Brevet FR2849712A1 — publié le 20040709

ACTIONNEUR ROTATIF BISTABLE MONOPHASE HYBRIDE Cette invention concerne les actionneurs 5 électromagnétiques monophasés bistables, rotatifs ou linéaires, c'est-à-dire les actionneurs monophasés (pilotés par un seul bobinage dans le cas d'une commande bipolaire, ou par un bobinage fractionné en plusieurs bobines recevant la même commande bipolaire, ou encore, dans le cas des 10 commandes unipolaires, de deux bobinages inversés) capables de prendre deux états distincts de position stables, suite à deux signaux de commandes électriques différenciées, et de garder ces 2 états stables hors d'un mode de commande électrique. A titre d'exemple uniquement, l'invention concerne par exemple les actionneurs électriques monophasés qui sous l'action d'une impulsion électrique positive dans leur bobinage vont passer d'une position l (début de course) à une position 2 (fin de course), et qui sous l'action d'une 20 impulsion électrique négative dans leur bobinage vont passer de la position 2 à la position 1, en étant capable de garder indifféremment la position 1 ou la position 2 sans courant. L'un des objectifs de l'invention est de proposer un actionneur monophasé bistable possédant les propriétés de 25 bi-stabilité évoquées ci-dessus, mais qui par rapport à l'art antérieur possède les avantages suivants: un fort couple/force de maintien en positions stables sans courant, dont le niveau peut être modulé (augmenté ou diminué) par l'action du courant dans le ou les 30 bobinages de l'actionneur - un fort couple/force de décollage permettant à l'actionneur de sortir de chacune de ces positions stables avec une puissance électrique limitée appliquée au bobinage. - la possibilité de produire un fort couple/force d 35 au courant sur une large course angulaire ou linéaire, contre l'action d'une charge extérieure, tout en étant piloté par un circuit électrique de commande de type monophasé. Cette invention trouvera tout particulièrement un 5 grand intérêt pour actionner des vannes d'admission ou de re-circulation de fluides dans le domaine automobile et pour maintenir celles-ci dans des positions prédéterminées, sans courant, malgré la réaction de ces fluides. Il existe déjà de nombreux actionneurs bistables linéaires ou rotatifs qui permettent d'assurer la fonction de collage en fin de course de différentes manières. Des solutions de type solénodes permettent de l'effectuer avec un courant électrique, certes faible, mais 15 qui nécessite une alimentation électrique continue pouvant s'avérer problématique en cas de dysfonctionnement du système de contrôle électronique. D'autres types de solutions telles que les latching-solenoids possèdent des aimants de verrouillage local en bout de course, mais ces 20 solutions présentent le désavantage de ne développer que très peu de couple au décollage et sur toute la course. Des solutions utilisant des moteurs permettent d'obtenir des couples élevés sur la course en assurant la fonction de maintien grâce à des éléments mécaniques de 25 verrouillage en fin de course. Si ces solutions sont efficaces, elles présentent l'inconvénient de nécessiter au moins 2 phases électriques, et la présence d'éléments mécaniques à rajouter, ce qui augmente donc le cot global de l'actionneur. Des solutions permettant d'obtenir un couple constant sur toute la course sont par exemple décrites dans le brevet français FR2688105 et FR2786042, mais ne permettent pas de verrouiller efficacement l'actionneur dans deux positions stables en bout de course sans courant. Le but de l'invention est donc de créer un actionneur combinant dans le même circuit magnétique des qualités de couple/force de verrouillage sans courant en fin de course, de couple/force de décollage avec courant et de couple/force continu avec courant. A cet effet, l'actionneur selon l'invention présente une partie statorique fixe, appelée communément stator, comportant le ou les bobinages, et une partie mobile, 10 appelée communément rotor, définissant entre elles trois types d'entrefers: - un entrefer principal d'épaisseur E sensiblement constante tout au long de la course de l'actionneur, dans lequel se déplace un aimant permanent créant une variation 15 de flux sensiblement linéaire dans le noyau statorique de la bobine. - deux entrefers secondaires d'épaisseurs A et B variables de façon complémentaires avec la course de l'actionneur Le couple/force global d'un tel actionneur suivant l'invention, en toutes positions, peut s'écrire Ctotai = Cnj + Cnj +C0 ou: - Ci2est le couple/force d principalement à l'effet de la réluctance variable des entrefers A et B et uniquement proportionnel au carré des Ampère-tours appliqués au bobinage (donc non polarisé), et qui prend des valeurs très importantes lorsque A ou B sont petits. 