Brevet FR2854489A1 — publié le 20041105

La présente invention concerne un actionneur électromagnétique à mouvement linéaire ou oscillant et sa commande, simple, puissant, rapide et aux mouvements et aux efforts délivrés parfaitement contrôlés. Il est utilisable partout où des actions maîtrisées sont nécessaires. Comme exemples non limitatifs, cette invention s'applique à la commande de l'ouverture et de la fermeture de soupapes comme celles utilisées dans les moteurs thermiques ou pour la commande de crabotage d'engrenages ou de synchronisation et de crabotage de boite de vitesses, dans l'industrie du conditionnement d'équipements fragiles et plus généralement partout où un actionneur intelligent et aux actions parfaitement contrôlées et rapides est nécessaire pour réduire les temps opératoires. Actuellement, les lois de fonctionnement des actionneurs électromagnétiques basés sur le déplacement d'une palette en matériau magnétique attirée par un électroaimant sont soit des lois dites tout ou rien utilisées dans les dispositifs à relais ou les contacteurs industriels, soit des lois commandées par des dispositifs de mesure de champ dans l'entrefer soit des lois basées sur les analogies magnéto-électriques (brevet 96 07 688). Les dispositions utilisant ces lois de commande présentent des inconvénients : La première nécessite un capteur de champ magnétique placé dans l'entrefer de l'actionneur, qui limite son utilisation aux températures inférieures à la température de fonctionnement maximales du capteur. Elle nécessite aussi un étalonnage et une compensation de température précise, les capteurs présentant des dérives thermiques notoires. La seconde (brevet 96 07 688) est utilisable lorsque les mouvements de la palette sont alternés car le dispositif est sujet à de lentes dérives temporelles. Il est donc bien adapté au contrôle de mouvements alternatifs mais peu au maintien d'une position fixe . Il nécessite aussi une bobine de commande de bonne qualité, peu résistante, la résistance électrique rendant l'analogie imprécise. L'invention résout ces difficultés : L'actionneur comporte une palette mobile placée entre 2 électroaimants. Il est doté d'un ou de deux dispositifs de mesure de distance comportant une bobine supplémentaire englobant le flux utile traversant l'entrefer et destinée à une mesure de distance moyenne de cet entrefer. La mesure est basée sur la variation d'inductance de ladite bobine, qui dépend de la valeur de l'épaisseur de l'entrefer. Ce dispositif, associant l'actionneur, la mesure de l'entrefer et un algorithme particulier qui sera décrit ultérieurement constitue un moyen qui, par une commande de déplacement contrôlé par impulsions supprime les aléas dus au gommage ou aux frottements secs des éléments mécaniques à mettre en mouvement, permet d'éviter les chocs de fin de course, car les vitesses sont toujours sous contrôle assure des accostages doux et des temps opératoires optimum.. Description de l'actionneur : Conditions assurant le bon fonctionnement d'un électroaimant : Pour qu'un électroaimant délivre une force d'attraction importante pour une consommation électrique faible, il est nécessaire d'utiliser des pièces polaires de grandes dimensions comparées à l'épaisseur de l'entrefer, sinon les fuites magnétiques diminuent l'efficacité et rendent le système incontrôlable, car une augmentation du courant se traduit par une augmentation de la force d'attraction négligeable, comme le montre la figure 1, qui traduit les résultats de calculs de modélisation : lorsque le rapport de la largeur de fer (plus petite dimension de la corne polaire Ab figure 2)à l'épaisseur de l'entrefer moyen est inférieur à 1.5 l'efficacité diminue alors très rapidement pour devenir quasi nulle. - d'utiliser un entrefer aussi petit que possible, afin de limiter le courant maximum, donc de réduire et d'optimiser les dimensions de la bobine de champ. La figure 2 montre que par exemple pour obtenir une même force, une largeur de fer de 4.8 mm et un entrefer de 1 mm nécessitent un courant de 1 Ampère, alors qu'il faut 10 Ampères pour un entrefer de 2.4 mm et 100 Ampères pour un entrefer de 8 mm. Nécessaire adaptation des impédances mécaniques : Les conditions de bon fonctionnement ci-dessus fixent les relations liant les efforts et les forces voulues : À induction magnétique constante (généralement choisie proche de la saturation du matériau pour des raisons économiques), la force ne dépend que de la surface des pôles magnétiques. Si le déplacement désiré est important, la zone de fonctionnement se situe alors à gauche du point A (figure 1) La figure 3 schématise une configuration incontrôlable : la palette en matériau ferromagnétique doux (1) est placée entre 2 culasses (2) et (3), aimantées