Brevet FR2872333A1 — publié le 20051230

L'invention concerne un actionneur linéaire à prise directe dont la partie mobile est en matériau ferromagnétique et dont la partie fixe contient deux bobines conductrices et plusieurs aimants permanents. Un tel actionneur linéaire est destiné à être utilisé pour l'électrification de différents organes du véhicule automobile, en particulier la boîte de vitesses ou le dispositif d'actionnement des soupapes d'un moteur thermique. Actuellement, il existe des actionneurs linéaires à prise directe et à aimants permanents, dont la partie mobile est réalisée notamment par des aimants permanents ou par des bobines conductrices. La demande de brevet français publiée sous le No. 2 829 551, au nom de RENAULT, concerne un actionneur linéaire à prise directe dont la partie mobile est composée de deux aimants permanents qui se déplacent linéairement entre deux bobines conductrices placées dans un châssis, comme le montre la figure 1. Ce châssis fixe 1 est en matériau ferromagnétique, constitué de deux parties parallèles, percées chacune de deux ouvertures 2 dans lesquelles est bobiné un fil conducteur 3. Les deux conducteurs réalisent deux bobines parallèles qui sont alimentées par deux courants électriques circulant dans le même sens. Entre ces deux parties fixes sont disposés deux aimants permanents 4, se déplaçant le long d'un guide sous l'effet du flux magnétique (Pb créé par le courant électrique parcourant les bobines 3. Lorsque le flux cpa créé par les aimants est de sens contraire à celui Tb créé par les bobines, les aimants sont en position instable et vont se déplacer vers la position stable où les deux flux Les figures 2a et 2b, qui sont des vues en coupe axiale, respectivement radiale, représentent schématiquement un autre type d'actionneur linéaire à prise directe dont la partie mobile est constituée de fils conducteurs 5 et dont la partie fixe 7 contient des aimants permanents 6. Le principal inconvénient tient au fait qu'il faut alimenter électriquement une bobine mobile afin de contrôler la force F développée par le moteur sous l'effet du flux cl) crée par les aimants. Dans ces deux types d'actionneurs linéaires, la partie mobile est complexe à réaliser et son poids est difficile à réduire car, dans le cas des aimants mobiles, ils doivent avoir une épaisseur suffisante pour éviter leur démagnétisation, et dans le cas des bobines mobiles, il faut un nombre suffisant de conducteurs pour produire la force souhaitée. De plus, dans l'actionneur à aimants mobiles, la partie mobile doit assurer le maintien et le guidage des aimants qui sont des facteurs de surdimensionnement en poids et en volume de cette partie. Dans le cas de l'actionneur à bobines mobiles, il faut assurer leur alimentation et leur rigidité. Un inconvénient supplémentaire réside dans l'évacuation de la chaleur des conducteurs électriques. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients en proposant un actionneur linéaire dont la partie mobile est en matériau ferromagnétique, rigide, légère et simple à réaliser. Pour cela, un premier objet de l'invention est un actionneur linéaire à prise directe, comprenant une partie mobile destinée à se déplacer linéairement à l'intérieur d'une partie fixe, caractérisé en ce que ladite partie fixe comprend d'une part au moins deux bobines de fils conducteurs alimentés par un courant électrique, logées dans un châssis métallique conçu pour canaliser le flux magnétique généré par les bobines, et d'autre part au moins deux aimants consécutifs, de même dimensions et de polarités contraires, et en ce que la partie fixe comporte un espace central dans lequel se déplace la partie mobile qui est constituée de deux pièces distinctes, solidaires, en matériau ferromagnétique, sous l'action de la commutation des flux induits par les bobines par rapport aux flux induits par les courants. Selon une autre caractéristique de l'actionneur linéaire, la partie fixe est réalisée à partir de deux châssis parallélépipédiques creusés chacun par au moins un couple de cavités parallèles à travers lesquelles est enroulé le fil conducteur d'une bobine et à partir de deux groupes de deux aimants de mêmes dimensions et de polarités contraires, associés chacun à un châssis et en ce que les deux pièces ferromagnétiques de la partie mobile soient dimensionnées et disposées l'une par rapport à l'autre de sorte que chaque pièce se déplace entre deux aimants de deux châssis parallèles, placés en vis-à-vis, pour que le flux magnétique généré par chaque aimant passe par l'aimant voisin du même châssis, de