Brevet FR2839580A1 — publié le 20031114

La présente invention concerne une bobine d'allumage à aimant permanent à court-circuit magnétique. Elle trouve une application générale en électrotechnique et plus particulièrement dans les moteurs à combustion interne à allumage commandé dans lesquels la combustion du mélange gazeux dans le cylindre est provoquée par l'étincelle qui éclate entre les électrodes d'une bougie d'allumage. L'étincelle est produite par la haute tension provenant de l'enroulement secondaire d'une bobine d'allumage dont l'enroulement primaire est connecté à une source de tension via des moyens de commande. Lorsqu'un courant varie brusquement dans l'enroulement primaire, il se produit aux bornes de l'enroulement secondaire une tension qui est celle de l'enroulement primaire multipliée par le rapport de transformation de la bobine d'allumage. On connaît déjà (EP-B1-0352453) des bobines d'allumage comprenant un circuit magnétique fermé comportant un entrefer à l'intérieur duquel est inséré un aimant permanent de manière à ce que la direction de la magnétisation dudit aimant permanent soit de sens opposé à celle de la magnétisation induite dans le circuit magnétique lors de l'application de courant au primaire de la bobine d'allumage. Dans le brevet EP-B1-0352453, l'aire de l'aimant est choisie proche de l'aire de l'entrefer. L'aimant permanent se substitue à l'entrefer. En pratique, cet aimant permet de solliciter le circuit magnétique depuis la valeur du flux de saturation négatif jusqu'à la valeur de flux de saturation positif. Pour ce faire, il convient de doubler l'induction magnétique délivrée au primaire de la bobine, soit en doublant le nombre de spires au primaire, soit en doublant l'intensité primaire soit en jouant sur les deux grandeurs. L'énergie magnétique stockée dans la bobine se retrouve ainsi multipliée par 4 sans avoir augmenté la section du circuit magnétique donc l'encombrement de la bobine d'allumage. Toutefois, une telle démarche connue présente des inconvénients. En effet, lorsque l'induction est nulle dans le primaire de la bobine, l'aimant permanent produit un flux magnétique à la limite de la saturation négative du circuit magnétique. Lorsque cette induction atteint sa valeur nominale, le flux qu'elle tend à établir s'oppose à l'aimantation de l'aimant pour produire la valeur de flux de saturation positive dans le circuit magnétique. Il en résulte un champ magnétisant inverse dans l'aimant qui risque d'excéder la valeur au dessous de laquelle l'aimant perd ses propriétés magnétiques. Cette valeur dépend essentiellement du type et du procédé d'élaboration de l'aimant permanent considéré. rendant nécessaire le choix d'un aimant onéreux, par exemple du type samarium-cobalt Sm2Coi7 De plus, lorsque le circuit magnétique travaille dans le domaine linéaire, l'énergie stockée dans l'entrefer est inversement proportionnelle à la hauteur de l'entrefer donc de l'aimant. La hauteur de l'aimant est réduite à des valeurs nettement inférieures à 1mm. Les aimants ainsi obtenus sont fragiles - risque de casse lors du procédé d'élaboration et lors du procédé d'assemblage de la bobine d'allumage. La présente invention remédie à ces inconvénients. Elle vise notamment à fournir une bobine d'allumage dont le circuit magnétique utilise un aimant peu onéreux, relativement peu fragile et épais, ayant une bonne désaimantation, et apte à supporter l'induction inverse à sa polarité lorsque l'induction est maximale. Elle porte sur une bobine d'allumage comprenant un circuit magnétique fermé comportant un entrefer à l'intérieur duquel est disposé un aimant permanent et autour duquel est bobiné le bobinage de l'inducteur primaire. Selon une définition générale de l'invention, le dimensionnement de l'aimant par rapport à celui de l'entrefer est choisi de manière à former un espace d'air inoccupé par l'aimant dans ledit entrefer, le trajet magnétique dans l'espace d'air permettant de limiter la désaimantation dans l'aimant permanent. Ainsi, le dimensionnement de l'aimant est choisi de manière à limiter le champ magnétisant inverse. Un court-circuit magnétique oriente le flux préférentiellement hors de l'aimant. Il est alors possible de sélectionner des aimants permanents moins onéreux par exemple en NdFeB (Néodyme-Fer-Bore). De plus, le dimensionnement de l'aimant permet ici d'augmenter l'épaisseur de l'aimant. Ceci est obtenu sans réduire l'énergie