Brevet FR2955908A1 — publié le 20110805

ELECTROVANNE PILOTE La présente invention est relative aux électrovannes miniatures couramment utilisées en pilotage de systèmes de distribution d'air comprimé à tiroir ou à clapet. Ces électrovannes miniatures agissent en multiplicateur et en contrôleur de puissance. En effet pour une faible puissance électrique d'entrée, souvent inférieure à 1w, la puissance pneumatique contrôlée de sortie est supérieure à 1 kW. Le principe de construction des électrovannes miniatures repose sur des électroaimants dont l'élément mobile peut avoir deux types de construction. Le premier type de construction est caractérisé par un noyau de forme cylindrique, pénétrant profondément dans la partie centrale d'une bobine appartenant à l'électroaimant. Cette construction est communément appelée électrovanne à noyau plongeant. Le deuxième type de construction est caractérisé par un noyau de forme plate, ne pénétrant pas dans la partie centrale de la bobine. Cette construction est communément appelée électrovanne à noyau mobile plat. Dans le premier type de construction utilisant un noyau plongeant, l'état de l'art peut être illustré par le document EP 1 536 169. Cette construction se caractérise par une optimisation du flux magnétique, au détriment de la masse importante du noyau plongeant. Les forces de friction sont éliminées par l'utilisation de deux ressorts plats, servant notamment de guidage du noyau plongeant. Dans le second type de construction utilisant un noyau mobile plat, l'état de l'art peut être illustré par le document EP 0 549 490. Cette construction se caractérise par une masse réduite du noyau mobile plat. Un ressort cylindrique sert de rappel. La distance parcourue par le noyau mobile plat entre ses deux positions stables est appelée course. Notons que dans chacune de ces deux constructions, il existe deux entrefers principaux : 2 l'entrefer situé perpendiculairement à l'axe principal de l'électrovanne. Cet entrefer est moteur. Il détermine directement la course du noyau et par conséquent le débit de la vanne. Il convient donc de maîtriser les dispersions au niveau de cet entrefer. l'entrefer situé radialement à l'axe principal de l'électrovanne. Cet entrefer n'est pas moteur. II est cependant nécessaire pour permettre le mouvement du noyau dans son logement. Il convient également de maîtriser cet entrefer afin de limiter son impact sur le bouclage du flux magnétique de l'électroaimant. Dans les deux types de construction, la course du noyau dépend des dimensions d'un nombre important de pièces, mais aussi de la variabilité des points de fonctionnement des ressorts en fonction des caractéristiques des 15 forces magnétiques de l'électroaimant. II devient alors très difficile de produire des électrovannes miniatures avec une valeur de débit reproductible, et de garantir une faible puissance absorbée. La présente invention a pour but, notamment de proposer une 20 électrovanne miniature de faible puissance absorbée, dont l'élément mobile peut être assimilé à un noyau mobile plat et dont la course et la force de rappel de ce noyau mobile plat puissent être mieux maîtrisés, afin que la valeur du débit soit reproductible. Selon l'invention, une électrovanne comprenant un électroaimant, 25 composé d'un noyau mobile plat, d'un noyau fixe et d'une bobine, est caractérisée en ce qu'elle comporte, un corps, appartenant également à l'électroaimant et comprenant une ouverture apte à l'insertion du noyau mobile plat, du noyau fixe et de la bobine, le corps étant solidaire d'une bague de maintien, un ressort plat étant comprimé entre la bague de maintien et le noyau 30 mobile plat. De manière avantageuse le ressort plat, associé à une bague de maintien, permet le réglage d'une force de pré-charge servant à étancher un orifice d'alimentation lorsque la vanne est en position repos, cela indépendamment du réglage de la course du noyau mobile plat. 35 Le réglage de la course du noyau mobile plat peut être obtenu lors de la mise en place du sous-ensemble constitué de la bobine et du noyau fixe. La bague de maintien est réalisée en matériau non magnétique. 