par les enroulements (4) et (5). Cette palette est la partie mobile de l'actionneur et est donc liée à un élément dont on veut assurer le déplacement, qui n'est pas représenté pour des raisons de simplification. La figure 3a est une vue perspective de l'ensemble constitué de 2 électroaimants (3) (4) et (2) (5) et de la palette (1).Les bobines de champs (4) et (5) peuvent avoir une géométrie différente ce qui n'est pas essentiel à la compréhension du fonctionnement. La palette est supposée au repos figure 3b, attirée en permanence par exemple par les 2 électroaimants constitués des bobines et des culasses (3) (4) et (2) (5), pour rester dans une position stable ou simplement maintenue dans cette position par des ressorts de rappel. Le rapport entre la longueur ab de la corne polaire (7), et l'épaisseur de l'entrefer (6) est très défavorable : La perte d'efficacité est très importante. Lorsque la palette se déplace par exemple comme représenté figure 3c, l'électroaimant (3) (4) est incapable de ramener la palette dans sa position d'équilibre, car tout le flux émis par cet électroaimant se referme sur lui même. La figure 4 schématise une configuration revendiquée par l'invention. La palette (8). liée à une ou plusieurs bielles ou biellettes (14), pivote autour de l'axe (13), ce qui constitue un levier transformateur de mouvement : Les déplacements et les efforts présents à l'extrémité g de la bielle (14) et au milieu e de la palette (15) sont liés par les relations bien connues ci-dessous : Y(g)=Y(e). d1/d2 F(g)=F(e).d2/dl Il est donc toujours possible, en choisissant judicieusement le bras de levier d'adapter les proportions relatives de l'entrefer moyen (15) et de la corne polaire (16) de largeur cd pour que le point de fonctionnement se situe dans la zone de bon fonctionnement, partie droite de la figure 1.On démontre aisément que la constante de temps d'établissement du courant dans la bobine, pour une même force utilisable est meilleure, c'est à dire plus petite en ce cas car les flux de fuites, inutiles mais qui accroissent l'inertie électromagnétique sont négligeables. La figure 4a représente une position de palette médiane, les 2 entrefers séparant les 2 électroaimants de la palette ayant une valeur identique. La figure 4b représente la palette en position angulaire maximale, l'épaisseur d'un des entrefers étant presque nulle, et l'autre maximale, mais suffisamment petite pour que la force d'attraction de l'électroaimant (11) (12), lorsque la bobine (11) est excitée, sur la palette (8) soit suffisante pour contrôler le mouvement de pivotement de cette dernière. Limitée à cette description, l'actionneur ressemble à un dispositif bistable, la palette allant d'un électroaimant à l'autre, telles que les dispositions rencontrées dans la constitution des relais et contacteurs bistables. Cependant, la disposition décrite et le procédé de commande décrits ciaprès transforment ce dispositif bistable en un actionneur proportionnel à faible consommation, puissant et rapide. Plusieurs dispositions relatives des électroaimants et des palettes sont possibles, comme les dispositions décrites figures 5, 6, 7, 8, 9, le choix d'une disposition dépend des volumes disponibles, la figure 9 étant une représentation perspective de la figure 8. Selon l'invention, le choix de la position du bobinage (ou de la bobine) par exemple (11) figure 4 ou (17) et (18) figure 9 qui entoure la corne polaire externe, c'est à dire la corne polaire la plus éloignée de l'axe (13) est recommandé, car il accroît le rendement du flux utile généré pour un même nombre d'ampères-tours parcourant la bobine (11) ou (17) ou (18). Les culasses (2) et (3) ainsi que la palette (1) figure 3 sont constituées de matériaux magnétiques doux tels que tôles magnétiques douces du type tôles en alliage fer-silicium bien connues, soit obtenues par pressage et agglomération à haute température de poudre de fer, qui présente l'avantage d'obtenir économiquement des formes complexes comme celles représentées figure 12a, ne nécessitant pas d'opérations d'usinage supplémentaires. Performances exigées de l'actionneur et des moyens de commande et description de 2 applications particulières : Remarque 1 : la dénomination équipage mobile, utilisée ultérieurement, comprend la totalité des pièces mues par un actionneur Remarque 2 : dans ce qui suit, les explications concernent les forces, les déplacements linéaires, les vitesse linéaires. alors que les applications décrites font appel à des couples générant des forces utiles. Toutes les descriptions concernant ces forces, déplacements, vitesses s'appliquent sans restriction aux couples, angles de rotation et vitesses angulaires, les lois physiques les régissant étant semblables. Les 2 exemples dessinés