maximale emmagasinable dans le circuit magnétique. Ainsi, la réluctance du système résulte de la mise en parallèle de la réluctance de l'aimant et de la réluctance de l'entrefer. De plus, l'épaisseur de l'aimant est choisie suffisante pour ne pas craindre la désaimantation ni le risque de casse lors de manipulation. De plus, l'entrefer peut être choisi de façon significative afin de diminuer sa réluctance. Ainsi, on obtient une bobine permettant d'obtenir une énergie maximale à section du circuit magnétique (dite section de fer ) et induction maximale donnée et de protéger l'aimant contre les risques de démagnétisation et de casse. En pratique, les sections de l'aimant permanent en regard de celles de l'entrefer sont choisies sensiblement de dimensions inférieures à celles des sections dudit entrefer de manière à former ledit espace d'air. De préférence, les hauteurs respectives de l'aimant et de l'entrefer et la section de l'espace d'air sont choisies pour ajuster de façon optimale la réluctance du circuit magnétique. Avantageusement, la hauteur de l'espace d'air est inférieure à celle de l'aimant. Selon une caractéristique importante de l'invention, dans le cas d'un circuit magnétique présentant un format du type E-I ou C-I, l'entrefer est disposé à une extrémité de la barre du I. Dans ce cas, la barre du I a une section parallélépipédique, et l'aimant a une section parallélépipédique. En variante, la barre du I a une section cylindrique, et l'aimant a une section cylindrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas d'un circuit de format du type C-I dans lequel l'entrefer est formé obliquement dans la barre du C, l'aimant permanent est placé perpendiculairement aux sections en biais de l'entrefer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci-après, et des dessins dans lesquels : - les figures 1A à 1C représentent schématiquement un circuit magnétique au format E-I selon l'invention, l'entrefer étant disposé à l'extrémité de la barre du 1, la figure 1 B étant une vue détaillée à l'échelle 3 : 1 de la zone A de la figure 1A et la figure 1C étant une vue en perspective de la figure 1A ; - les figures 2A à 2C représentent schématiquement un circuit magnétique au format C-I selon l'invention, l'entrefer étant disposé à l'extrémité de la barre du I, la figure 1B étant une vue détaillée à l'échelle 4 : 1 de la zone B de la figure 2A et la figure 2C étant une vue en perspective de la figure 2A ; - les figures 3A à 3C représentent schématiquement un circuit magnétique au format C-I selon l'invention, l'entrefer étant disposé en biais dans la barre du C, la figure 3B étant une vue détaillée à l'échelle 3 : 1 de la zone C de la figure 3A et la figure 3C étant une vue en perspective de la figure 3A ; - la figure 4 est un schéma équivalent du circuit magnétique selon l'invention ; et - la figure 5 est la caractéristique de l'aimant permanent utilisé dans l'invention. En référence aux figures 1A à 3C, une bobine d'allumage 1 comprend un circuit magnétique fermé 2 au format E-I ou C-I. Bien évidemment l'invention s'applique à d'autres formats de circuit magnétique. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le circuit 2 comporte un entrefer 3 à l'intérieur duquel est disposé un aimant permanent 4 et autour duquel est bobiné le bobinage de l'inducteur primaire 5. Dans les figures 1A à 1C, la barre du # a une section parallélépipédique, et l'aimant 4 a une section parallélépipédique. Dans les figures 2A à 2C, la barre du # a une section cylindrique, et l'aimant 4 a une section cylindrique. Dans les figures 3A à 3C, l'entrefer est formé obliquement dans la barre du C, et l'aimant permanent 4 est placé perpendiculairement aux sections en biais de l'entrefer 3. Le dimensionnement de l'aimant permanent 4 selon l'invention utilisent les grandeurs suivantes : LM hauteur de l'aimant LG hauteur de l'entrefer sans aimant SF : section du circuit magnétique (dite section de fer ) SM : section de l'aimant S'G : section de l'entrefer sans aimant (ici à la périphérie de l'aimant, de hauteur Le) SG : section totale de l'entrefer (Se = SM + S'G) La section totale de l'entrefer, SG, est partagée entre une section d'entrefer où le milieu magnétique est l'air et une section d'entrefer où le milieu magnétique est l'aimant permanent. Il existe donc deux chemins pour le flux magnétique. Lorsque l'induction dans la bobine va croître, le flux va préférentiellement