10 3 2955908 La bague de maintien peut permettre le centrage du noyau fixe. Le clapet peut posséder une forme polygonale. Une rondelle de centrage, en association avec le ressort plat de pré charge, permet de centrer et guider le noyau mobile plat, tout en limitant les 5 frottements de par la très faible épaisseur de la rondelle de centrage. Cette rondelle de centrage peut être remplacée par un second ressort plat, de faible raideur, pré-contraint par l'intermédiaire d'un épaulement dans le corps permettant d'assurer au noyau mobile plat, en association avec le ressort plat de rappel, un guidage sans aucun frottement, ni avec le corps, ni avec toute autre pièce interne. Le noyau mobile plat et le noyau fixe peuvent avoir une zone proche de l'entrefer dont la géométrie est de forme étagée. Le diamètre extérieur du noyau mobile plat peut être réduit de façon à limiter sa masse et en ce que ledit noyau mobile plat dispose d'un bourrelet 15 en remplacement de la rondelle de guidage. La fonction de centrage du noyau mobile plat est alors obtenue, non pas par une rondelle de centrage, mais par le bourrelet réalisé directement sur le diamètre extérieur du noyau mobile plat. La forme externe de la section du corps peut être tronquée sur au 20 moins deux faces opposées, formant ainsi des méplats. ' De manière avantageuse, tous les canaux fluidiques reliant l'électrovanne aux dispositifs externes, sont rectilignes et ne présentent donc pas de changement brutal de direction du fluide, d'où l'absence de pertes de charge localisées additionnelles, de la sorte le débit d'air est maximum pour 25 une faible différence de pression. Le noyau mobile plat utilisé possède une forme particulière permettant de réaliser une caractéristique de force en fonction de la position adoptée, par l'influence des paramètres géométriques des entrefers. Cette forme permet de réduire l'entrefer magnétique sans changer la course utile et 30 de modifier la caractéristique d'attraction de ce noyau mobile plat. L'optimisation de la force dynamique résultante est aussi obtenue en diminuant le plus possible le volume, donc la masse, du noyau mobile plat. La variabilité des points de fonctionnement du ressort plat est limitée par un réglage « in situ » de celui-ci, garantissant la valeur de la faible puissance 35 absorbée. L'électrovanne miniature selon l'invention peut inclure également une structure monobloc du corps liant la partie électromagnétique à la partie 4 fluidique, ici pneumatique. De la sorte, plusieurs fonctions principales de l'électrovanne sont réalisées en une seule pièce, permettant de limiter le nombre de composants et de réduire les dispersions d'assemblages. Cette optimisation peut donc avoir un impact non négligeable sur le coût du produit. Dans ce type de construction, le débit de l'orifice d'alimentation est directement contrôlé par la position du noyau mobile plat élément du système électromagnétique et pneumatique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré avec référence aux dessins annexés mais qui n'a aucun caractère limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe longitudinale selon le plan B-B d'une électrovanne hors tension selon l'invention, Fig. 2 est une coupe longitudinale selon le plan A-A d'une électrovanne hors tension selon l'invention, Fig. 3 est une coupe longitudinale de l'électrovanne de Fig. 2 sous tension, Fig. 4 est un détail illustrant la constitution de la bobine de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 5 est un détail illustrant le sous-ensemble bobine de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 6 est un détail illustrant l'assemblage du sous-ensemble bobine de Fig. 5, Fig. 7 illustre un mode de réalisation alternatif de la forme du noyau mobile plat de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 8 est une vue en perspective d'un clapet utilisé dans l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 9 est une coupe longitudinale selon le plan A-A du clapet selon Fig. 8, inséré dans le noyau mobile plat de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 10 est une coupe longitudinale selon le plan B-B du clapet selon Fig. 8, inséré dans le noyau mobile plat de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 11 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du corps de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 12 est une vue de dessus de Fig. 11, Fig. 13 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation du corps de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 14 est une vue de dessus de Fig. 13, Fig. 15 et 16 sont des coupes similaires à Fig. 2 illustrant des solutions alternatives d'étanchéité interne, Fig. 17 illustre un mode de réalisation alternatif de la forme du corps et du noyau mobile plat de l'électrovanne de Fig. 1, Fig. 18 est une courbe schématique représentant l'influence de la forme de l'entrefer magnétique sur la courbe