Brevet FR2903823A1 — publié le 20080118

L'invention concerne un élément actif de machine électromagnétique, un procédé de fabrication d'un tel élément actif, ainsi qu'une machine comportant un tel élément actif. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION On connaît des machines électromagnétiques linéaires ayant deux parties mobiles relativement l'un à l'autre selon une direction de coulissement. Au moins l'une des parties comporte des éléments actifs comprenant, disposées dans le sens de la direction de coulisse-ment, une succession de portions ayant diverses propriétés magnétiques. Dans les machines à réluctance variable, les par- tions de chaque élément actif sont alternativement ferro-magnétiques et amagnétiques. Dans les machines à aimants permanents, les éléments actifs de l'une des parties comportent des portions alternativement ferromagnétiques et amagnétiques, tandis que les éléments actifs de l'autre partie comportent des portions alternativement aimantées dans un premier sens et aimantées dans un second sens op-posé au premier sens. Les deux parties sont placées en interaction électromagnétique, l'une des parties étant associée à des moyens de génération de champ magnétique. La génération de champs magnétiques entraîne l'apparition de forces magnétiques tendant à déplacer relativement les parties selon la direction de coulissement. Alternativement, la ma-chine peut fonctionner en générateur en imposant un dé- placement relatif aux deux parties. Dans un premier type de machine électromagnétique, les portions formant les éléments actifs sont en forme de plaques ou de lames. Les éléments actifs des deux parties sont parallèles et forment respectivement des peignes imbriqués l'un dans l'autre de sorte qu'un 2903823 2 élément actif d'une des parties s'étend entre deux éléments actifs de l'autre partie (sauf bien sûr pour les éléments actifs externes). Dans un mode de réalisation illustré par la fi- 5 Bure 5 du document FR 2 588 133, les portions formant les éléments actifs de la partie mobile sont divisées en deux sous-portions qui s'étendent de part et d'autre d'un support. central qui maintient les sous-portions par une de leurs extrémités et reprend les efforts magnétiques subis 10 par les parties. Les portions formant les éléments actifs de la partie fixe sont également divisées en deux sous-portions qui sont chacune maintenues par une de leur extrémités par un support externe. Ces supports sont complexes à fabriquer et reçoivent les sous-portions par une de leur extrémité, de sorte que ces dernières sont en porte-à-faux et subissent donc des contraintes tendant à les déchausser du support qui les reçoit. En outre, l'extrémité des sous-portions qui est engagée dans les supports n'est pas en interaction magnétique avec les sous-portions de l'élément actif en regard, et ne participe donc pas au fonctionnement de la machine. De plus, la présence des supports centraux et des supports externes augmente l'encombrement de la ma-chine. Les supports ne participent pas non plus à 25 l'interaction magnétique entre les éléments actifs et occupent donc une place précieuse tendant à limiter la puissance volumique de la machine. Dans un deuxième type de machine électromagnétique illustré dans l'article "Actionneur linéaire syn- 30 chrone à aimants permanents multi-tiges", présenté au colloque "Electrotechnique du futur, SUPELEC, 9-10 décembre 2003", les éléments actifs de la partie mobile sont en forme de tiges et comportent des portions cylindriques enfilées sur un support central. Le support central main- 35 tient les portions et reprend mécaniquement les efforts 2903823 3 magnétiques subis par les portions, et rigidifie la tige. De la même façon que pour les plaques, le support central ne contribue pas aux interactions magnétiques et occupe une place précieuse, tendant à limiter la puis- 5 sance volumique de la machine. Comme suggéré dans le document FR 2 588 133, on peut se passer de support et coller ou braser les portions d'un même élément actif entre eux. Cependant, ce procédé suppose que les portions soient adjacentes et 10 puissent être brasées ou collées. Les efforts magnétiques sont alors mécaniquement transmis par les liaisons ainsi réalisées qui travaillent alors en traction, ce qui n'est pas idéal d'un point de vue mécanique. OBJET DE L'INVENTION 15 L'invention a pour objet un nouvel élément actif offrant une plus grande efficacité. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un élément actif pour machine électromagnétique, comportant 20 une succession selon une direction principale de portions présentant une première propriété magnétique alternées avec des portions présentant une seconde propriété magnétique. Selon l'invention, l'élément actif comporte un revêtement amagnétique mince par rapport à une épaisseur 25 des portions qui s'étend pour recouvrir une partie substantielle d'une surface externe de l'élément actif, le revêtement étant solidarisé à au moins certaines des portions et ayant une résistance mécanique suffisante pour former un organe de transmission mécanique des efforts 30 magnétiques subis par les portions. Ainsi, le revêtement est disposé à l'extérieur de l'élément actif, c'est-à-dire dans une zone d'inertie maximale de sorte que le revêtement contribue à rigidifier fortement l'élément actif, malgré sa minceur. Les 35 interactions électromagnétiques ont alors lieu au travers 2903823 4 le revêtement. Les efforts magnétiques s'exerçant sur les portions sont mécaniquement transmis par cisaillement dans le revêtement, ce qui est très favorable d'un point de 5 vue mécanique. Le revêtement forme ainsi un transmetteur efficace d'efforts, très peu encombrant. Ainsi, dans le cadre d'un élément actif en forme de plaque ou de lame, il est avantageux de prévoir un revêtement comportant deux parois minces qui recouvrent 10 substantiellement les deux grandes faces de l'élément actif par lesquelles ont lieu les interactions électromagnétiques. Dans le cadre d'un élément actif en forme de tige, il est avantageux de prévoir un revêtement comportant une paroi mince tubulaire recouvrant les portions 15 cylindriques. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles : 20 -la figure 1 est une vue en perspective d'une machine électromagnétique comportant des éléments actifs en forme de plaque selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail écorchée d'un élément actif de la machine illustrée à la figure 1 ; 25 - la figure 3 est une vue de détail écorchée d'un autre élément actif de la machine illustré à la figure 2; - la figure 4 est une vue de l'élément actif de la figure 3 illustré en cours de fabrication ; - la figure 5 est une vue de l'élément actif de 30 la figure 3 illustrée en cours de fabrication selon une variante de réalisation ; -la figure 6 est une vue en perspective d'une machine électromagnétique comportant des éléments actifs en forme de tige selon l'invention ; 35 la figure 7 est une vue de détail partiellement 2903823 5 écorchée d'un tronçon d'élément actif de la machine il-lustrée à la figure 5. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est tout d'abord décrite en référence 5 à une machine électromagnétique linéaire à polyentrefers telle que celle illustrée à la figure 1. De façon connue en soi, une telle machine comporte une cage 1 en matériau ferromagnétique recevant ici trois bobinages 2 électriquement alimentés de façon à être déphasés successivement 10 de 120 degrés. Le champ magnétique généré par les bobinages 2 est transmis dans une zone active de la cage 1 dans laquelle s'étendent alternativement : - des éléments actifs en forme de plaques fixes 10 parallèles entre elles et immobiles par rapport à la 15 cage 1 (une seule plaque fixe est référencée). Chacune des plaques fixes 10 comporte une succession d'aimants permanents, comme cela sera détaillé plus loin en relation avec la figure 2; - des éléments actifs en forme de plaques mobiles 20 20 parallèles entre elles et s'étendant chacune entre deux plaques fixes 10 pour présenter avec ces dernières une pluralité d'entrefers (une seule plaque mobile 20 est référencée). Chacune des plaques mobiles 20 comporte une succession de portions ferromagnétiques et de portions 25 amagnétiques, comme cela sera détaillé plus loin en relation avec