polarité contraire, et suive le même trajet par les deux pièces ferromagnétiques que le flux magnétique généré par les deux bobines dans le même sens ou dans le sens contraire. Selon une autre caractéristique de l'actionneur linéaire, la partie fixe est réalisée à partir d'un châssis cylindrique creux métallique, creusé par au moins un couple de cavités circulaires parallèles, de même diamètre, dans chacune desquelles est réalisée une bobine magnétique et à partir d'au moins deux aimants circulaires, de polarités contraires et de même diamètre, situés sur la paroi interne du châssis, côte à côte, au centre desquels se déplace la partie mobile dont les deux pièces, de forme cylindrique et de diamètre inférieur au diamètre intérieur des aimants, ont une longueur inférieure à la longueur de chaque courant. Un second objet de l'invention est un procédé de fonctionnement d'un actionneur linéaire à prise directe selon les caractéristiques précédentes, caractérisé en ce qu'il est commandé par le sens du courant dans les deux bobines, de sorte que la partie mobile glisse d'une position extrême instable, définie quand le flux magnétique créé par les aimants est contraire au flux magnétique créé par le courant circulant dans les conducteurs, vers une autre position extrême stable, définie quand le flux créé par les aimants est dans le même sens que celui créé par les conducteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont, outre les figures 1, 2a et 2b déjà décrites: - la figure 3: une coupe transversale schématique d'un premier exemple de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention; les figures 4a à 4d: les trajets des flux magnétiques créés par les aimants et par les bobines dans les différentes positions de la partie mobile; - les figures 5a et 5b: une coupe transversale et une coupe radiale d'un deuxième exemple de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention; la figure 6: une coupe transversale schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention; les figures 7a à 7d: les trajets des flux générés par les aimants, respectivement par les bobines, dans les différentes positions de la partie mobile de l'actionneur. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. 30 L'actionneur linéaire à prise directe selon l'invention comprend une partie mobile se déplaçant linéairement à l'intérieur d'une partie fixe comprenant, dans le premier exemple de réalisation représenté sur la figure 3, d'une part deux bobines 10 de fil conducteur logées chacune dans un châssis métallique parallélépipédique 11, et d'autre part deux couples d'aimants 12a et 12b de polarités contraires. Dans l'exemple de la figure 3, les châssis sont parallélépipédiques avec deux cavités 13a et 13b parallèles, à travers lesquelles sont enroulés les fils conducteurs des deux bobines 10. Les deux châssis 11 sont symétriques par rapport au plan de déplacement de la partie mobile 14. Les deux aimants 12a et 12b de chaque couple associé à une bobine sont placés chacun sous une cavité de passage des fils conducteurs. La partie mobile 14 de l'actionneur linéaire est destinée à se déplacer dans l'espace séparant les deux châssis placés en vis-à-vis, et est constituée de deux pièces 15a et 15b distinctes, solidaires, en matériau ferromagnétique, permettant le passage du flux magnétique à travers elles. Les deux pièces 15a et 15b sont dimensionnées et disposées l'une par rapport à l'autre de sorte que chacune d'elles se déplace entre deux aimants 12a, respectivement 12b, de deux châssis 11 différents en vis-àvis, d'un bord à l'autre du même aimant 12a ou 12b. Les figures 4a à 4d représentent les trajets du flux magnétique cpa créé par les aimants dans les deux positions extrêmes de déplacement de la partie mobile ainsi que le flux (Pb généré par les deux bobines selon le sens de circulation du courant électrique qui les parcourt. Le flux créé par les aimants passe par l'aimant voisin de polarité contraire et traverse successivement les deux pièces 15a et 15b ferromagnétiques pour aboutir dans les aimants en vis-à-vis. Le flux (pb généré par les bobines, dont les courants électriques sont obligatoirement de même sens, passe également par les pièces mobiles. La figure 4a correspond à une position instable de la partie mobile, car le flux cpb généré par les deux bobines 10 et passant par les deux pièces mobiles est de sens contraire au flux (Pa généré par les aimantsl2a ou 12b, de sorte que la partie mobile de l'actionneur va tendre vers une position stable, représentée sur la figure 4b où le flux généré par les bobines