d'attraction du noyau mobile plat, et Fig. 19 est un agrandissement de Fig. 18, dans la zone proche de l'entrefer de travail. On peut voir Figures 1 et 2 une électrovanne selon l'invention. La partie magnétique de l'électrovanne permettant le bouclage du flux magnétique généré par la bobine 17, est composé d'un corps 4, d'un noyau fixe 3 et d'un noyau mobile plat 10 réalisés en matériau ferromagnétique. Le noyau mobile plat 10 se déplace suivant l'axe principal de l'électrovanne entre le noyau fixe 3 et la partie basse du corps 4. Le noyau mobile plat 10 qui se déplace suivant l'axe principal de l'électrovanne est soumis à une force de rappel élastique due au ressort plat 9. Cette force ajustable au montage est appelé pré-charge. La partie fluidique de l'électrovanne est composée du corps 4, du noyau fixe 3 et du noyau mobile plat 10 comportant un clapet à double face 12. La partie fluidique de l'électrovanne permet le contrôle des débits d'air à partir de l'orifice d'alimentation 18 vers l'orifice d'utilisation 19 ou à partir de l'orifice d'utilisation 19 vers l'orifice d'échappement 20. Une construction alternative consiste à contrôler le passage du fluide qu'entre les orifices d'alimentation 18 et d'utilisation 19. L'étanchéité du circuit fluidique de l'électrovanne est obtenue d'une part par un joint oblong 7 emprisonné entre la carcasse de bobine 5 et une bague de maintien 8 assurant l'étanchéité interne, et d'autre part par les quatre joints toriques 2, 13, 15 et 26 assurant l'étanchéité externe. Notons que la bague de maintien 8 est en matériau non magnétique de manière à ne pas influer sur les caractéristiques du champ magnétique. La Figure 3 illustre l'électrovanne sous tension. Le noyau 10 muni du clapet 12 est alors en position haute, et en butée sur le noyau fixe 3. De la sorte l'orifice d'échappement 20 est obturé par l'action du clapet 12 sur le siège 22. On peut voir Figure 4 la constitution de la bobine 17. La bobine 17 est composée d'une carcasse de bobine 5, d'un bobinage 6 et de deux picots de connexion électrique 1. La bobine 17, un joint oblong 7 et le noyau fixe 3 forment un sous- ensemble bobine 30 dont la constitution est plus particulièrement illustrée Figure 5. La bobine 17 est glissée le long de l'axe du noyau fixe 3 jusqu'à venir en butée sur celui-ci. Le joint oblong 7 est monté sur le noyau fixe 3 de façon à retenir la bobine 17 sur le noyau fixe 3. La zone de connexion du sous-ensemble bobine 30 est plus particulièrement visible Figure 6. Les picots de connexion 1 ainsi que leurs supports 24 prévus dans la carcasse de bobine 5 passent à travers le noyau fixe 3 par l'intermédiaire de deux trous de passage 25 prévus à cet effet. Une résine 16 peut être injectée entre le noyau fixe 3 et la carcasse de bobine 5, afin de solidariser la bobine 17 et le noyau fixe 3. Cette opération s'effectue après insertion du sous-ensemble bobine 30 dans le corps 4. La Figure 7 illustre un mode de réalisation alternatif 10B de la forme du noyau mobile plat 10. Le but est ici de réaliser une caractéristique de force magnétique particulière entre le noyau mobile plat 10B et l'extrémité du noyau fixe 3B. Dans cet objectif on utilise des géométries particulières dans les zones proches de l'entrefer. En comparaison avec un entrefer plat classique et au voisinage de la position repos, le flux magnétique est en effet plus marqué pour une forme conique (Figure 1) ou étagée (Figure 7), permettant une caractéristique d'attraction identique pour une consommation d'énergie électrique réduite. En d'autres termes, le rendement le l'électroaimant au voisinage de l'entrefer de travail est plus élevé en utilisant l'une ou l'autre de ces deux géométries. L'insertion du clapet 12 dans le noyau mobile plat 10 est plus particulièrement illustrée Figure 8. Ce clapet 12 de forme polygonale est inséré dans un perçage circulaire du noyau mobile plat 10. Cette forme particulière, polygonale, insérée dans un trou circulaire permet avantageusement de maintenir le clapet dans son logement, tout en prévenant toute déformation des surfaces portantes sur les sièges 21, 22 et en assurant le dégagement de toutes bavures relatives à la fermeture du moule du clapet. La conception de l'électrovanne permet le montage de tous les constituants internes par l'arrière du corps 4, par l'intermédiaire d'une ouverture 23 notamment apte à l'insertion du noyau mobile plat 10, du noyau fixe 3 et de la bobine 17. La conception de l'électrovanne permet également l'indépendance 7 des réglages de