Brevet FR2948228A1 — publié le 20110121

Actionneur électromagnétique à aimant permanent amélioré L'invention a pour domaine celui des actionneurs électromagnétiques à aimant permanent du type comportant : un aimant permanent ayant une première face présentant une première polarité et une seconde face présentant une seconde polarité opposée à la première ; une bobine apte à être alimentée par un courant électrique ; une première pièce polaire comportant une première extrémité placée en contact de la première face de l'aimant permanent et une portion formant noyau s'étendant à travers la bobine ; une seconde pièce polaire comportant une première extrémité placée en contact de la seconde face de l'aimant permanent et une portion s'étendant à l'extérieur de la bobine ; une pièce d'actionnement disposée au voisinage de l'entrefer séparant des secondes extrémités de la première pièce polaire et de la seconde pièce polaire, l'actionneur étant muni d'un circuit magnétique formant une boucle passant à travers la bobine et comportant la première pièce polaire, la pièce d'actionnement et la seconde pièce polaire. Les actionneurs électromagnétiques à aimant permanent connus présentent le désavantage de ne pas permettre une désaimantation complète de la pièce d'actionnement lorsque l'actionneur est commandé en ouverture. Les aimants permanents utilisés doivent être puissants pour produire, dans l'état de fermeture de l'actionneur, une force de maintien adaptée de la partie d'actionnement. Mais, en contre partie, dans l'état d'ouverture de l'actionneur, le champ magnétique induit par la bobine n'est pas capable de s'opposer au champ magnétique créé par l'aimant permanent. En conséquence, un champ magnétique résiduel subsiste dans l'entrefer entre les pièces polaires de l'actionneur et la pièce d'actionnement subit une force résiduelle d'amplitude relativement importante. Par exemple, dans le cas particulier d'une ventouse électromagnétique à aimant permanent, utilisée pour équiper des portes coupe-feu, l'aimant permanent est dimensionné pour exercer sur la pièce d'actionnement solidaire du vantail de la porte, une force nominale typiquement de l'ordre de 200 kg. Lorsqu'un courant circule dans la bobine, cette force diminue mais ne s'annule pas. La force résiduelle est typiquement de l'ordre de 10 % de la force nominale, soit environ 20 kg. Ainsi, alors que la ventouse est actionnée de manière à permettre l'ouverture de la porte, l'utilisateur doit exercer une force non négligeable sur le vantail de la porte pour vaincre la force résiduelle et ouvrir la porte. Ceci est particulièrement préjudiciable dans le cas d'une utilisation dans un système de sécurité où l'utilisateur doit immédiatement pouvoir ouvrir une issue de secours. Pour résoudre ce problème, les actionneurs électromagnétiques à aimant permanent de l'art antérieur sont équipés d'interrupteurs mécaniques. Lorsque l'actionneur est dans l'état d'ouverture, ces interrupteurs ouvrent le circuit magnétique qui canalise le flux du champ magnétique généré par l'aimant permanent. De cette manière, le champ magnétique à l'intérieur de la pièce d'actionnement est sensiblement nul et, par conséquent, la pièce d'actionnement n'est soumise à aucune force résiduelle dans l'état d'ouverture de l'actionneur. De tels interrupteurs mécaniques rendent la fabrication de l'actionneur plus complexe. Mais surtout, ils sont soumis à des contraintes mécaniques importantes au cours de l'utilisation de l'actionneur et sont souvent la cause de la défaillance de ce dernier. Etant peu fiables, les actionneurs électromagnétiques à aimant permanent repondent difficilement aux normes en vigueur, en particulier dans les dispositifs de sécurité. C'est la raison pour laquelle, les actionneurs électromagnétiques à aimant permanent ne sont que peu utilisés. L'invention a donc pour but de pallier ces problèmes, en proposant un actionneur électromagnétique à aimant permanent présentant une structure simple tout en permettant, lorsqu'il est dans l'état d'ouverture, l'annulation sensiblement complète du champ magnétique dans la pièce d'actionnement. Pour cela, l'invention a pour objet un actionneur électromagnétique du type précité caractérisé en ce qu'il comporte un élément supplémentaire connectant magnétiquement les première et seconde pièces polaires entre elles de manière à définir un second circuit magnétique, le second circuit formant une boucle à l'extérieur de la bobine et comprenant la première pièce polaire, l'élément supplémentaire et la seconde pièce polaire, l'élément supplémentaire étant dimensionné pour autoriser, lorsqu'un courant prédéterminé circule dans la bobine, l'annulation sensiblement complète du flux magnétique traversant la pièce d'actionnement. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'actionneur comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'élément supplémentaire est dimensionné pour autoriser, lorsque aucun courant ne circule dans la bobine, la circulation du la majeure partie du flux magnétique généré par l'aimant permanent dans la pièce d'actionnement à travers le premier circuit ; - l'élément supplémentaire est en un matériau présentant des propriétés magnétiques adaptées, de préférence en un matériau ferromagnétique, de préférence encore dans un matériau ferromagnétique identique à celui utilisé pour les première et seconde pièces polaires ; - les première et seconde pièces polaires ainsi que l'élément supplémentaire délimitent une cavité dimensionnée pour recevoir intérieurement et sans jeu ledit aimant permanent ; - l'élément supplémentaire est venu de matière avec la première ou la seconde pièce polaire. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique, en coupe axiale, d'une ventouse électromagnétique à aimant permanent ; - la figure 2 est une simulation numérique des lignes de champ magnétique circulant dans l'actionneur de la figure 1, celui-ci étant dans l'état de fermeture, aucun courant ne circulant dans la bobine ; et, - la figure 3 est une simulation numérique des lignes de champ magnétique circulant dans l'actionneur de la figure 1, celui-ci étant dans l'état d'ouverture, un courant circulant dans la bobine de l'actionneur. Dans ce qui suit, une ventouse électromagnétique à aimant permanent est décrite en tant qu'exemple particulier d'un actionneur électromagnétique à aimant permanent. La ventouse 1 présente une structure symétrique par révolution autour d'un axe A. La ventouse 1 comporte un aimant permanent 10, une bobine 20, des première et seconde pièces polaires 30 et 40, une pièce d'actionnement 50 et un élément supplémentaire 60. L'aimant permanent 10 a la forme d'un anneau d'axe A, à section rectangulaire. Il présente un diamètre intérieur Dl, un diamètre extérieur D2 et une épaisseur e, selon la direction de l'axe A. L'aimant permanent 10 est par exemple un aimant au samarium cobalt ou un aimant au néodyme fer bore. L'aimant permanent 10 est conformé de manière à présenter une première face transversale 12 ayant une première polarité, par exemple sud magnétique, et une seconde face transversale 14 présentant une seconde polarité opposée à la première, par exemple nord magnétique. La bobine 20 de la ventouse 1 est torique, d'axe A. Elle est réalisée par l'enroulement, sur n spires, d'un fil en un matériau conducteur du courant électrique. Les extrémités du fil constituent deux bornes destinées à être connectées à un générateur de puissance électrique apte à faire circuler un courant électrique d'intensité prédéterminée dans la bobine 20. En réponse à la circulation d'un courant électrique, la bobine 20 induit un champ magnétique. Le flux de ce champ magnétique est canalisé par les pièces polaires 30 et 40 et la pièce d'actionnement 50. Ce flux est tel qu'il s'oppose, tout au moins dans la pièce d'actionnement 50, au flux du champ magnétique créé par l'aimant permanent, de manière à annuler le champ magnétique et par conséquent ses effets dans la pièce d'actionnement 50, pour autoriser la libération aisée de celle-ci. La première pièce polaire 30 de la ventouse 1 présente une portion principale 32, formant un cylindre d'axe A, et une portion d'extrémité 34, formant un disque d'axe A solidaire d'une première face d'extrémité de la portion principale 32. L'autre face d'extrémité de la portion principale 32 porte la référence 35. La portion d'extrémité 34 a un diamètre D3 légèrement supérieur au diamètre extérieur D2 de l'aimant permanent 10. La portion principale a un diamètre D4 inférieur au