et passant par les deux pièces mobiles qui se sont déplacées est de même sens que celui créé par les aimants. Pour provoquer un nouveau déplacement de la partie mobile, le sens du courant dans les deux bobines 10 est inversé et la position précédente devient instable car le flux généré par les bobines a changé de sens (figure 4c). Ainsi, la partie mobile va se déplacer pour se mettre en position stable (figure 4d), les deux flux magnétiques créés par les aimants et les bobines étant de même sens. Pour que, dans les positions extrêmes de la partie mobile, les flux magnétiques passent au maximum par les deux pièces mobiles, les deux châssis sont percés chacun d'une cavité 16 parallèle aux deux cavités 13a et 13b et placée entre elles, de façon à créer un vide dans lequel les flux ne vont presque pas passer. La forme de cette cavité 16, comme celle des deux cavités 13a et 13b de logement des bobines, présentent une coupe transversale telle que le flux magnétique est canalisé autour des conducteurs d'une part et passe par les pièces mobiles en matériau ferromagnétique d'autre part. Les quatre zones de la partie fixe qui séparent ces trois cavités constituent des pôles 17 à travers chacun desquels le flux créé par une bobine a une direction unique. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la longueur des aimants est égale à la moitié de celle d'un châssis et la longueur d'une pièce mobile est inférieure à celle d'un aimant mais toujours supérieure à la longueur d'un pôle 17. Les différentes figures montrent la nécessité de placer en vis-à-vis deux couples d'aimants, car le flux généré par chaque aimant se dirige dans l'aimant de polarité contraire, situé à côté de lui. Dans les positions stables, le flux créé par les bobines est maximal dans le sens du flux créé par les aimants, et quand la partie mobile centrale se déplace, la réluctance vue par les aimants reste constante, ce qui représente une caractéristique importante du moteur. De cette façon, l'évolution de la force qui est proportionnelle au courant ne dépend que de la tension appliquée et elle est indépendante de la partie mobile. La force développée par l'actionneur linéaire est proportionnelle au courant dans les bobines, qui peuvent être connectées en série ou en parallèle, ce qui permettrait de commander l'actionneur avec une seule bobine. Selon un deuxième exemple de réalisation, l'actionneur linéaire peut être axisymétrique, en particulier de forme cylindrique, comme le montrent les figures 5a et 5b qui sont des vues en coupe axiale, respectivement radiale. Dans ce cas, la partie fixe de l'actionneur est constituée d'un châssis 21 métallique, cylindrique évidé en son centre selon son axe de symétrie A, et creusé de deux cavités 23a et 23b en forme d'anneau. A l'intérieur de chaque cavité, deux bobines 20 parallèles, centrées sur l'axe A sont réalisées à partir d'un fil conducteur, parcouru par des courants de sens contraire l'un par rapport à l'autre. La partie fixe comprend également deux aimants cylindriques creux 22a et 22b, de polarités contraires, de même diamètre, centrés sur l'axe A et mis bout à bout contre la paroi interne du châssis 21. Au milieu de cette partie fixe, le long de l'axe de symétrie A, se déplace la partie mobile 24 de l'actionneur, qui est composée de deux cylindres pleins 25a et 25b, en matériau ferromagnétique, de diamètre inférieur à celui des aimants. Comme pour le premier exemple de réalisation, une cavité 26 en forme d'anneau est creusée entre les deux cavités 23a et 23b, parallèlement à elles, de façon à créer un vide dans lequel le flux magnétique cf), ne passe pas et quatre pôles par lesquels il passe. La longueur de chaque pièce ferromagnétique est inférieure à celle d'un aimant, et peut être égale en particulier à la moitié de celle d'un aimant. Le trajet du flux magnétique est radial comme le montre la figure 5b. L'avantage d'un actionneur axisymétrique est que la partie mobile peut tourner librement par rapport à la partie fixe. Ce type d'action est très adapté pour réaliser des mouvements combinés à la fois linéaires et rotatifs, en particulier dans les dispositifs de changement de vitesse. Selon un troisième exemple de réalisation représenté schématiquement en coupe transversale sur la figure 6, l'actionneur linéaire à prise directe comprend une partie mobile 34, constituée de deux pièces 35a et 35b distinctes, solidaires, en matériau ferromagnétique comme décrites pour le premier exemple de réalisation. Cette partie mobile se déplace entre deux châssis métalliques 31 fixes et parallèles, de forme