30 - C11j est le couple/force issu de l'influence mutuelle bobine/aimant, proportionnel à la variation de flux engendré dans le noyau de bobine lors d'un mouvement du rotor, et proportionnel aux Ampère-tours appliqués au 35 bobinage (donc polarisé). On voit que le couple de décollage, qui a pour origine la grande variation du flux d à l'aimant dans la bobine à l'ouverture de l'entrefer A ou B, sera très important du fait de cette grande variation à l'ouverture de A ou B. - Co est le couple/force d à la circulation du flux de l'aimant seul (aussi appelé magnétostatique), lorsque le ou les bobinages ne sont pas alimentés. Ce couple prend des valeurs importantes lorsque A ou B sont petits car ces 10 positions vont correspondre à un point de travail élevé pour l'aimant. Selon cette loi et les caractéristiques géométriques et physiques de l'actionneur selon l'invention, on voit 15 qu'il est possible de calculer indépendamment chacun des termes CO,C1i, C1j2qui correspondent à trois caractéristiques différentes de l'actionneur de manière à favoriser soit le couple/force au décollage, soit le couple de verrouillage sans courant, soit le couple continu tout au long de la 20 course. L'invention concerne selon son acception la plus générale un actionneur électromagnétique monophasé de course utile limitée c, comportant une partie statorique constituée d'au moins 2N pôles, N étant un nombre entier, excité par au 25 moins une bobine d'excitation, et un composant mobile comprenant au moins N parties aimantées mobiles, possédant au moins une position stable de verrouillage sans courant, caractérisé en ce que la partie mobile définit par rapport à la partie statorique au moins un entrefer principal 30 d'épaisseur sensiblement constante tout au long de la course c, et au moins un entrefer secondaire d'épaisseur variable en fonction de la course. Selon une première variante, la partie mobile décrit un mouvement rotatif. Selon une deuxième variante, la partie mobile décrit un mouvement linéaire Avantageusement, la partie mobile présente deux états stables de verrouillage sans courant à chacun des 5 bouts de la course c et deux entrefers secondaires d'épaisseurs variables en fonction de la course. Selon un mode de réalisation particulier, l'actionneur possède des moyens de rappel sans courant dans un seul état stable. Selon une variante d'actionneur rotatif, la partie aimantée, mobile avec le rotor, est composée d'une ou plusieurs tuiles aimantées radialement. Avantageusement, la partie aimantée, mobile avec le rotor, est composée d'une ou plusieurs tuiles aimantées 15 diamétralement. Selon une autre variante de réalisation, la partie aimantée mobile avec le rotor est composée d'un ou plusieurs aimants en forme de disque. Selon une autre variante encore, l'organe mobile 20 comporte N parties aimantées, aimantées après leur mise en place sur l'organe mobile. Pour plus de clarté, la description qui suit se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: Les figures 1 et 2 montrent l'actionneur dans sa variante rotative préférée, en vue coupée, utilisant un aimant tuile. La figure 3 montre l'évolution du couple total généré par l'actionneur avec et sans courant sur toute la 30 course utile. La figure 4 montre l'évolution du couple de décollage en fonction du potentiel magnétique (Ampère-tours) utilisé dans la bobine. La figure 5 montre, suivant une vue en trois-quart, une deuxième variante rotative de l'actionneur utilisant un aimant disque. La figure 6 montre, suivant une vue en trois-quart, une variante linéaire de l'actionneur. La figure 7 montre, suivant une vue en trois-quart, une variante de l'actionneur rotatif de la figure 1 o les positions respectives du rotor et du stator ont été inversées (variante à rotor extérieur). La figure 8 montre, suivant une vue en coupe, une autre variante d'actionneur rotatif utilisant un aimant plat intégré dans le rotor. La figure 9 montre, suivant une vue de face, une variante symétrique de l'actionneur utilisant deux aimants 15 tuiles. La figure 1 présente la variante préférée de l'actionneur revendiqué, représenté en milieu de course. Un rotor 1, mobile autour d'un axe de rotation 2, est constitué 20 d'une partie ferromagnétique 3 et d'un aimant 4 d'épaisseur L prenant une forme de tuile. Les deux parties statoriques 5 et 6 faites