figures 10 et 11 sont 2 applications principales de l'invention. La figure 10 décrit schématiquement une commande de crabotage automatique de boite de vitesses. Cette figure peut aussi représenter une commande de synchronisation suivie de crabotage,le repère (25) représentant alors l'ensemble synchroniseur-crabot. La figure 11 décrit schématiquement une commande asynchrone de soupape de moteur thermique. Ces 2 figures sont des représentations particulières, d'autres configurations utilisant les revendications de l'invention pour répondre à des volumes ou des encombrements obligés ou à d'autres exigences constructives sont possibles. Les deux applications nécessitent des performances de fonctionnement communes: 1- le fonctionnement doit être rapide: un cycle de fermeture ou d'ouverture de soupape doit s'effectuer en moins de 2.5 millisecondes, et un temps de 10 à 20 millisecondes est nécessaire pour un crabotage de façon à ne pas accroître les délais de rupture de couple sources d'inconfort, toujours présents lors des changements de rapports de vitesses des boites dites mécaniques. Ce délai est plus grand pour une séquence de synchronisationcrabotage. 2- Le rendement de conversion électromécanique doit être optimal, afin de ne pas nécessiter de tension électrique élevée (et qui doit être inférieure à 12 volts pour être compatible avec la tension disponible en construction automobile) et une consommation électrique exagérée. 3- Le fonctionnement doit s'affranchir des gommages et des frottements solides présents lors d'un arrêt prolongé. 4- Le fonctionnement doit s'affranchir des variations de viscosité des lubrifiants, très importantes, qui vont, par exemple, de 170 000 centipoises à -40[deg]C à 14 centipoises à 100.C. 5- Le contact avec les pièces fixes en fin de course, par exemple la face de la roue d'un engrenage pour un crabotage ou le siège des soupapes doit s'effectuer sans cognements, ceux-ci pouvant provoquer des ruptures de pièces mécaniques par fatigue. L'accostage doit s'effectuer à une vitesse réduite et contrôlée. 6- Une position imposée de l'équipage mobile, (bielle, palette, et toutes les pièces qui y sont liées) non définie par un appui matériel doit ne pas ou très peu varier en présence des vibrations ou des accélérations parasites. 7- Pour une commande de synchronisation-crabotage, les efforts doivent être contrôlés Description du fonctionnement de la commande de crabotage (figure 10) La figure 10a représente la palette (19) et la double biellette (20) qui la prolonge. Cette biellette pivote autour de l'axe (21). Elle comporte 2 doigts (22) et (23) qui glissent dans la rainure (24) du double crabot mobile (25), lequel est solidaire en rotation de l'arbre (26). Lorsque le double crabot mobile (25) est poussé par les doigts (22) et (23), il vient craboter soit la roue (27) en s'encliquetant sur le crabot fixe (28), soit la roue (30) en s'encliquetant sur le crabot fixe (29). Les ressorts (3 la) et (31b) de raideur peu importante, qui peuvent être inclus dans le double crabot mobile (25), maintiennent au repos la double biellette (20) en position médiane, et donc fixe le point de repos du crabot mobile (25), déconnecté des 2 crabots fixes (28) ou (29). Selon le rapport de vitesse choisi, la palette (19) est attirée par un des électroaimants (32-33)ou (34-35) selon l'excitation des bobines (32) ou (34). Le contrôle intelligent du mouvement permet soit de maintenir la biellette en position médiane de manière asservie avec une rigidité dynamique importante, soit de maintenir activement l'un des 2 crabotages en générant une force magnétique importante, tout en ne nécessitant qu'une consommation électrique négligeable. Ces fonctionnements seront explicités ultérieurement. Description du fonctionnement de la commande d'ouverture/fermeture de soupape (figure 11) Les figures 11a et llb représentent une configuration non restrictive du dispositif de commande de soupape. La figure 1 la est une coupe selon XX, la figure 11b une vue de dessus. Remarque préalable : Le ressort (36) n'est pas utilisé pour maintenir la soupape (37) plaquée hermétiquement sur son siège (38) pendant le fonctionnement dynamique de la distribution du moteur, mais pour maintenir la soupape (37) en appui sur son siège (38) au repos, isolant ainsi les chambres de combustion de l'ambiance extérieure. La raideur de ce ressort (36) est donc beaucoup plus faible que la raideur des ressorts conventionnels, et est calculée pour obtenir une force de pression de la soupape sur son siège de quelques Newtons. Le maintien de la soupape sur son siège pendant le fonctionnement dynamique est dévolu à l'électroaimant (39-40) qui attire la palette (49) avec une force suffisante pour obtenir une force de pression siège-soupape