les figures 3 à 5. Les plaques mobiles 20 sont solidarisées entre elles au moyens de broches 30 s'étendant pour traverser toutes les plaques mobiles 20. Celles-ci coulissent selon une direction de coulissement X 30 en regard des plaques fixes 10. Comme illustré à la figure 2, chaque plaque fixe 10 comporte des aimants permanents 11 orientés selon un premier sens disposés en alternance avec des aimants permanents 12 orientés selon un second sens opposé au pre- 35 mier, comme indiqué par les flèches dessinées sur les ex- 2903823 6 trémités des aimants permanents. Les aimants permanents 11,12 sont des barreaux accolés et forment des portions successives ayant des propriétés magnétiques alternées. Selon un aspect essentiel de l'invention, chaque plaque 5 fixe 10 comporte des parois minces amagnétiques 15 qui s'étendent de part et d'autre de la plaque fixe 10 sur les grandes faces de celle-ci en étant solidarisées aux aimants permanents 11,12, par exemple par collage. Les grandes surfaces sont formées par les parois latérales 10 adjacentes des barreaux. A titre d'exemple, les aimants permanents 11,12 ont une épaisseur de l'ordre de 1 mm, tandis que les parois minces 15 ont une épaisseur de 0,1 mm. Ici, la paroi mince tubulaire 75 est réalisée en bronze. 15 Les parois minces 15 forment des moyens de support des aimants permanents 11,12 très peu encombrants. La totalité de la hauteur des aimants permanents 11,12 est ainsi en mesure interagir électromagnétiquement avec les plaques mobiles 20 en regard au travers des parois 20 minces 15 de sorte que la totalité des aimants est utilisée pour produire des efforts mécaniques sur les plaques mobiles 20. En outre, les parois minces 15 forment les couches externes d'un sandwich dont le cœur est constitué 25 par les aimants permanents 11,12, ce qui donne à la plaque fixe 10 une grande rigidité en flexion. Comme illustré à la figure 3, chaque plaque mobile 20 comporte des portions ferromagnétiques 21 disposées en alternance avec des portions amagnétiques 22. Les 30 portions 21,22 forment des barreaux accolés. Chaque plaque mobile 20 comporte en outre des extrémités 23 amagnétiques s'étendant dans le prolongement des portions 21,22 et destinées à recevoir les broches 30 qui solidarisent les plaques mobiles 20 entre elles pour former l'élément 35 mobile de la machine. Selon un aspect essentiel de l'in- 2903823 7 vention, chaque plaque mobile 20 comporte des parois min-ces 25 qui s'étendent de part et d'autre de la plaque mobile 20 sur les grandes faces de celle-ci en étant solidarisé aux portions 21,22 ainsi qu'aux extrémités 23, par 5 exemple par collage. Outre leur rôle de rigidification déjà mentionné, les parois minces assurent également la transmission mécanique aux extrémités 23 des efforts magnétiques subis par les portions 21,22. La transmission mécanique des ef- 10 forts entre les parois minces 25 et les portions 21,22 se fait par cisaillement, qui est un mode de transmission efficace dans les assemblages collés. Ici également, les parois minces 25 sont réalisées en bronze. Comme illustré à la figure 4, et selon un mode 15 préféré de réalisation, chaque plaque mobile 20 est obtenue en utilisant une tôle en matériau amagnétique 26 dans laquelle des fenêtres 27 parallèles sont découpées pour recevoir les portions ferromagnétiques 21. Pour la réalisation d'une plaque mobile 20, on colle sur une grande 20 face de la tôle découpée 26 une paroi mince 25, ici sur la grande face inférieure. Puis on place les portions ferromagnétiques 21 dans les fenêtres 27. L'une des portions ferromagnétiques 21 est illustrée en cours de mise en place dans l'une des fenêtres 27. Puis on colle l'au- 25 tre paroi mince 25 sur la grande face supérieure de la tôle découpée 26. On arase alors les bords latéraux de la tôle découpée 26 selon les pointillés de sorte que les partie de la tôle découpée 26 qui subsistent entre les portions ferromagnétiques 21 forment les portions amagné- 30 tiques 22. Il reste alors à percer les extrémités 23 pour réaliser les orifices de réception des broches 30. En variante illustrée à la figure 5, la tôle dé-coupée 26 est réalisée en matériau ferromagnétique, tan-dis que les fenêtres sont remplies de résine 28 liquide 35 destinée à former les portions amagnétiques. 