passer dans l'entrefer d'air limitant ainsi la désaimantation dans l'aimant. Selon l'invention un court-circuit magnétique est donc bien réalisé. En pratique, la présente invention permet, pour une même section de circuit magnétique (donc un même encombrement de la bobine) d'augmenter sensiblement l'épaisseur de l'aimant (qui passe par exemple de 0,5mm à 1,3 mm). Il est ainsi nettement moins cassant. De plus, l'invention permet de sélectionner un aimant permanent de champ coercitif HCJ réduit. Par exemple, un aimant NdFeB peut être employé en remplacement d'un grade très spécifique d'aimant Sm2Co17. La réduction de coût est substantielle. En référence à la figure 5, la caractéristique de l'aimant permanent permet d'étayer le résultat obtenu par un dimensionnement optimal de l'aimant selon l'invention. Sur cette caractéristique, les notations suivantes sont utilisées : #M. flux magnétique de l'aimant, il vaut : M = BM # SM où BM : densité de flux magnétique dans l'aimant (exprimé en Tesla), #RM. flux magnétique produit par la densité de flux rémanent BR de l'aimant, Um : potentiel magnétique dans l'aimant, il vaut : Um = - HM x LM, HM. champ magnétisant dans l'aimant (exprimé en A/m), M : perméabilité relative de l'aimant (typiquement : 1 ,05 pour Sm2Co17). La caractéristique linéaire de l'aimant s'exprime par : #M = #RM - UM / Rm où RM désigne la réluctance magnétique de l'aimant donnée par : Rm = Lm 1 (/-la x /-lM x SM) (/-la est la constante magnétique, /-la = 4n.1 OE-7 H/m) Ce modèle linéaire permet d'introduire l'aimant dans le schéma équivalent du circuit magnétique de la figure 4, avec les notations suivantes : Up : potentiel magnétique créé par le bobinage primaire, il vaut : Up = Np.lp avec Np = nombre de spires du primaire et Ip = courant délivré au primaire de la bobine. F : flux magnétique dans le circuit magnétique ( flux dans le fer ), RF : réluctance du circuit magnétique, RG : réluctance de l'entrefer d'air, La réluctance du circuit magnétique vaut : RF = LF / ( 0 x F x SF) F est la perméabilité relative du fer. Pour les tôles magnétiques haute performance utilisées classiquement dans les bobines d'allumage F > 5000. RF est alors faible et sera négligée devant les autres réluctances dans la suite des calculs. La réluctance de l'entrefer d'air vaut : RG = LG / ( 0 x S'G)- Il convient de remarquer que le schéma équivalent reprend les notations des circuits électriques. Le court-circuit magnétique apparaît dans la mise en parallèle des réluctances d'aimant et d'entrefer. La réluctance résultante est : (RM // RG) = 1/(1/RM + 1/RG). La valeur maximale du potentiel magnétique du bobinage primaire, Up, n'est pas considérée comme une grandeur de dimensionnement pour les raisons suivantes. Tout d'abord, l'intensité électrique maximale dans le primaire est souvent limitée par le réseau électrique du véhicule (considérations système). Sa valeur typique est 8A. Ensuite, le nombre de spires du primaire varie peu d'une application à une autre afin de présenter une résistance électrique inférieure à 1Q. Sa valeur typique est 100. En conséquence, la valeur typique du potentiel magnétique du bobinage est donc de 800 A.t. Les grandeurs de dimensionnement sont donc les 5 grandeurs géométriques suivantes : LM, LG, SF, SM, S'G. 4 équations magnétiques permettent de définir ces 5 grandeurs : (I) Equation de l'énergie magnétique stockée dans le système. E = (BFSAT-SF).UPMAX avec : E : énergie devant être stockée dans le circuit magnétique (exprimée en J, donnée d'entrée), UPMAX : valeur maximale de l'induction magnétique du primaire(exprimée en A. t), BFSAT : densité de flux magnétique à saturation dans le matériau magnétique employé pour le circuit magnétique (tôle magnétique ou autre), Cette équation (I) fixe la valeur de SF. (II) Equation de saturation du circuit magnétique à induction primaire nulle (cette équation exprime que le flux vaut -FSAT à Up = 0). #F = - BFSAT X SF lorsque Up = 0 or lorsque UP=0, F = -M = -RM Soit en substituant les expressions de #RM et F : BFSAT x SF = BRM X SM C'est-à-dire : SM = SF x BFSAT/ BRM. Cette équation (II) fixe la valeur de SM. Pour des tôles magnétiques haute performance BFSAT est de l'ordre de 1,7 T. Pour des aimants terre rare usuels, BRM ne dépasse pas 1 T. La section d'aimant doit donc être choisie presque double de la section du circuit magnétique (III) Equation de saturation du circuit magnétique à induction primaire