acceptable.La figure 12a représente une coupe, selon un plan axial d'un cylindre de moteur thermique, d'un mode d'implantation des actionneurs dans la culasse d'un moteur à allumage commandé. Le moteur représenté est supposé à 4 soupapes par cylindre, et les actionneurs (50) et (51) sont donc équipés d'une biellette double (52), (53) dont la disposition évite d'interférer entres elles et entre le puits de dégagement de la bougie (54). Afin de compenser les erreurs dimensionnelles dues aux empilages de côtes, les 2 actionneurs (50) et (51) peuvent pivoter selon 2 axes perpendiculaires, ce qui permet de régler avec précision la force de pression appliquée aux soupapes.. Pour cela les capots (59) et (60) sont fixés par des vis (55), (56), (57) et (58), et leur symétriques non visible sur le dessin.Ces vis pressent plus ou moins les joints (61 ) et (62) en élastomère alvéolaire. L'interposition de rondelles élastiques comme les rondelles belleville (6 la) est une autre solution (figure 12d). Ainsi, par exemple, une pression exercée par les vis (55) et (56) règle l'angle relatif de la biellette (53) avec l'électroaimant (63). Lors de l'assemblage de la culasse du moteur, il suffit donc de mesurer l'entrefer de l'électroaimant (63), ce qui est réalisé directement par les moyens compris dans le dispositif objet de l'invention, tout en maintenant la pression de contact nominale de la soupape (64) sur son siège (65) par la commande décrite ultérieurement, et ainsi d'assurer une très grande durée de vie sans nécessiter de reprise des réglages.A titre d'exemple, un entrefer nominal de 0.3 mm, pour un rapport de bras de levier de 4 fournit une garde d'usure de 1,2 millimètre de la soupape et de son siège. Un autre réglage, qui consiste à équilibrer les pressions sur les soupapes en orientant les 2 bras de la double biellette (52) ou (53) toujours par l'intermédiaire des vis (55), (56) et les autres vis non vues. La séquence de réglage consiste alors à faire générer un couple constant par l'électroaimant (63), et à mesurer l'impédance mécanique du sous ensemble palette, double biellette, soupapes plaquées sur leurs sièges et ressorts et à rechercher la raideur maximale par rotation du boîtier selon un axe situé dans le plan du dessin.Ceci peut faire en créant un oscillateur utilisant les bobines de champ (66) et (72) figure 13 et en recherchant la fréquence maximale d'oscillation qui coïncide avec la plus grande raideur de l'ensemble, donc le meilleur équilibrage des pressions sur les sièges de soupape. Lors d'une séquence d'ouverture de soupape d'échappement, il existe une pression résiduelle qui génère une force importante sur chaque soupape. La force d'attraction magnétique risque de ne pas suffire pour contrer cette force de contre-pression et interdire l'ouverture. La figure 12b représente l'allure temporelle de l'évolution de cette pression. La mise à l'air libre s'effectue au point SI et la pression chute brutalement passant d'une pression de l'ordre de 4 bars à une pression proche de la pression atmosphérique. Selon l'invention. l'adoption de 2 soupapes de diamètres différents résout cette difficulté. Lors de l'application de la force par l'électroaimant de mise à l'air libre sur les 2 soupapes si et s2, figure 12c, la soupape si, de plus petit diamètre s'ouvre en premier, et l'équilibre des pressions est obtenu.La soupape s2 s'ouvre alors avec un léger retard du à l'élasticité de la bielle 2 figure 12c. Cette disposition réduit les dimensions générales, les coûts et la consommation électrique Description des moyens de commande : Moyens de mesure de l'entrefer: Ils comprennent -figure 13a- une bobine (66) parcourue par un courant alternatif sinusoïdal d'amplitude crête constante 1 de fréquence fo produit par le générateur à courant constant (67), qui est un dispositif connu, d'un démodulateur synchrone (68), le signal à démoduler étant la tension existante aux bornes de la bobine (66) et le signal de référence utilisé pour la démodulation étant un signal de fréquence fo mais déphasé de 90[deg] du courant 1 généré par un composant connu non décrit. Le signal démodulé, filtré par le filtre passe bas (73) fournit une représentation exacte de l'entrefer (69) séparant la culasse (71) de la palette (70). Les composants ci-dessus, générateur de courant, démodulateur synchrone, générateur de déphasage, filtre passe-bas sont des composants qui peuvent être réunis en une seule puce de traitement de signal. Le fonctionnement est le suivant: Soit le schéma constitué par le générateur de courant (67) et la bobine (66) de N spires, de résistance R, et encerclant un flux magnétique t= ȧ+ b , avec ȧ flux généré par la commande de champ de l'électroaimant (71) et du au courant parcourant la bobine (72) b