2903823 8 Après durcissement de la résine, collage de la paroi mince 25 supérieure, et arasement des bords latéraux selon les pointillés, les parties de la tôle découpée s'étendant entre les fenêtres forment les portions 5 ferromagnétiques 21 tandis que la résine 28 forme les portions amagnétiques 22. Le procédé de fabrication illustré ici aux figures 4 et 5 peut bien évidemment être appliqué à une plaque fixe, ou même à une plaque sans extrémité. De même, 10 on peut laisser les fenêtre vides, l'air qui s'y trouve formant les portions amagnétiques. Dans les machines connues, on cherche à garder des vides entre les plaques en regard pour éviter qu'elles ne se touchent, car les portions en regard ne sont 15 pas recouvertes et risquent donc de coulisser les unes contre les autres et de s'accrocher du fait des multiples arêtes à la frontière entre les portions. Le maintien de ces vides nécessite un guidage externe des plaques mobiles par rapport aux plaques fixes et donnent lieu à des 20 instabilités magnétiques ayant tendance à rapprocher les plaques les unes des autres, et donc à les solliciter en flexion, ce qui conduit à des entrefers variables. Ces vides augmentent considérablement les entrefers entre les plaques, et diminuent donc le rendement de la machine. 25 Au contraire ici, et selon un aspect particulièrement intéressant de l'invention, la machine de la figure 1 est conçue de sorte qu'en fonctionnement, les plaques fixes 10 et les plaques mobiles 20 coulissent avec un jeu très faible autorisant le contact entre les pla- 30 ques. Le guidage précis ainsi réalisé permet de maintenir l'entrefer entre les parties magnétiques de deux plaques en regard sensiblement constant et égal au maximum à l'épaisseur des parois minces frottant entre elles augmentée du jeu de coulissement. Les plaques sont ici en 35 contact par l'intermédiaire de leurs parois minces 15,25 2903823 9 qui sont continues et sans arêtes, ce qui facilite leur glissement. En outre, le guidage précis ainsi réalisé augmente la rigidité et donc la résistance au flambage des 5 plaques mobiles 20, qui peuvent être longues. Les plaques mobiles 20 peuvent ainsi être montées flottantes sur les broches 30. Le matériau utilisé pour les parois minces 15,25 (ici du bronze) autorise un glissement relatif des pla- 10 ques avec un faible coefficient de frottement. En va-riante, les parois minces 15,25 pourront être réalisées dans un autre matériau amagnétique et, si ce matériau ne possède pas un coefficient de frottement favorable, les parois minces 15,25 seront avantageusement revêtues d'une 15 couche superficielle à faible coefficient de frottement, par exemple du polytétrafluoroéthylène (PTFE), compatibles avec les conditions de fonctionnement de la machine, et notamment la température interne. L'invention est maintenant illustrée en référence 20 à une machine électromagnétique linéaire à tiges illustrée à la figure 6. Ce type de machine comporte également une cage 51 recevant trois bobinages 52 déphasés à 120 degrés. Le champ magnétique généré par les bobinages 52 est transmis 25 dans une zone active de la cage 51 dans laquelle s'étendent : - un noyau fixe 60 composé d'aimants permanents en forme de disques ayant des aimantations alternées ; - des tiges mobiles 70 parallèles entre elles et 30 s'étendant dans des orifices du noyau fixe 60 pour présenter avec ce dernier des entrefers annulaires (une seule tige mobile 70 est référencée). Chacune des tiges mobiles 70 comporte une succession de portions ferromagnétiques et de portions amagnétiques, comme cela sera 35 détaillé plus loin en relation avec la figure 6. Les ti-2903823 10 ges mobiles 70 sont solidarisées entre elles au moyen d'une bride 80 à laquelle sont fixées les extrémités des tiges mobiles 70. Celles-ci coulissent selon une direction de coulissement X. 5 Le noyau fixe 60 joue ici le même rôle que les plaques fixes 10, tandis que les tiges mobiles 70 jouent le même rôle que les plaques mobiles 20. Comme cela est visible à la figure 7, chaque tige