de matériau ferromagnétique, sont en contact au niveau de la surface 7. Cette séparation des stators permet ainsi l'insertion d'une bobine unique 8. Cet ensemble 25 présente deux entrefers secondaires variables (A) et (B) lorsque le rotor se déplace entre les deux positions de fin de course délimitées par les stators 5 et 6. Un troisième entrefer, l'entrefer principal, noté E reste constant durant le déplacement du rotor. L'aimant tuile 4 utilisé dans la 30 structure sera préférentiellement aimanté suivant son rayon, mais une aimantation suivant son diamètre peut aussi être envisagée, selon la caractéristique de couple recherchée. Le principe de fonctionnement simplifié, à partir de la position de milieu de course représentée en figure 1 est 35 le suivant: - Sous l'action d'une alimentation en courant de la bobine 8 dans un sens positif, un couple positif au niveau de l'aimant 4 va produire un déplacement en sens horaire du rotor 1, et l'entrefer B va donc se fermer. - Sous l'action d'une alimentation en courant de la bobine 8 dans un sens négatif, un couple négatif au niveau de l'aimant 4 va produire un déplacement en sens antihoraire du rotor 1, l'entrefer A va donc se fermer. - Arrivé sur l'une ou l'autre de ces positions de 10 fin de course, le courant dans la bobine 8 peut être relâché, le rotor 1 restera verrouillé sans courant par la circulation du flux d à l'aimant 4 dans l'entrefer A (respectivement B). - Ce couple de verrouillage sans courant peut-être 15 modulé par la circulation d'un flux d aux Ampère-tours (crée par le bobinage 8) dans l'entrefer A ou B. Si le flux d au Ampère- tours s'ajoute au flux d à l'aimant dans l'entrefer A ou B, le couple de verrouillage augmente. Si le flux d au Ampère-tours se retranche au flux d à l'aimant 20 dans l'entrefer A ou B, le couple de verrouillage diminue. Dans ce dernier cas lorsque le couple de verrouillage va passer en dessous de la valeur du couple moteur produit par l'aimant 4, le rotor pourra décoller de sa position fin de course. La structure présentée en figure 1 montre la variante préférée de l'actionneur, mais elle n'est nullement limitative et le principe même de l'invention peut être décliné suivant plusieurs autres variantes que nous 30 présenterons par la suite mais qui ne forment pas une liste exhaustive. La figure 2 présente le même actionneur qu'en figure 1, représenté en milieu de course, mais définit les 35 paramètres angulaires de l'actionneur. oXa est l'angle d'ouverture de l'aimant, oe l'angle séparant les deux pôles statoriques définissant avec le rotor 1 le ou les entrefers constants, ad est l'ouverture angulaire totale d'un pôle statorique définissant avec le rotor 1 le ou les entrefers constants. La course limite ac qu'il est possible d'atteindre avec l'actionneur se définit d'après ces paramètres comme suit: cXc = acl + 0c2 ad > ac aa > ad + Ue donc oxa > ac + ae c(e doit être le plus faible possible afin d'optimiser oa pour une course donnée. Il ne doit cependant 15 pas être trop faible pour ne pas créer un court-circuit magnétique défavorable entre les deux pôles statoriques. Cet angle sera donc ajusté suivant le désir de l'utilisateur. De manière préférentielle, la course maximale de l'actionneur est limitée à 1300 environ. La figure 3 montre, à travers un exemple de réalisation d'actionneur rotatif sur 900, la forme du couple obtenu avec l'actionneur présenté en figures l et 2. Les courbes (1) et (2) font référence au couple obtenu, 25 respectivement, sans alimentation de la bobine, et avec alimentation de la bobine. On peut découper les courbes en trois zones distinctes: (a) : Couple en début de course. (b) : Couple sur la plus grande partie de la course. (c) : Couple en fin de course. La zone (a) présente l'efficacité de la structure en début de course. La courbe (1), actionneur sans alimentation 35 électrique, présente un fort couple négatif correspondant à l'effort de maintien stable sans courant. On note que ce couple/force de position stable peut être modifié suivant les sections de passage de flux réalisées au niveau des entrefers A et B, appellées SA et SB. En réalisant, par 5 exemple, des sections de passage plus petites, la saturation magnétique des stators favorise la diminution du couple de maintien sans courant. En alimentant la bobine de l'actionneur suivant un potentiel magnétique optimum, on passe alors sur la courbe 10 (2) o le couple obtenu est positif dès le début de la course, on sort alors de la position stable. Ceci est rendu possible par la grande variation du flux d à l'aimant