diamètre intérieur Dl de l'aimant permanent 10. Ainsi, la première pièce polaire 30 est montée de sorte que sa portion principale 32 traverse axialement l'orifice central de l'aimant permanent 10 et la bobine 20. La portion principale 32 constitue le noyau de l'électroaimant de la ventouse 1. Par ailleurs, lors du montage, la face 36 de la portion d'extrémité 34, disposée transversalement à l'axe A et orientée en direction de la bobine 20 est mise en contact de la première face transversale 12 de l'aimant permanent 10. A l'issue du montage, la face d'extrémité 35 de la portion principale 32 est située dans un plan P, transversal à l'axe A. La seconde pièce polaire 40 de la ventouse 1 constitue un carter cylindrique d'axe A, destiné à recevoir intérieurement la bobine 20. Plus précisément, la seconde pièce polaire 40 comporte une paroi latérale 42 et une paroi d'extrémité 44 disposée transversalement à l'axe A et formant le fond du carter. Elle est solidaire d'une extrémité axiale de la paroi latérale 42. Le chant de la paroi latérale à l'opposé de la paroi d'extrémité 44 porte la référence 45. Le chant 45 a une forme annulaire d'axe A. La paroi d'extrémité 44 comporte un trou traversant 46 destiné à recevoir la portion principale 32 cylindrique de la première pièce polaire 30. Dans ce but, le diamètre D5 du trou 46 est supérieur au diamètre D4 de la portion principale 32 de manière à ménager un premier entrefer d'épaisseur f. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, le diamètre du trou 46 est égal au diamètre intérieur Dl de l'aimant permanent 10. Lors du montage, la face 48 de la paroi d'extrémité 44, orientée vers l'extérieur du carter de réception de la bobine, est mise en contact de la seconde face transversale 14 de l'aimant permanent 10. La hauteur, le long de l'axe A, de la paroi latérale 42 est telle que, à l'issue du montage, le chant 45 est situé dans le plan P. La pièce d'actionnement 50 de la ventouse 1 forme un disque d'axe A et de diamètre D6. La pièce d'actionnement 51 est réalisée en un matériau métallique présentant des propriétés magnétiques adaptées. La ventouse 1 comporte un premier circuit magnétique Cl permettant de canaliser le flux du champ magnétique produit par l'aimant permanent 10. Comme cela est visible sur la figure 2, les lignes de champ qui naissent sur la seconde face 14 de l'aimant permanent 10 circulent essentiellement dans la paroi d'extrémité 44 et dans la paroi latérale 42 de la seconde pièce polaire 40 ; puis, après avoir traversé l'interface entre le chant 45 et la pièce d'actionnement 50, les lignes de champ circulent dans la pièce d'actionnement, sensiblement radialement, vers l'axe A ; et, finalement, après avoir traversé l'interface entre la pièce d'actionnement 50 et la face d'extrémité 35, les lignes de champ circulent axialement le long de la portion principale 32 puis radialement dans la portion d'extrémité 34 de la première pièce polaire 30, pour se terminer sur la première face transversale 12 de l'aimant permanent 10. Ainsi, la pièce d'actionnement 50, située au voisinage de l'entrefer entre le chant 45 de la seconde pièce polaire 40 et la face d'extrémité 35 de la première pièce polaire 30, est soumise à une force de maintien orientée sensiblement selon la direction de l'axe A, vers l'aimant permanent 10. Cette force est apte à plaquer la pièce d'actionnement 50 contre la face d'extrémité 35 et le chant 45, dans le plan P. L'actionneur 1 comporte un élément supplémentaire 60. L'élément supplémentaire 60 forme en anneau à section rectangulaire, dont l'axe coïncide avec l'axe A. L'élément supplémentaire 60 est réalisé en un matériau présentant des propriétés magnétiques adaptées. De préférence, ce matériau est un matériau ferromagnétique. De préférence encore, le matériau constitutif de l'élément supplémentaire 60 est identique au matériau constitutif des première et seconde pièces polaires 30 et 40. L'élément supplémentaire 60 est monté de manière à ce qu'une première face transversale 62 soit en contact de la face transversale 36 de la première pièce polaire 30 et qu'une seconde face transversale 64 vienne en contact de la face transversale 48 de la seconde pièce polaire 40. Les faces 36 de la première pièce polaire et 48 de la seconde