mobile 70 comporte des portions ferromagnétiques 71 dis- 10 posées en alternance avec des portions amagnétiques 72. Chaque tige mobile 70 comporte en outre des extrémités 73 amagnétiques filetées s'étendant dans le prolongement des portions 71,72 et destinées à être reçues sur l'une des brides 80 qui solidarisent les tiges mobiles 70 entre el- 15 les pour former l'élément mobile de la machine. Selon un aspect essentiel de l'invention, chaque tige mobile 70 comporte une paroi mince tubulaire 75 (représentée partiellement écorchée pour plus de clarté de la figure) qui s'étend autour de la tige mobile 70 en étant solidarisée 20 aux portions 71,72 ainsi qu'aux extrémités 73, par exemple par collage. L'interaction électromagnétique entre les portions des tiges mobiles et le noyau fixe se fait au travers de la paroi mince tubulaire 75. De la même façon que pour les plaques, la paroi 25 mince tubulaire 75 maintient les portions 71,72, rigidifie fortement la tige mobile 70, et transmet mécanique-ment les efforts magnétiques subis par les portions 71,72 aux extrémités 73 (par cisaillement, comme précédemment). En outre, l'absence de support central permet de 30 réaliser des portions 71,72 pleines, sans orifice cen- tral, ce qui augmente le rendement de la machine. Selon un aspect particulièrement intéressant de l'invention, les tiges mobiles 70 sont reçues dans les orifices du noyau fixe 60 à glissement avec un faible 35 jeu, autorisant les contacts entre les tiges mobiles 70 2903823 11 et le noyau fixe 60. Ainsi, les tiges mobiles 70, qui peuvent être longues, sont parfaitement guidées, ce qui augmente leur rigidité et leur résistance au flambage. En outre, l'entrefer est parfaitement maîtrisé et sensible- 5 ment égal au maximum à l'épaisseur de la paroi mince tubulaire 75 augmentée du jeu de coulissement. Ici, la paroi mince tubulaire 75 est réalisée en bronze, matériau présentant un faible coefficient de frottement. La paroi mince tubulaire 75 frotte directement dans l'orifice du 10 noyau fixe. Cependant, la paroi mince 75 est continue et sans arêtes, ce qui favorise le coulissement de la tige mobile associée. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante 15 entrant dans le cadre défini par les revendications. En particulier, bien que l'on ait décrit ici des machines dont certains des éléments actifs ont portions aimantées, on pourra bien sûr appliquer l'invention à d'autres types de machines, par exemple des machines à 20 réluctance variable sans aimants permanents, les portions composant les éléments actifs étant alors alternativement ferromagnétiques et amagnétiques. Bien que les portions d'un élément actif aient été ici illustrées adjacentes, un vide pourra être laissé 25 entre les portions. Bien plus, une portion pourra être entièrement constituée de vide. Bien que les éléments actifs illustrés ici comportent un revêtement externe sous la forme d'une ou plu-sieurs parois minces continues recouvrant l'intégralité 30 d'une face externe de l'élément actif, le revêtement pourra prendre d'autres formes. En particulier, le revêtement pourra comporter non des parois continues mais des bandes qui s'étendent selon la direction de coulissement de l'élément actif à la surface de l'élément actif. De 35 préférence alors, les bandes d'un élément actif seront 2903823 12 agencées pour être en regard des bandes de l'élément actif en regard. Dans tous les cas, il importe que le revêtement soit suffisamment solide pour pouvoir reprendre mécaniquement les efforts magnétiques subis par les por- 5 tions de l'élément actif. Bien que l'on ait indiqué que le revêtement est collé aux portions, on pourra utiliser d'autres modes de liaison. Le revêtement peut par exemple être obtenu par enduction des portions avec un matériau chauffé qui, en 10 refroidissant, forme le revêtement. Le revêtement peut encore être projeté sur les portions en phase gazeuse. Bien que l'on ait indiqué que toutes les portions sont solidarisées au revêtement, on pourra ne solidariser que certaines des portions, par exemple une portion sur 15 deux. Les efforts magnétiques seront alors transmis à la ou les parois minces uniquement