maximale (cette équation exprime que le flux vaut +FSAT lorsque Up atteint sa valeur maximale). #F = BFSAT x SF lorsque Up = UPMAX avec Up = RM x (RM // RG) + (RM // RG) x F En substituant la valeur de F : Up = RM x (RM // RG) + (RM // RG) x BFSAT x SF Or d'après (II) : #RM = BRM X SM = BFSAT X SF En substituant la valeur de RM : Up = BFSAT X SF x (RM // RG) + (RM // RG) x BFSAT X SF D'où : (RM // RG) = UPMAX / (2 X BFSAT x SF) Au travers de RM et RG, cette équation exprime une relation entre LM, LG et S'G. (SM et SF étant fixées par les deux équations précédentes (I) et (II)). (IV) contrainte de non désaimantation de l'aimant permanent Pour un aimant permanent, la perte de la polarisation intervient si le champ magnétisant dans l'aimant dépasse son champ coercitif Hcj or : HM = Um / LM = UPMAX/ LM La contrainte s'exprime donc : UPMAX/ Lm UPMAX/ HCJ En pratique on choisit HMMAX Le Demandeur a réalisé des circuits permanents avec les élément numériques d'exemples suivants. E = 100mJ, BFSAT = 1,7 T (tôle magnétique à grains orientés), UPMAX = 800A.t. L'équation (1) donne : SF = 73 mm2. On choisit SF = 6 mm x 12 mm = 72 mm2 Pour un aimant NdFeB à 140 C, on a BR = 1,05 T et M = 1,05 L'équation (II) donne : SM = 117 mm2. On choisit SM = 10 mm x 12 mm = 120 mm L'équation (III) donne : (RM // RG) = 3,3.10E6 H-1. Pour un aimant NdFeB à 140 C, on a au mieux HCJ = 900 kA/m on choisit HMMAX = 620 kA/m. L'équation (IV) donne : LM = 1,3 mm, soit RM = 8,2.1 OE6 H-1. On déduit de (RM // RG) = 1/(1/RM + 1/RG) avec RG= 5,4.10E6 H-1. On choisit S'G = 6mm x 12mm = 72 mm2 ce qui, pour respecter RG, impose : LG=0,5 mm. Il convient de remarquer que sans appliquer la présente invention, c'est-à-dire sans ménager d'entrefer d'air en parallèle de l'aimant, on a SM = 120 mm2 et RM = 3,3.10E6 H-1 (au lieu de RM // RG). La hauteur d'aimant s'en déduit aussitôt : LM = 0,5mm. Pour la même valeur de UPMAX, HMMAX = UPMAX / LM = 1600kA/m à 140 C. Une telle valeur est atteinte seulement par certains grades onéreux de Sm2Co17. Au contraire, la présente invention permet, pour une même section de circuit magnétique (donc un même encombrement de la bobine) d'augmenter sensiblement l'épaisseur de l'aimant (qui passe ici de 0,5mm à 1,3 mm). Il est ainsi nettement moins cassant. De plus, l'invention permet de sélectionner un aimant permanent de Hcj réduit. Par exemple, un aimant NdFeB peut être employé en remplacement d'un grade très spécifique d'aimant Sm2Co17. La réduction de coût est donc substantielle. 1. Bobine d'allumage comprenant un circuit magnétique fermé (2) comportant un entrefer (3) à l'intérieur duquel est disposé un aimant permanent (4) et autour duquel est disposé un bobinage inducteur primaire (5), caractérisée en ce que le dimensionnement de l'aimant (4) par rapport à celui de l'entrefer (3) est choisi de manière à former un espace d'air inoccupé par l'aimant (4) dans ledit entrefer (3), le trajet magnétique dans l'espace d'air permettant de limiter la désaimantation dans l'aimant permanent. 2. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce les sections de l'aimant permanent (SM) en regard de celles de l'entrefer (Se) sont choisies sensiblement de dimensions inférieures à celles des sections (SG) dudit entrefer de manière à former ledit espace d'air. 3. Bobine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les hauteurs respectives de l'aimant (LM) et de l'entrefer (LG) et la section de l'espace d'air (Se') sont choisies pour ajuster de façon optimale la réluctance du circuit magnétique. 4. Bobine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la hauteur de l'espace d'air (LG) est inférieure à celle de l'aimant (LM). 5. Bobine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le circuit magnétique présente un format du type E-I ou C-I, l'entrefer étant disposé à une extrémité de la barre du I. 6. Bobine selon la revendication 5, caractérisée en ce que la barre du # a une section parallélépipédique, et en ce que l'aimant a une section parallélépipédique. 7. Bobine selon la revendication 5, caractérisée en ce que la barre du I a une section cylindrique, et en ce que l'aimant a une section cylindrique. 8. Bobine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le circuit est de format du type C-I, en ce que l'entrefer est formé obliquement dans la barre du C, et en ce que l'aimant permanent est placé perpendiculairement aux sections en biais de l'entrefer.