flux généré par la bobine (66). La relation générale liant électricité et magnétisme s'écrit : i et u sont les valeurs instantanées du courant parcourant la bobine et de la tension présente à ses bornes. Soit encore avec (L= inductance de la bobine (66) ) soit i étant un courant sinusoïdal de fréquence fo donc de pulsation Qo de fréquence élevée ( supérieure à 10 000 Hz) et d'amplitude maximale Io, I=I0.sin( .t) les relations (2) et (4) deviennent, Le démodulateur synchrone est un dispositif multipliant 2 signaux, donc ici, le démodulateur effectue la multiplication suivante : soit encore, en posant avec les termes de la relation (8) sont tous des fonctions alternative de valeur moyenne nulle Le terme de la relation (9) se réécrit : dont la valeur moyenne est Il suffit donc d'appliquer au signal (10) un filtrage passe bas pour obtenir une mesure fidèle de la self induction L or 1 inductance s exprime, si la culasse et la palette sont constitués d'un maténau magnétique très perméable par avec Lf inductance de fuite, donnée caractérisant la géométrie de la bobine et qui est constante N= nombre de spires de la bobine Micro0= perméabilité magnétique du vide e= épaisseur de l'entrefer moyen S aire d'une corne polaire, distance c-d de la figure3a ou 4b multipliée par la longueur de la culasse (par exemple d-e figure 3a) La figure 14 trace Smoy tension proportionnelle à la tension déphasée de 90[deg]de la bobine et apparaissant aux bornes de sortie du filtre passe bas, en fonction de l'entrefer e. Pour obtenir la mesure de l'entrefer e, il suffit d'appliquer la relation kl et k2 étant des constantes tant que le matériau magnétique n'est pas saturé. La bobine de mesure (66) entoure la corne polaire la plus efficace, qui est la corne polaire la plus éloignée de l'axe de pivotement. Différentes positions possibles sont représentées figure 13b. Le procédé ci dessus utilise un démodulateur synchrone, d'autres moyens sont possibles, comme l'utilisation d'une analyse de Fourier synchrone par exemple ou tout autre moyen de filtrage synchrone dont font partie les 2 procédés ci-dessus. Moyens de contrôle des efforts et des courses : Généralités: relations physiques principales du fonctionnement Soit une bobine (72) figure 13a et figure 15 de N spires et de résistance électrique R, entourant un circuit magnétique constitué d'une culasse (71) et d'une palette (70) constitués d'un matériau à haute perméabilité magnétique séparés par un entrefer (69). La palette (70) est supposée liée à un ressort (75) et un amortisseur visqueux (76) schématisés figure 15. La relation (1) du paragraphe précédent s'applique toujours : qui s'écrit encore avec S aire de la corne polaire de la culasse (71) figure 15 et si Ri est négligeable devant NxSx dt ,ce qui est le cas lorsque la bobine est de bonne qualité alors Si U est constante (U est une tension continue ) alors La force d'attraction entre palette (70) et culasse (71) est, pour une les 2cornes polaires avec et k2#0.8, facteur de fuites magnétiques dépendant de la géométrie (21) D'après la relation 18, B ne dépend pas du courant I, donc la force F ne dépend pas de ce courant. La force maximale étant imposée par la saturation du matériau magnétique qu'il ne faut pas atteindre pour rester dans les hypothèses précédentes, on peut écrire soir encore lorsque F=Fmax et si emax est l'entrefer maximal séparant les pièces (70) et (71 ) le courant nécessaire est donné par Ainsi, pour une force maximale, une tension d'alimentation, un temps d'établissement, une induction à saturation et une course (entrefer maxi) imposés, la relation (22) fournit la section S, la relation (24) fournit le nombre de spires la relation (25) impose le courant max (qui détermine les interrupteurs de commande (81) figure 16) La relation de la dynamique s'écrit, pour un déplacement linéaire de la palette ou encore,pour un déplacement angulaire avec Fmag et Cmag force ou couple magnétique appliqué à la palette M et 1 masse ou moment d'inertie totaux rapportés à la palette 1 coefficient de frottement visqueux k raideur des ressorts présents dans la chaîne cinématique, égal à kO, raideur des ressorts de rappel pendant la plus grande partie de la course x, et égal à k1>>>k0 dès l'arrivée sur une butée mécanique (fin de crabotage, appui de soupape sur sin siège) Fc et Cc, force et couple statiques par exemple dus au gommage (cas d'un crabotage) ou à la contrepression sur une soupape, disparaissant dès la mise en mouvement du mécanisme. Ces relations (26) et (27) suffisent à définir le mouvement de l'équipage mobile Description sommaire du procédé de commande : La figure 16 représente l'architecture de la commande électronique et numérique. Le bloc électronique de puissance (77) comprend la source de