parallélépipédique, creusés chacun par deux couples de cavités 33a et 33b parallèles, à travers chacun desquels est enroulée une bobine 30. Les courants parcourant les deux bobines d'un même châssis sont inversés. La partie fixe comprend également deux couples d'aimants 32a et 32b de polarités contraires et de mêmes dimensions, situés chacun entre deux cavités 33a ou 33b d'une bobine 30. Les aimants sont de plus séparés de la partie mobile de l'actionneur, qui se déplace dans l'espace séparant les deux châssis, par deux cavités 36a et 36b. Chaque bobine entoure une desdites cavités créant un vide entre l'aimant et la partie mobile, dans le but de canaliser le flux magnétique généré par la bobine, créant ainsi quatre pôles 37. La longueur de chaque pièce ferromagnétique de la partie mobile de l'actionneur est supérieure à la longueur d'un pôle définie par la forme des cavités 33a, 33b et 36a par exemple. Les figures 7a et 7b représentent les trajets des flux générés par les aimants, respectivement par les bobines, alors que la partie mobile 34 de l'actionneur est en position instable, pour un sens déterminé des courants dans les quatre bobines. Les figures 7c et 7d représentent ces mêmes flux respectifs alors que la partie mobile s'est déplacée vers une position stable, le sens des courants dans les bobines étant resté le même. Sur la figure 7a, le flux (Pab créé par les deux aimants 32b en vis-à-vis, qui sont entourés par les deux pièces mobiles 35a et 35b, sort du Nord de chacun d'eux pour aller vers le Sud de l'autre en passant précisément par ces deux pièces ferromagnétiques et en contournant les cavités centrales 36b des deux châssis 31. Le flux cpaa créé par l'autre couple d'aimants 32a en vis-à-vis parcourt un trajet plus court, ne passant que par une seule pièce mobile 35a. Sur la figure 7b, le flux (Pb généré par les quatre bobines passe également par les deux pièces ferromagnétiques mobiles 35a et 35b mais suivant un sens contraire à celui du flux créé par les aimants 32b, en raison du sens du courant dans les bobines. C'est pourquoi cette position de la partie mobile de l'actionneur est instable et cette dernière va se déplacer vers une position stable, représentée sur les figures 7c et 7d. Sur ces deux figures représentant respectivement les trajets des flux générés par les aimants et par les bobines, on constate que les sens des flux sont les mêmes, passant toujours par les deux pièces de la partie mobile de l'actionneur. Un autre objet de l'invention est un procédé de fonctionnement d'un actionneur linéaire à prise directe tel que décrit précédemment, qui est commandé par le sens du courant dans les bobines, de sorte que la partie mobile glisse d'une position extrême instable, définie quand le flux magnétique créé par les aimants est contraire au flux magnétique créé par le courant circulant dans les conducteurs des bobines, vers une autre position extrême stable, définie quand le flux créé par les aimants est dans le même sens que celui créé par les conducteurs. La présente invention présente les avantages suivants par rapport aux actionneurs linéaires actuellement connus: la partie mobile de l'actionneur n'ayant ni aimants ni bobines de fils conducteurs est plus légère et plus compacte, donc plus facile à déplacer et son guidage est plus simple à intégrer. De plus, la commande de l'actionneur est plus facile à réaliser que dans le cas des moteurs à bobine mobile; l'évacuation thermique des aimants et de la bobine se fait par le châssis externe de l'actionneur; la fiabilité de l'actionneur est accrue car les aimants et les bobines, sur la partie fixe, reçoivent moins de chocs que dans les réalisations antérieures. 9 REVENDICATIONS 1. Actionneur linéaire à prise directe comprenant une partie mobile destinée à se déplacer linéairement à l'intérieur d'une partie fixe, caractérisé en ce que ladite partie fixe comprend d'une part au moins deux bobines de fils conducteurs alimentés par un courant électrique, logées dans un châssis métallique conçu pour canaliser le flux magnétique généré par les bobines, et d'autre part au moins deux aimants consécutifs, de même dimensions et de polarités contraires, et en ce que la partie fixe comporte un espace central dans lequel se déplace la partie mobile qui est constituée de deux pièces distinctes, solidaires, en matériau ferromagnétique, sous l'action de la commutation des flux induits par les bobines par rapport aux flux induits par les courants. 