pièce polaire étant en contact des faces transversales 12 et 14 de l'aimant permanent 10, l'épaisseur, évaluée selon l'axe A, de l'élément supplémentaire 60 est égale à l'épaisseur e de l'aimant permanent 10. Le diamètre intérieur de l'élément supplémentaire 60 est sensiblement égal au diamètre extérieur D2 de l'aimant permanent 10, de manière à ce que la face latérale intérieure 66 de l'élément supplémentaire 60 soit en contact de la périphérie de l'aimant permanent 10. La première pièce polaire 30, l'élément supplémentaire 60 et la seconde pièce polaire 40 délimitent une cavité 70 de réception de l'aimant permanent 10. Les dimensions de la cavité 70 sont ajustées à celles de l'aimant permanent 10 de sorte que celui-ci est logé, sans jeu, dans la cavité 70. La ventouse 1 comporte un second circuit magnétique C2 permettant de canaliser le flux magnétique généré par l'aimant permanent 10. Comme cela est visible sur les figures 2 et 3, les lignes de champ magnétique qui naissent sur la seconde face 14 de l'aimant permanent 10, au voisinage de sa périphérie, se propagent dans la paroi d'extrémité 44 de la seconde pièce polaire 40 ; puis, après avoir franchi l'interface entre la seconde pièce polaire 40 et l'élément supplémentaire 60, les lignes de champs circulent axialement dans l'élément supplémentaire 60 ; et, finalement, après avoir franchi l'interface entre l'élément supplémentaire 60 et la première pièce polaire 30, les lignes de champ rebouclent sur la première face 12 de l'aimant permanent 10. La ventouse 1 peut être dans deux états d'actionnement. Dans le premier état, dit de fermeture et qui correspond à l'état par défaut de la ventouse, la bobine 20 n'est pas alimentée. La pièce d'actionnement est soumise à une force de maintien en position générée par l'aimant permanent. Plus précisément, le flux magnétique produit par l'aimant permanent est canalisé le long du premier circuit magnétique Cl de manière à générer un champ magnétique important dans l'entrefer entre la face 35 et le chant 45 des pièces polaires. La pièce d'actionnement, réalisée en un matériau adapté, et placée dans cet entrefer, subit une force la plaquant dans le plan P contre les pièces polaires. Dans le second état d'actionnement, dit d'ouverture, la bobine 20 est alimentée de manière à produite un champ induit s'opposant, dans l'entrefer entre la face 35 et le chant 45 des pièces polaires, au champ magnétique produit par l'aimant permanent 10. Le flux du champ magnétique de l'aimant permanent ne pouvant s'écouler le long du premier circuit magnétique à cause de la présence du flux du champ induit par la bobine, il circule préférentiellement le long du second circuit magnétique C2. Ainsi avec un champ induit d'intensité raisonnable, le champ magnétique total dans la région de la pièce d'actionnement est nul. La pièce d'actionnement 50 ne subit aucune force de maintien en position et peut être écartée sans effort des pièces polaires 30 et 40. Le diamètre extérieur D6 de l'élément supplémentaire 60 est déterminé de manière à munir l'élément supplémentaire 60 d'une section transversale adaptée pour que : - lorsque la ventouse 1 est actionnée en fermeture, la majeure partie du flux magnétique généré par l'aimant permanent 10 soit canalisée le long du premier circuit magnétique Cl, une fraction réduite et négligeable du flux � fuyant � le long du second circuit magnétique C2 ; - lorsque la ventouse 1 est actionnée en ouverture, la majeure partie du flux magnétique généré par l'aimant permanent 10 est canalisée le long du second circuit magnétique C2, à travers l'élément supplémentaire 60. Ainsi, le flux magnétique crée par l'aimant permanent trouve un chemin pour passer d'une face à l'autre de l'aimant permanent. Dans l'état d'ouverture de l'actionneur, alors que le premier circuit magnétique Cl présente une � résistance � élevée du fait du champ magnétique induit par la bobine 20, la présence de l'élément supplémentaire 60 permet de canaliser le flux magnétique crée par l'aimant permanent le long du second circuit magnétique. Le champ magnétique dans la région occupée par la pièce d'actionnement peut être totalement annulé grâce à une bobine ayant une puissance réduite par rapport à celle de l'aimant permanent. L'homme