalisation de la figure 1 pour ramener le noyau magnétique en première position axiale limite. Dans l'un et l'autre des modes de réalisation, la première bobine d'induction 10 peut avantageusement être logée autour d'un tronçon axial 15 de l'armature 5 et du noyau magnétique 1. Les électroaimants bistables selon l'invention sont associés à des moyens d'alimentation en énergie électrique, connectés aux bobines d'induction de manière à générer les inductions appropriées provoquant le déplacement du noyau magnétique 1, comme précédemment indiqué. Dans l'un et l'autre des modes de réalisation, le noyau magnétique 1 est avantageusement associé à une tige axiale de man#uvre 16, permettant de transmettre le mouvement du noyau magnétique 1 à un élément mécanique extérieur que l'électroaimant doit entraîner. armature 5 peut être une armature à section rectangulaire, c'est-à-dire formée d'une bande de section généralement rectangulaire repliée pour former trois angles comme représente sur la figure 1, ou repliée pour former deux angles complétés par une bande transversale comme illustré la figure 2. alternative, l'armature 5 peut être une armature cylindrique de révolution autour de l'axe longitudinal, dans le mode de réalisation de la figure 2, comportant une portion inférieure tubulaire fermée par un couvercle. peut concevoir, également, une structure simplifiée dans laquelle l'armature 5 comporte seulement les branches latérales de gauche sur la figure 1, en supprimant la branche latérale droite. Le noyau magnétique 1 et l'armature 5 sont avantageusement constitués de matériaux à grande susceptibilité magnétique, par exemple en fer doux ou en autres matériaux ferromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS - Electroaimant bistable comprenant - un noyau magnétique (1) allongé à deux extrémités (2, 3) reliées par une zone intermédiaire (4), le noyau magnétique étant mobile en translation axiale entre une première position axiale limite et une seconde position axiale limite, - une armature (5) magnétique, ayant un premier pôle d'extrémité (6) place axialement en regard de la première extrémité (2) du noyau magnétique (1), et ayant un pôle latéral (7), - un aimant permanent (8) inséré entre le pôle latéral (7) de l'armature (5) et la zone intermédiaire (4) du noyau magnétique (1) avec un faible entrefer (9) entre l'aimant permanent (8) et le noyau magnétique (1), - une première bobine d'induction (10) adaptée pour génerer une induction magnétique dans le premier circuit magnétique formé par l'aimant permanent (8), par le noyau magnétique (1) et par la première portion d'armature (20) entre le premier pôle d'extrémité (6) et le pôle latéral (7), - des moyens (13 ; 14) pour rappeler et retenir le noyau magnétique (1) en seconde position axiale limite, caractérisé en ce que l'armature comprend un second pôle d'extrémité (11) placé axialement en regard de la seconde extrémité (3) du noyau magnétique (1), la deuxième portion (12) d'armature comprise entre le pôle latéral (7) et le second pôle d'extrémité (11) formant avec l'aimant permanent (8) et le noyau magnétique (1) un second circuit magnétique participant au maintien noyau magnétique (1) en deuxième position axiale limite. 2 - Electroaimant bistable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première bobine d'induction (10) logée autour d'un tronçon axial (15) de l'armature (5) et du noyau magnétique (1). 3 - Electroaimant bistable selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour rappeler et retenir le noyau magnétique (1) en seconde position axiale limite comprennent un ressort (13) sollicitant axialement le noyau magnétique (1) vers sa seconde position axiale limite. 4 - Electroaimant bistable selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de contact entre la seconde extrémité (3) du noyau magnétique (1) et le second pôle d'extrémité (11) l'armature (5) est réduite, pour limiter la force de retenue du noyau magnétique (1) en seconde position axiale limite. 5 - Electroaimant bistable selon l'une des revendications 1 ou caractérisé en ce que les moyens pour rappeler et retenir le noyau magnétique (1) en seconde position axiale limite comprennent une seconde bobine d'induction (14) insérée dans le second circuit magnétique, et générant dans ce second circuit magnétique une induction provoquant l'attraction du noyau magnétique (1) vers sa seconde position axiale limite. 6 - Electroaimant bistable selon la revendication caractérisé en ce que les deux circuits magnétiques sont symétriques, et les première bobine d'induction (10) et seconde bobine d'induction (14) sont identiques et connectées électriquement en série. 7 - Electroaimant bistable selon l'une des revendications 5 ou caractérisé en ce que l'électroaimant est associé à moyens d'alimentation en énergie électrique, connectés aux bobines d'induction (10, 14) de manière à générer une induction magnétique annulant sensiblement l'induction magnétique permanente due l'aimant permanent (8) dans le circuit magnétique initialement fermé par le noyau magnétique (1), et à générer dans l'autre circuit magnétique une induction magnétique s'ajoutant à celle produite par l'aimant permanent (8). 8 - Electroaimant bistable selon l'une quelconque revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le noyau magnétique (1) est associé à une tige axiale de manoeuvre (16). 9 - Electroaimant bistable selon l'une quelconque revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'armature (5) présente une section rectangulaire. 10 - Electroaimant bistable selon l'une quelconque revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'armature (5) a une forme cylindrique de révolution.