dans la bobine à l'ouverture du rotor. Le fort gradient de flux associé à un courant dans la bobine crée un fort couple qui 15 a tendance à chasser le rotor de sa position stable. Pour certaines valeurs du potentiel magnétique de la bobine, cette valeur surpasse la somme des autres composantes du couple qui sont le couple d'origine réluctant et le couple d'origine magnétostatique, qui ont tendance à maintenir 20 cette position puisque correspondant à une énergie magnétique potentielle minimum. Ces valeurs dépendent des caractéristiques géométriques et physiques de l'actionneur qui modélisent la forme de l'équation du couple C = oc Cnj2 + ,3 C", + Y. CO à travers les coefficients ax, 3 et y. La zone (b) est celle o le couple créé n'est plus influencé par les entrefers A et B devenus trop importants par rapport à l'entrefer principal E. Le couple sans 30 courant, courbe (1), est alors proche de zéro, puisque le flux de l'aimant circule de la même manière quelle que soit la position prise par le rotor. Avec courant, courbe (2), le couple est alors sensiblement égal à celui disponible pour l'actionneur décrit dans le brevet français FR2786042. 35 Celui-ci est sensiblement constant sur la course puisque la variation du flux de l'aimant dans la bobine, qui est à l'origine de la majeure partie du couple sur cette zone, est quasi-linéaire. En fonction de l'encastrement de l'aimant dans le rotor, une composante réluctante plus ou moins importante pourra modifier sensiblement la forme du couple. Dans la zone (c), pour laquelle se referment les entrefers A ou B, le couple sans courant, courbe (1), redevient important puisque le flux magnétique produit par 10 l'aimant trouve un chemin plus favorable en se refermant par l'entrefer A ou B. Lorsque l'un de ces deux entrefers devient très faible, on se retrouve dans une position stable sans courant avec un fort couple de maintien. Avec courant, courbe (2), le couple d à la variation du flux de l'aimant 15 dans la bobine s'ajoute au couple reluctant Ci 2 pour favoriser un couple conséquent en fin de course. La figure 4 illustre, sur un exemple, la variation du couple de décollage en fonction du nombre d'Ampère-tours. 20 On retrouve, à travers la courbe montrée, la forme de l'équation c = Ca cs + D C.i + Y * CO avec d'une part un optimum, et d'autre part un intervalle de valeurs pour laquelle le couple total généré 25 est positif. Si l'on sort de cet intervalle, le décollage du rotor n'est plus possible car la valeur du potentiel magnétique dans la bobine n'est plus adaptée aux caractéristiques de l'actionneur. La figure 5 présente une variante rotative de l'actionneur selon l'invention. La structure présente un rotor 9, dans lequel un aimant disque à aimantation 10 axiale est placé, qui se déplace au-dessus d'une partie statorique 11. La partie statorique comprend deux pôles 12 35 et 13 sur lesquels sont placées deux bobines 14 et 15. Les avantages de cette structure sont, entre autres, l'utilisation d'un aimant disque dont la polarisation axiale est facile à réaliser, et l'encombrement réduit permettant d'insérer plus de cuivre sur le stator. La figure 6 présente une version linéaire du principe d'actionneur. Une pièce mobile 16 (équivalente au rotor des variantes rotatives), dans lequel est inséré un aimant plat 17, se déplace au-dessus d'une partie statorique 10 18 pouvant être séparée en deux parties distinctes pour permettre l'insertion de la bobine 19. En positions extrêmes, bobine non alimentée, les surfaces 20 ou 21 sont en contact avec les surfaces 22 ou 23, respectivement, réalisant l'état énergétique le plus favorable duquel ne 15 souhaite pas sortir l'aimant. Cette structure utilise le circuit de base présentée dans le brevet EP00974185B1, et tout comme celui-ci, elle peut se présenter sous une forme axisymétrique autour de l'axe de déplacement du rotor. La figure 7 présente une variante rotative inversée de l'actionneur. Dans celle-ci, le rotor tourne autour du stator. La bobine 24 est insérée sur la partie statorique 25. Le rotor 26 comprend un aimant 27 dont l'aimantation peut être aussi bien radiale que diamétrale. 