la course et de la pré-charge. Le montage des différents éléments de l'électrovanne est explicité ci-après. La rondelle de centrage 11 et l'ensemble noyau mobile plat 10, 12 sont placés dans la partie basse du corps 4. Le ressort plat 9 est alors ensuite inséré et vient au contact de l'ensemble noyau mobile plat 10, 12. La bague de maintien 8 est insérée dans le corps 4 jusqu'au contact avec le ressort plat 9. Le ressort plat 9 exerce la pré-charge sur l'ensemble noyau mobile plat 10, 12 et l'ensemble noyau mobile plat 10, 12 vient en contact de l'orifice d' alimentation 18. L'effort de pré-charge est alors vérifié par un moyen adéquat. Lorsque la position de la bague de maintien 8 est telle que l'effort de pré-charge atteint une valeur correcte prédéfinie, la bague de maintien 8 est sertie sur le corps 4. Le sous-ensemble bobine 30 est ensuite inséré dans le corps 4 jusqu'à une position telle que la course atteint une valeur satisfaisante. Lors de cette opération la valeur de la course est vérifiée par alternance de prises de positions entre la position repos, bobine non alimentée, et la position actionnée, bobine alimentée, de telle sorte que la course soit définie avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de micromètres. La bague de maintien 8 a également pour fonction de centrer la partie basse du noyau fixe 3, par rapport au noyau mobile plat 10, lors de l'insertion du sous-ensemble bobine 30 dans le corps 4. Le corps 4 et le sous-ensemble bobine 30 sont alors sertis au travers du noyau fixe 3 en partie haute de l'électrovanne. En position repos, bobine non alimentée, l'orifice d'alimentation 18 est obturée par le clapet 12, grâce à la pré-charge exercée par le ressort plat 9 sur le noyau mobile plat 10 permettant de maintenir un effort sur le siège 21 de l'orifice d'alimentation 18, nécessaire pour assurer l'isolation de cette dernière par rapport aux deux autres orifices 19 et 20. L'orifice d'utilisation 19 et l'orifice d'échappement 20 sont alors en liaison, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifice(s) de liaison 14 du noyau mobile plat 10. En position actionnée, bobine alimentée, le noyau mobile plat 10 est attiré magnétiquement par le noyau fixe 3 jusqu'au contact entre ces deux pièces, appelé collage. L'orifice d'échappement 20 est alors obturée par le clapet 12. La pression exercée sur ce dernier par l'air comprimé provenant de l'orifice d'alimentation 18 permet de maintenir un effort sur le siège 22 de l'orifice d'échappement 20, nécessaire pour assurer l'isolation de cette dernière par rapport aux deux autres orifices 18 et 19. L'orifice d'alimentation 18 et l'orifice d'utilisation 19 sont alors en liaison. Les Figures 11 à 14 illustrent des exemples de réalisation du corps 4, dont les faces latérales peuvent être tronquées sur deux faces opposées (Figures 13 et 14) ou sur quatre faces (Figures 11 et 12). Les faces latérales deviennent alors des méplats. La réduction localisée de l'épaisseur du corps 4 ainsi provoquée permet l'optimisation des opérations de sertissage du sous- ensemble bobine 30 et du corps 4 ainsi que de la bague de maintien 8 avec ce même corps 4, tout en maintenant une section nécessaire et suffisante de matériau magnétique dans les zones épaisses afin d'assurer la circulation du flux magnétique sans saturation. Ces modes de réalisation permettent également de limiter l'encombrement latéral du produit dans au moins une direction. Les Figures 15 et 16 illustrent des modes de réalisation alternatifs relatifs à l'utilisation du joint 7 de forme oblongue, assurant l'étanchéité interne du produit. Ce joint oblong 7 est alors remplacé par deux joints toriques 31 et 32, dont les logements respectifs 41 et 42 sont réalisés soit dans la carcasse de bobine 5 (Figure 15), soit dans la bague de maintien 8 (Figure 16). La Figure 17 illustre un mode de réalisation alternatif 4C du corps 4 et 10C du noyau mobile plat 10. Dans ce mode de réalisation, le diamètre extérieur du noyau mobile plat 10C est réduit, afin de limiter davantage l'impact de la masse de ce noyau mobile plat 10C sur les performances du produit. La rondelle de guidage 11 est alors supprimée et la fonction de guidage du noyau mobile plat 10C est alors remplacée par un bourrelet 28, réalisé sur le noyau mobile plat 10C. Ce bourrelet 28 est dimensionné de façon à limiter au maximum les frottements entre le noyau mobile plat 10C et le corps 4C. Dans ce mode de réalisation, le ou les orifice(s) de liaison 14, 19 sont réalisés dans le corps 4C. La