2. Actionneur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie fixe est réalisée à partir de deux châssis parallélépipédiques creusés chacun par au moins un couple de cavités parallèles à travers lesquelles est enroulé le fil conducteur d'une bobine et à partir de deux couples d'aimants, de mêmes dimensions et de polarités contraires, associés chacun à un châssis et en ce que les deux pièces ferromagnétiques de la partie mobile soient dimensionnées et disposées l'une par rapport à l'autre de sorte que chaque pièce se déplace entre deux aimants de deux châssis parallèles, placés en vis-à-vis, pour que le flux magnétique généré par chaque aimant passe par l'aimant voisin du même châssis, de polarité contraire, et suive le même trajet par les deux pièces ferromagnétiques que le flux magnétique généré par les deux bobines dans le même sens ou dans le sens contraire. 3. Actionneur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie fixe est réalisée à partir de deux châssis (11) parallélépipédiques creusés chacun par deux cavités (13) parallèles à travers lesquelles est enroulée une bobine (10) et à partir de deux couples d'aimants (12a, 12b), de même largeur égale à la moitié de la longueur d'un châssis et de polarités contraires côte à côte et en vis-à- vis. 4. Actionneur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie fixe est réalisée à partir de deux châssis (31) parallélépipédiques creusés chacun par deux couples de cavités (33a et 33b) parallèles à travers chacun desquels est enroulée une bobine (30), les courants circulant dans deux bobines d'un même châssis étant de sens contraire et à partir de deux couples d'aimants (32a, 32b) de même longueur et de polarités contraires, situés chacun entre deux cavités d'une bobine. 5. Actionneur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie fixe est réalisée à partir d'un châssis (21) cylindrique creux métallique, creusé par au moins deux cavités (23a, 23b) circulaires parallèles, de même diamètre, dans chacune desquelles est réalisée une bobine magnétique (20) et à partir d'au moins deux aimants circulaires (22a, 22b), de polarités contraires et de même diamètre, situés sur la paroi interne du châssis, côte à côte, au centre desquels se déplace la partie mobile dont les deux pièces (25a, 25b), de forme cylindrique et de diamètre inférieur au diamètre intérieur des aimants, ont une longueur inférieure à la longueur de chaque aimant. 6. Actionneur linéaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur de chaque pièce ferromagnétique (25a, 25b) de la partie mobile est égale à la moitié de la longueur d'un aimant (22a, 22b) le long duquel elle se déplace, la longueur dudit aimant étant égale à la moitié de celle du châssis (21). 7. Actionneur linéaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux châssis (11) sont percés chacun d'une cavité (16) parallèle aux deux cavités (13a et 13b) et placée entre elles, de façon à créer un vide dans lequel le flux magnétique ne passe pas, en ce que la forme de ladite cavité (16), comme celle des deux cavités (13a et 13b) de logement des bobines, présentent une coupe transversale telle que le flux magnétique est canalisé autour des conducteurs d'une part et passe par les quatre pôles (17) créés et par les pièces mobiles en matériau ferromagnétique d'autre part, et en ce que la longueur de chaque pièce ferromagnétique (15a, 15b) de la partie mobile est supérieure à celle d'un pôle (17) à travers lequel passe le flux. 8. Actionneur linéaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que le châssis (21) est percé d'une cavité (26) parallèle aux deux cavités (23a, 23b) et placée entre elles, de façon à créer un vide dans lequel le flux magnétique ne passe pas et quatre pôles (27) par lesquels il passe, en ce que la forme desdites trois cavités (23a, 23b 26) présentent une coupe transversale telle que le flux magnétique est canalisé autour des conducteurs et passe par les quatre pôles (27) ainsi que par les pièces mobiles en matériau ferromagnétique, et en ce que la longueur de chaque pièce ferromagnétique (35a, 35b) de la partie mobile est supérieure à celle d'un pôle (37) défini par la forme des cavités. 9. Procédé de fonctionnement d'un actionneur linéaire à prise directe selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est commandé par le sens du courant dans les deux bobines, de sorte que la partie mobile glisse d'une position extrême instable, définie quand le flux magnétique créé par les aimants est contraire au flux magnétique créé par le courant circulant dans les conducteurs, vers une autre position extrême stable, définie quand le flux créé par les aimants est dans le même sens que celui créé par les conducteurs.