25 La figure 8 présente une variante de l'actionneur de la figure 1. Le rotor 28 comprend un aimant 29 plat dont l'aimantation suivant son épaisseur est facile à réaliser. Cette réalisation nécessite une découpe particulière du 30 rotor 28. Celui-ci présentera avantageusement deux isthmes saturables 30 et 31 permettant la réalisation en une seule pièce du rotor 28. L'ajout de ces isthmes n'a pour seule conséquence que de diminuer le couple magnétostatique au collage, puisqu'une partie du flux de l'aimant se boucle par 35 ceux-ci. Cette réalisation présente l'avantage de ne garder qu'un faible entrefer constant 32, tout en permettant la présence de l'aimant plat 29. La figure 9 présente une variante symétrique de 5 l'actionneur de la figure 1. Les deux parties statoriques 33 et 34, sur lesquelles sont installées les bobines 35 et 36 respectivement, sont de part et d'autre de la partie mobile 37 sur laquelle sont installés les aimants 38 et 39. Les deux circuits magnétiques ainsi formés de part et d'autre du 10 rotor peuvent être indépendants l'un de l'autre si la polarité des aimants est entrante ou sortante pour les deux aimants. On peut cependant créer un couplage magnétique entre les deux circuits magnétiques en alternant les polarités. Dans les deux positions extrêmes prises par le 15 rotor 37, les entrefers 40 et 41, ou 42 et 43, se ferment pour créer, sans alimentation des bobines, une configuration énergétique optimale pour l'aimant qui crée ainsi une position stable sans alimentation électrique. Cette variante permet grâce à la symétrie du circuit magnétique, de 20 supprimer les efforts radiaux pouvant s'exercer sur l'axe 44. Elle permet, de plus, de par ses deux surfaces actives en position stable, de générer plus de couple dans ces positions et peut être voué à des applications nécessitant des couples importants. 25 Les différentes variantes présentées ici sont des variantes dites " bistables ", c'est-à-dire à deux états stables distincts A et B sans courant. Bien entendu, si un 30 ressort de rappel est introduit dans l'actionneur de manière à exercer une force de rappel en position stable sans courant sur une seule des deux positions stables (A par exemple), on aura alors affaire à un actionneur de type " mono-stable ", sans que le principe électromagnétique 35 de l'actionneur bistable selon l'invention ne soit modifié. Il suffirait alors de maintenir le courant sur le bout de course B pour conserver cet état stable avec courant, l'actionneur revenant, lorsque l'on relâche le courant, en position A, par action du ressort. De même des variantes dissymétriques dans leurs états stables (verrouillage privilégié dans l'une ou l'autre des 2 positions de fin de course) constituent toujours un actionneur bi-stable selon l'invention, y compris jusqu'à la disparition d'un des deux états stables de verrouillage sans 10 courant. REVENDICATIONS 1 - Actionneur électromagnétique monophasé de course utile limitée c, comportant une partie statorique constituée d'au moins 2N pôles, N étant un nombre entier, excité par au moins une bobine d'excitation, et un composant mobile (1, 9, 19, 26, 28) comprenant au moins N parties aimantées mobiles (4, 17, 19, 29), possédant au 10 moins une position stable de verrouillage sans courant, caractérisé en ce que la partie mobile définit par rapport à la partie statorique au moins un entrefer principal d'épaisseur sensiblement constante tout au long de la course c, et au moins un entrefer secondaire d'épaisseur variable 15 en fonction de la course. 2 - Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie mobile décrit un mouvement rotatif 3 Actionneur électromagnétique monophasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie mobile décrit un mouvement linéaire 4 Actionneur électromagnétique monophasé selon les revendications 1, 2, ou 3, caractérisé en ce que la partie mobile présente deux états stables de verrouillage sans courant à chacun des bouts de la course c et deux entrefers secondaires d'épaisseurs variables en fonction de la course. 30 - Actionneur électromagnétique monophasé selon les revendications 1, 2, ou 3, caractérisé en ce que l'actionneur possède des moyens de rappel sans courant dans un seul état stable. 6 - Actionneur électromagnétique rotatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie aimantée, mobile avec le rotor, est composée d'une ou plusieurs tuiles aimantées radialement. 7 - Actionneur électromagnétique rotatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie aimantée, mobile avec le rotor, est composée d'une ou plusieurs tuiles aimantées diamétralement. 8 - Actionneur électromagnétique rotatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie aimantée mobile avec le rotor est composée d'un ou plusieurs aimants en forme de disque. 15 9 - Actionneur électromagnétique rotatif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'organe mobile comporte N parties aimantées, aimantées après leur mise en place sur l'organe mobile.