tension (78), la résistance (79) qui inclut la résistance interne de la source (78) et des câbles de liaison, un condensateur (80) qui fournit l'énergie transitoire lors des appels de courants et un ensemble d'interrupteurs à semi-conducteurs (81) du type, par exemple, MOS de puissance. Les circuits et les composants auxiliaires de protection des interrupteurs, de technologie connue, ne sont pas représentés, pour plus de clarté. Ces interrupteurs (81) sont commandés par le bloc de pilotage numérique (82) constitué d'un assemblage de circuits électroniques (83) spécialisés dans la commande d'interrupteurs électroniques et d'un microprocesseur (84) qui fournit aux circuits (83) les informations nécessaires aux actions demandées. La mesure de l'entrefer est assurée par le bloc analogique ou numérique (85). Les blocs (82) et (85) peuvent être réunis en un seul circuit (86) spécialisé. Organisation des séquences et des stratégies de contrôle commande : Les descriptions suivantes détaillent 4 séquences de fonctionnement fréquemment rencontrées. Un processus de commande similaire s'applique plus généralement à toute nouvelle application de l'invention. Ces séquences et stratégies de commande exploitent simultanément la mesure des déplacements, les vitesses, les temps obtenus pour la réalisation des séquences opératoires et les caractéristiques temporelles des efforts électromagnétiques pour obtenir un profil de déroulement des actions totalement asservi aux consignes imposées. Les 3 premières séquences décrivent des fonctionnements à courses imposées. La quatrième séquence décrit un fonctionnement à temps imposé et s'applique plus particulièrement aux actions cycliques telles que la levée de soupapes. Définition d'un cycle de mise en butée : L'équipage mobile, partant d'une position de repos libre, c'est à dire sans appui matériel, cette position étant une position électromagnétiquement asservie à une consigne, se déplace vers une position définie par une butée, par exemple l'appui d'un crabot mobile contre la face d'une roue ou d'un pignon en fin de crabotage ou l'appui d'une ou plusieurs soupapes sur leur siège, avec maintien d'une force de pression de sécurité en fin de course. Définition d'un cycle de retour de butée vers une position de repos libre asservie : L'équipage mobile, quittant une butée, se déplace vers une position de repos libre, définie par une épaisseur d'entrefer maintenue par asservissement. Ce cycle inclut des efforts parasites de gommage ou de contrepression qu'il faut vaincre au décollage. Définition d'un cycle partant d'une butée vers une position de repos libre (ou autre butée) et revenant sur cette butée dans un temps imposé : Ce cycle correspond aux utilisations à grande vitesse comme l'ouverture et la fermeture de soupapes (ou plus généralement toute action effectuée à la vitesse maximale possible). Description de l'algorithme d'activation du premier cycle : figures 17 et 18 Le départ d'un cycle est initié lorsque le microprocesseur 84 figure 16 reçoit les instructions suivantes : 1- la coordonnée XI (ou angle al) de la fin de course, pour laquelle la vitesse doit être quasi nulle pour ne pas provoquer d'usure ou de dégradation prématurées, vitesse appelée vitesse d'accostage. 2 - la force de maintien lorsque cette distance est atteinte (maintien du crabotage, étanchéité de la soupape) 3 - la vitesse maximale de déplacement Vmax désirée 4 - le temps maximal dédié à l'opération (ce qui est essentiel pour la commande de soupape). Une séquence normale est décrite par l'ordinogramme figure 17 et les diagrammes temporels figure 18. Cet algorithme permet une vitesse d'accostage presque nulle, ce qui est une condition impérative pour assurer la durée de vie des pièces en mouvement et maintient une force constante et importante après l'accostage tour en ne nécessitant qu'une consommation électrique minimale, l'entrefer entre palette et culasse étant très petit. Un algorithme particulier de principe identique est utilisé de manière récurrente en cas de présence de frottements visqueux importants, par exemple à très basse température. Cet algorithme est décrit ultérieurement. Le contrôle du déplacement -linéaire ou angulaire- et de l'application des forces (ou des couples) utilise la mesure de l'entrefer, donc du déplacement relatif linéaire ou angulaire, et de la vitesse. Principe : L'électroaimant A est alimenté par la tension Ubat, tension par exemple de la batterie d'accumulateurs. La mesure du déplacement x effectuée par le moyen décrit précédemment, renseigne sur la vitesse de déplacement instantanée, v=(X-Xp)/dt si dt est l'intervalle de temps entre 2 mesures et Xp la valeur du déplacement mesurée au pas de temps précédent. Lorsque la vitesse v atteint la moitié de