du métier constatera la simplicité de la structure de l'actionneur décrit. Il ne comporte qu'un nombre réduit de pièces. En particulier, l'actionneur ne présente aucun interrupteur mécanique pour annuler complètement le champ dans la pièce d'actionnement. La fabrication de l'actionneur est particulièrement simple et comporte l'usinage des pièces, puis le traitement des surfaces des pièces, et enfin le montage des différentes pièces entre elles. Dans un mode de réalisation alternatif de l'actionneur, l'élément supplémentaire est venu de matière avec l'une ou l'autre des première et seconde pièces polaires. Par exemple, la face transversale 36 de la première pièce polaire est usinée de manière à munir sa périphérie d'un rebord s'étendant axialement. Ce rebord constitue l'élément supplémentaire 60 du mode de réalisation décrit. Lors du montage de l'actionneur, le chant de ce rebord est mis en contact de la face 48 de la seconde pièce polaire 40. L'homme du métier comprendra que les dimensions de la section de l'élément supplémentaire sont calibrées en fonction de différents paramètres parmi lesquels les matériaux constitutifs des différentes pièces, les dimensions des différentes pièces, l'intensité de la force nominale à exercer sur la pièce d'actionnement, l'intensité du champ magnétique induit par la bobine, etc. De ce fait, la géométrie de l'élément supplémentaire permettant la création d'un circuit magnétique de dérivation dépend de la mise en oeuvre particulière de l'invention dans un actionneur particulier. Pour des raisons de simplicité de la présente description, un actionneur présentant une symétrie par révolution autour de l'axe A a été présenté, mais d'autres géométries de l'actionneur sont envisagées, en particulier linéaire. REVENDICATIONS1.- Actionneur électromagnétique à aimant permanent (1) du type comportant : - un aimant permanent (10) ayant une première face (12) présentant une première polarité et une seconde face (14) présentant une seconde polarité opposée à la première ; - une bobine (20) apte à être alimentée par un courant électrique ; une première pièce polaire (30) comportant une première face (36) placée en contact de la première face de l'aimant permanent et une portion (32) formant noyau s'étendant à travers la bobine ; - une seconde pièce polaire (40) comportant une première face (48) placée en contact de la seconde face de l'aimant permanent et une portion (42) s'étendant à l'extérieur de la bobine ; - une pièce d'actionnement (50) disposée au voisinage de l'entrefer séparant une seconde face (35) de la première pièce polaire et une seconde face (45) de la seconde pièce polaire, l'actionneur comportant un circuit magnétique (Cl) formant une boucle passant à travers la bobine et comportant la première pièce polaire, la pièce d'actionnement et la seconde pièce polaire, caractérisé en ce que l'actionneur comporte un élément supplémentaire (60) connectant magnétiquement les première et seconde pièces polaires entre elles de manière à définir un second circuit magnétique (C2) formant une boucle à l'extérieur de la bobine et comprenant la première pièce polaire, l'élément supplémentaire et la seconde pièce polaire, l'élément supplémentaire étant dimensionné pour autoriser, lorsqu'un courant prédéterminé circule dans la bobine, l'annulation sensiblement complète du flux magnétique traversant la pièce d'actionnement, et, lorsque aucun courant ne circule dans la bobine (20), la circulation de la majeure partie du flux magnétique généré par l'aimant permanent (10) dans la pièce d'actionnement (50) à travers le premier circuit (Cl). 2.- Actionneur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément supplémentaire (60) est en un matériau ferromagnétique, de préférence dans un matériau ferromagnétique identique à celui utilisé pour les première et seconde pièces polaires (30, 40). 11 3.- Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde pièces polaires (30, 40) ainsi que l'élément supplémentaire (60) délimitent une cavité (70) dimensionnée pour 5 recevoir intérieurement et sans jeu ledit aimant permanent (10). 4.- Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément supplémentaire (60) est venu de matière avec la première ou la seconde pièce polaire (30, 40).