par les portions solidarisées, toujours en cisaillement. Enfin, bien que l'on ait décrit l'invention en relation avec des machines électromagnétiques linéaires, 20 on pourra appliquer l'invention à des machines rotatives, comportant par exemple des éléments actifs en forme de disques. Dans ce cas, les portions s'étendent selon des secteurs angulaires et sont alternées selon une direction principale qui s'étend selon un cercle. Le revêtement 25 comporte alors deux parois minces qui s'étendent sur les deux grandes faces du disque formées par les faces latérales adjacentes des portions. REVENDICATIONS 1. Elément actif (10;20;70) pour machine électromagnétique, comportant une succession alternée selon une direction principale (X) de portions (11;21;71) présentant une première propriété magnétique et de portions (12;22;72) présentant une seconde propriété magnétique, caractérisé en ce que l'élément actif comporte un revête-ment amagnétique mince (15;25;75) par rapport à une épaisseur des portions qui s'étend pour recouvrir une partie substantielle d'une surface externe de l'élément actif, le revêtement étant solidarisé à au moins certaines des portions et ayant une résistance mécanique suffisante pour former un organe de transmission mécanique des efforts magnétiques subis par les portions. 2. Elément actif selon la revendication 1, dans lequel les portions sont des barreaux (11,12;21,22) de sorte que l'élément actif est substantiellement en forme de plaque présentant deux grandes faces opposées formées par des faces latérales adjacentes des barreaux, le revêtement (15;25) s'étendant pour recouvrir une partie substantielle des grandes faces. 3. Elément actif selon la revendication 2, dans lequel le revêtement comporte deux parois minces (15;25) rapportées sur les grandes faces de l'élément actif. 4. Elément actif selon la revendication 1, dans lequel les portions sont en forme de tronçons cylindriques (71,72) de sorte que l'élément actif est substantiellement en forme de tige présentant une face périphé- rique, le revêtement (75) s'étendant pour recouvrir au moins une partie substantielle de la face périphérique. 5. Elément actif selon la revendication 4, dans lequel le revêtement (75) comporte une paroi mince tubulaire s'étendant autour de l'élément actif. 6. Elément actif selon la revendication 1, com- 2903823 14 portant au moins une extrémité qui s'étend dans le prolongement des portions et qui est solidarisée au revête-ment de sorte que les efforts magnétiques subis par les portions soient mécaniquement transmis à l'extrémité par 5 le revêtement. 7. Machine électromagnétique comportant au moins un élément actif selon l'une des revendications précédentes,'dans lequel l'élément actif est reçu à coulissement dans une partie fixe de la machine avec un faible jeu au-10 torisant des contacts entre l'élément actif et la partie fixe de la machine. 8. Machine électromagnétique comportant une pluralité d'éléments actifs selon la revendication 2, imbriqués de sorte qu'un élément actif mobile se trouve entre 15 deux éléments actifs fixes, dans laquelle les éléments actifs coulissent avec un faible jeu autorisant des con-tacts entre les éléments actifs en regard. 9. Machine électromagnétique selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans laquelle le revêtement 20 présente au moins une couche superficielle à faible coefficient de frottement. 10. Machine électromagnétique linéaire selon la revendication 9 dans lequel l'ensemble du revêtement est réalisé dans un matériau à faible coefficient de frotte- 25 ment. 11. Procédé de fabrication d'un élément actif selon la revendication 2, comportant les étapes de: - découper des fenêtres parallèles dans une tôle (26) présentant une première propriété magnétique; ou 30 laisser les fenêtres vides ; - rapporter dans les fenêtres des portions pré-sentant une deuxième propriété magnétique; - appliquer sur les deux faces de la tôle un revêtement qui recouvre substantiellement la tôle portions; 35 -araser des bords latéraux de la tôle de sorte 2903823 15 que les parties de la tôle qui s'étendent entre deux fenêtres forment elles-mêmes des portions.