la vitesse maximale Vmax, les interrupteurs (81) commutent et la tension aux bornes de la bobine de l'électroaimant A s'inverse. Cette procédure est maintenue jusqu'au temps t2=2t 1, t 1 étant le temps pour lequel la vitesse va atteint Vmax/2. la distance parcourue X2 est alors mémorisée Ensuite la bobine de l'électroaimant A n'est plus alimentée, mais l'équipage mobile se déplace à une vitesse proche de Vmax. Lorsque le déplacement devient supérieur à XI-X2, la vitesse de l'équipage mobile est mémorisée, et l'électroaimant B est activé. Dès que la vitesse obtenue est inférieure à la moitié de la vitesse mémorisée, les interrupteurs commandant la bobine de l'électroaimant B commutent et la tension aux bornes de la bobine de cet électroaimant B s'inverse. Aux environs de cet instant, la bobine de l'électroaimant A est de nouveau alimentée par un courant de valeur suffisamment élevée pour maintenir la force de pression à une valeur imposée, en utilisant une commande par modulation d'impulsions connue. Justification du fonctionnement : Les relations (18), (19), et (26) appliquées aux séquences décrites ci-dessus se récapitulent par le tableau figure 19, établi pour une équation de la dynamique réduite à F=M.x". L'adjonction des efforts de viscosité et des raideurs ne perturbant pas de manière significative les résultats du contrôle, tout au moins, comme le montre la modélisation, pour des valeurs de coefficient de viscosité et de raideur nominaux. Les coefficients a, b, c, et d sont des coefficients multiplicateurs constants (par exemple b=a.t, F=b.t etc). L'observation de ce tableau montre que la commutation de la tension au temps tl arrêtée au temps t2=2tl, double la vitesse, qui reste constante ensuite. (Pratiquement les efforts de viscosité et la raideur du ressort de rappel s'il existe la font diminuer, ce qui est visible figure 18). Le contrôle est basé sur cette constatation physique. Description de l'algorithme du second cycle figures 20 et 21 : Il est semblable au précédent, à l'exception de la phase finale de ralentissement et de repos : En ce cas, les 2 électroaimants restent actifs, afin d'assurer une raideur virtuelle s'opposant à tout déplacement inopportun dû à des chocs ou des vibrations provenant de l'environnement extérieur. Description de l'algorithme de correction des efforts de viscosité importants (figure 22) Cet algorithme, toujours intégré à l'algorithme principal, consiste à comparer la vitesse instantanée Vi à la vitesse maximale Vmax atteinte au temps t2. Dès que cette vitesse est inférieure à la moitié de la vitesse maximale, un processus identique aux précédents est appliqué : l'activation de l'électroaimant étant inversée dès que la vitesse acquise est égale à la valeur médiane (Vmax+Vi)/2. Description de l'algorithme utilisé pour décrire un cycle partant d'une butée vers une position de repos libre (ou autre butée) et revenant sur cette butée dans un temps imposé : Données imposées : le temps de cycle TO l'énergie mécanique (WO) dont est capable le dispositif électromagnétique pendant un temps d'activation de l'électroaimant à tension nominale égal à Tl=TO/4. La masse globale (ou le moment d'inertie) de l'équipage mobile La force de contrepression Toutes les caractéristiques électromagnétiques. Déroulement d'un cycle (figure 23) 1) excitation de l'électroaimant A assurant la sortie de butée : 2) calcul de l'énergie mécanique générée W1=1/2.M.v 2 3) comparaison à l'énergie WO calculée 4) inversion de la tension d'alimentation dudit électroaimant A et excitation du second B(les efforts se retranchent) lorsque W1>WO mémoriser le temps réel T1 5) maintenir les tensions jusqu'à T2=2.T 6) mettre le premier électroaimant A au repos maintenir le second, 7) calculer le temps T3 pour lequel la vitesse s'annulle 8) poursuivre l'étape (6) jusqu'au temps T4=T2+(T3-T2)x2 9) inverser la tension du second électroaimant B et alimenter le premier A 10) lorsque le temps est égal à T5=T4+T1, le second électroaimant B est mis au repos, la tension d'alimentation du premier A est inversée et est maintenue jusqu'au temps T6=T5+2xTl. 11 ) Le second électroaimant B peut alors être réactivé pour assurer un maintien positif de la soupape sur son siège avec une force imposée, Avantages de ces algorithmes de contrôle : 1) La commande est impulsionnelle et les efforts initiaux maximaux : cette impulsion mécanique supprime les effets néfastes des frottements solides, des gommages et des collages transitoires 2) Les impulsions de courant sont importantes mais fugitives ce qui permet d'utiliser les performances dynamiques impulsionnelles des interrupteurs MOS et en réduit les prix. 3) Les énergies électriques consommées sont très faibles, et limitées aux pertes par frottement, aux pertes