Figure 18 illustre l'influence de la géométrie de l'entrefer sur la courbe d'attraction du noyau mobile plat. L'effort d'attraction est représenté en ordonnée tandis que l'entrefer est indiqué en abscisse. Trois géométries sont considérées : un noyau mobile plat à entrefer plat, un noyau mobile plat à entrefer conique, un noyau mobile plat à entrefer étagé. Dans la solution utilisant un noyau mobile plat à entrefer plat, en dehors du cas très particulier d'une valeur d'entrefer extrêmement faible, il n'y pas de saturation avant le collage. La courbe représentative de l'effort d'attraction a la forme d'une branche d'hyperbole. La force d'attraction est très importante au collage, mais faible à l'entrefer de travail (position repos). Dans la solution utilisant un noyau mobile plat à entrefer conique, le niveau de flux magnétique de la partie conique est presque indépendant de l'écart de l'entrefer. La conséquence de cet effet est que la force d'attraction est pratiquement constante tout au long de la course et que la variation globale de la force d'attraction entre le collage et l'entrefer maximum est diminuée de moitié par rapport à la solution utilisant un noyau mobile plat à entrefer plat. En contrepartie, si l'on considère un entrefer de travail de 0.25 mm, la force d'attraction du noyau est supérieure d'environ 18% à celle d'un noyau mobile plat à entrefer plat. Dans la solution utilisant un noyau mobile plat à entrefer étagé, on obtient également une force d'attraction pratiquement constante pour environ 50% de la course. Mais la répartition différente du flux magnétique des échelons formant l'étagement du noyau, conduit, pour les entrefers très faibles, à une augmentation de la force de collage. La force d'attraction lors du collage reste néanmoins inférieure au cas d'une solution utilisant un noyau mobile plat à entrefer plat. Cependant, l'intérêt majeur de cette solution est de présenter un gain d'effort d'environ 33% par rapport à la solution d'un noyau mobile plat à entrefer plat, en considérant également un entrefer de travail de 0.25 mm.25 REVENDICATIONS1. Electrovanne comprenant un électroaimant (17, 4, 3, 10), composé d' un noyau mobile plat (10), d'un noyau fixe (3) et d'une bobine (17), caractérisée en ce qu'elle comporte un corps (4), appartenant également à l'électroaimant et comprenant une ouverture (23) apte à l'insertion du noyau mobile plat (10), du noyau fixe (3) et de la bobine (17), le corps (4) étant solidaire d'une bague de maintien (8), un ressort plat (9) étant comprimé entre la bague de maintien (8) et le noyau mobile plat (10). 2. Electrovanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le ressort plat (9), associé à la bague de maintien (8), permet le réglage d'une force de pré-charge servant à étancher un orifice d'alimentation (18) lorsque la vanne est en position repos, cela indépendamment du réglage de la course du noyau mobile plat (10). 3. Electrovanne suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le réglage de la course du noyau mobile plat (10) est obtenu lors de la mise en place de la bobine (17) et du noyau fixe (3). 4. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague de maintien (8) est réalisée en matériau non magnétique. 5. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague de maintien (8) permet le centrage du noyau fixe (3). 30 6. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un clapet (12) possédant une forme polygonale. 7. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, caractérisée en ce qu'un second ressort plat, pré-contraint par l'intermédiaire d'un l'épaulement (27) dans le corps (4), permet d'assurer au noyau mobile plat (10), en association avec le 11ressort plat (9), un guidage sans aucun frottement, ni avec le corps (4), ni avec toute autre pièce interne. 8. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le noyau mobile plat (10) et le noyau fixe (3) comportent, au voisinage de l'entrefer, une zone de forme étagée. 9. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre extérieur du noyau mobile plat (10) est réduit de façon à limiter sa masse et en ce que ledit noyau mobile plat (10) dispose d'un bourrelet (28). 10. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la forme externe de la section du corps (4) est tronquée sur au moins deux faces opposées, formant ainsi des méplats. 11. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que tous les canaux fluidiques (18), (19), (20) reliant l'électrovanne aux dispositifs externes, sont rectilignes.25