magnétiques et par effet joule durant les périodes transitoires de commande. Les pertes de maintien de force sont négligeables. L'exemple suivant dresse le bilan énergétique d'une commande de soupapes d'un moteur 4 cylindres, 16 soupapes, de 2 litres de cylindrée, tournant à 6000 tours par minute. Données numériques Cas d'une commande de soupapes : CARACTERISTIQUES DIMENSIONNELLES: Nota : Les valeurs calculées ci dessous sont précises à 20% près Les données correspondent à une vitesse de rotation de 6 000 tours par minute. Le cycle ouverture fermeture des soupapes est de 5.1 milliseconde pour une levée de 7.5 mm Cas d'une commande de crabots de boîte de vitesse : - CARACTERISTIQUES DIMENSIONNELLES: RESULTATS: REVENDICATIONS Les données dynamiques suivantes correspondent à un des 2 cycles de crabotage ou de décrabotage 1) Actionneur électromagnétique à déplacement linéaire ou oscillant caractérisé en ce qu'il utilise 2 électroaimants (9-10), (11-12) et une palette mobile (8) figure 4, un dispositif de mesure de la position de la palette (66), (67), (68), (73), (74) figure 13a fondé sur la mesure de l'inductance d'une bobine (66), et une commande par impulsions de tension (86) qui supprime les aléas dus au gommage et aux frottements secs et garantit des accostages doux et des temps opératoires optimaux. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plus petite dimension des cornes polaires (c-d) figure 4 des électroaimants est toujours supérieure de plus de 1.5 fois l'épaisseur de l'entrefer moyen (15), que le bobinage (11) entoure la corne polaire externe (16) lorsque l'actionneur est à déplacement oscillatoire, et que l'adaptation des impédances mécaniques, qui se traduit par les distances relatives dl/d2 de la ou les bielles et du milieu de la palette à l'axe détermine l'épaisseur de l'entrefer minimum le plus petit possible figure 4. 3) Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que la petite épaisseur de l'entrefer réduit le flux de fuites, la constante de temps, la consommation électrique, et rend la commande des soupapes et des crabotages de boite de vitesses compatibles avec une alimentation électrique de 12 volts. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau magnétique doux utilisé pour les pôles des électroaimants (9) (12) et la palette (8) est de préférence à base de poudre de fer pressée et agglomérée à haute température. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte éventuellement un ou plusieurs ressorts de rappel (3 la) (31b) figure 10b (36) figure 1 la en position de repos, ainsi qu'un moyen simple de compensation des erreurs géométriques par un réglage précis des forces exercées, effectué par pivotement des actionneurs, utilisant les moyens de contrôle fournis par le dispositif lui même (55) (56) (57) (58) figure 12a . 6) Dispositif selon revendication 1 caractérisé par le moyen de mesure (85) figure 16 de L'épaisseur de l'entrefer qui utilise une bobine (66) figure 13a alimentée par un courant alternatif d'amplitude maximale constante (67), la tension apparaissant aux bornes de la bobine étant filtrée par un moyen de filtrage synchrone déphasé de 90[deg] (74) (68) (73), puis converti par calcul en épaisseur d'entrefer. 7) Dispositif selon revendication 1 caractérisé par la commande électronique qui comporte un condensateur ballast (80), des interrupteurs à semi-conducteurs (81), un bloc de pilotage numérique (83), un microprocesseur (84), un bloc analogique ou numérique de calcul d'entrefer (85) 8) Dispositif selon revendication 3 caractérisé, lorsqu'il est utilisé pour la commande de soupapes, par le choix de soupapes de diamètres différents figure 12c, réduisant ainsi les efforts de contre-pression, les dimensions générales, les coûts et la consommation électrique. 9) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les accostages doux et les temps opératoires optimaux sont obtenus en utilisant, selon l'opération désirée, quatre moyens de commande différents exploitant simultanément la mesure des déplacements, les vitesses, les temps obtenus pour la réalisation des séquences opératoires et les caractéristiques temporelles des efforts électromagnétiques pour obtenir un profil de déroulement des actions totalement asservi aux consignes imposées. 10) Dispositif selon revendication 9 caractérisé en ce que ces moyens de commandes revendiquées sont décrits avec précision par les ordinogrammes et les séquences temporelles explicitées figures 17, 18, 20, 21, 22, 23 et 24 qui utilisent toutes la mesure du déplacement pour décider de l'action à entreprendre. Les trois premiers moyens (figures 17, 18, 20, 21, 22 et 23) s'appliquent à des commandes à courses imposées, la figure 24 décrit l'enchaînement de séquences de commande à temps imposé.