Brevet FR2970108A1 — publié le 20120706

Dispositif électromagnétique et actionneur électromagnétique correspondant La présente invention concerne un dispositif électromagnétique, de type électroaimant. Elle concerne également un actionneur électromagnétique correspondant. Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques utilisés dans les applications automobiles. En effet, dans de nombreuses applications automobiles, comme la commande de soupapes électromagnétiques, la commande d'injecteurs ou la commande de moteurs électriques pour véhicule électrique ou hybride, des actionneurs électromagnétiques sont utilisés. On entend ici par actionneur un dispositif capable d'agir en réponse à une commande électrique. Généralement, un actionneur est muni d'au moins une inductance (ou self inductance) qui, lorsqu'elle est parcourue par un courant, provoque le déplacement d'une pièce mobile. Dans le cas d'une soupape électromagnétique, l'actionneur est généralement constitué de deux électroaimants : l'un est dédié à l'ouverture de la soupape et l'autre à la fermeture de la soupape. La soupape est reliée mécaniquement à une palette qui est localisée dans l'entrefer des électroaimants. La palette est attirée par l'un ou l'autre des électroaimants par des forces électromagnétiques lorsque les électroaimants sont magnétisés et elle est rappelée au centre de l'entrefer par des ressorts. En général, un microcontrôleur calcule des signaux MLI ("Modulation de Largeur d'Impulsion") de commande du courant circulant dans les électroaimants à haute fréquence jusqu'à environ 120 kHz. La commande de l'actionneur a généralement lieu à partir d'une source de tension continue. Par conséquent, il est souvent nécessaire d'adopter une architecture de type pont en H pour commander cet actionneur dans les quatre quadrants. En outre, pour accélérer la commande de l'actionneur, il est souvent utile d'appliquer une surtension aux bornes de l'inductance, de manière à provoquer une mise en action plus rapide de l'actionneur. 2 De nombreux dispositifs générateurs de surtension (ou dispositifs élévateurs de tension) sont connus. Un tel générateur de surtension est généralement relié au pont en H dans lequel se trouve l'inductance de l'actionneur. Toutefois, cela augmente le nombre de composants utilisés. Or dans une optique de miniaturisation et de diminution des coûts, on cherche à diminuer le nombre de composants utilisés. Par conséquent, différentes solutions techniques ont été développées afin de permettre de créer une surtension aux bornes du pont en H, sans pour autant augmenter de manière significative le nombre de composants utilisés. La Demanderesse a mené des travaux en ce sens pour développer un dispositif de commande d'un actionneur et d'élévation simultanée de la tension, qui permette un gain de place en réutilisant des composants de l'actionneur pour réaliser la surtension. Plus précisément, la Demanderesse a développé un dispositif électromagnétique comprenant deux bobines couplées magnétiquement et aptes à assurer, dans un premier mode de fonctionnement l'entraînement d'un élément mobile et dans un deuxième mode de fonctionnement une conversion de tension. Cependant, il s'avère que la mise en oeuvre d'un tel dispositif s'accompagne de pertes par effet Joule dans les conducteurs des bobines pouvant conduire à des élévations de température extrêmement importantes, pertes d'autant plus sévères que, dans cette nouvelle configuration, le dispositif est commandé à trés haute fréquence pour les besoins de la conversion de tension. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient. A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un dispositif électromagnétique comprenant deux bobines couplées magnétiquement et aptes à assurer, dans un premier mode de fonctionnement l'entraînement d'un élément mobile et dans un deuxième mode de fonctionnement une conversion de tension, dispositif dans lequel chaque bobine présente une structure à conducteurs multiples, isolés les uns des autres, pour diminuer l'effet de peau sur les bobines. L'intérêt de cette utilisation ne se limite d'ailleurs pas au cas des dispositifs électromagnétiques comprenant deux bobines couplées magnétiquement aptes à 3 assurer, dans un premier mode de fonctionnement l'entraînement d'un élément mobile et dans un deuxième mode de fonctionnement une conversion de tension. En effet, l'utilisation d'une bobine présentant une structure à conducteurs multiples, isolés les uns des autres, pour diminuer l'effet de peau sur les bobines dans l'électroaimant d'un actionneur électromagnétique pour entraîner un élément mobile, notamment en translation, est une invention en soi, en particulier dans le cas d'un actionneur alimenté à très haute fréquence. Avantageusement, une borne intermédiaire destinée à être raccordée à une source d'alimentation électrique est prévue entre les deux bobines. Le fait de relier la source d'alimentation à la borne intermédiaire des deux bobines permet de créer une surtension sans que cela influence la commande de l'élément mobile. L'intérêt d'une telle structure du dispositif ne se limite d'ailleurs pas au cas dans lequel les bobines sont aptes à assurer à la fois l'entraînement d'un élément mobile et la conversion de tension. En effet, l'utilisation de deux bobines couplées magnétiquement entre lesquelles se trouve une borne intermédiaire destinée à être raccordée à une source d'alimentation, chaque bobine présentant une structure à conducteurs multiples, isolés les uns des autres, pour diminuer l'effet de peau, est une invention en soi, en particulier dans le cas d'un dispositif électromagnétique alimenté à très haute fréquence. De préférence, les deux bobines présentent un même nombre de spires, la borne intermédiaire étant alors un point milieu. La source d'alimentation étant reliée à la borne intermédiaire, les courants d'alimentation issus de la source d'alimentation circulent dans les deux bobines dans des sens opposés et selon des valeurs proportionnelles au nombre de spires de la bobine traversée de sorte que lorsqu'on envoie un courant dans la première bobine et le courant opposé dans la deuxième bobine, leurs effets mutuels s'annulent, lesdits courants ayant un rapport égal au rapport des nombres de spires de la première et de la deuxième bobine. Ainsi, grâce à l'utilisation d'un même nombre de spires, aucune force électromotrice n'est créée par l'ensemble des deux bobines. Selon une réalisation, les conducteurs sont des brins de section circulaire torsadés ensemble pour former un fil de Litz. 4 Le fil de Litz est particulièrement adapté au transport de courant à haute fréquence. Avantageusement, chaque spire des deux bobines comprend un nombre de pas de torsade des brins compris entre 8 et 16, notamment égal à 12. Ce nombre constitue en effet un bon compromis permettant d'avoir la flexibité nécessaire au fil de Litz pour faire le tour de la spire et de minimiser le risque de désolidarisation des brins constituant le fil de Litz. Encore avantageusement, le nombre de brins torsadés formant le fil de Litz est compris entre 5 et 12, et de préférence égal à 7. Cela permet en effet d'avoir un bon compromis entre la section totale du fil de Litz, que l'on souhaite être la plus élevée possible pour diminuer la résistance du fil et donc les pertes, et l'épaisseur de la bobine qui doit être minimisée pour assurer son intégration dans le dispositif. Avantageusement, le fil de Litz a une section environ égale à 1 mm2. Cette section est particulièrement adaptée aux fréquences de commande de soupapes électromagnétiques. Selon une variante, les conducteurs sont des bandes de cuivre. Cette variante utilise moins d'isolant. Elle permet ainsi d'avoir un meilleur remplissage de la bobine en conducteurs. Avantageusement, les bandes de cuivre utilisées ont une épaisseur comprise entre 0.4 et 0.5 mm. Selon une réalisation, les bobines présentent des spires de forme rectangulaire. Cette réalisation est particulièrement adaptée pour l'actionnement de deux soupapes électromagnétiques. Selon une variante de réalisation, les bobines présentent des spires de forme carrée. Cette variante est particulièrement adaptée pour l'actionnement d'une seule soupape électromagnétique. La présente invention propose également un actionneur électromagnétique de soupapes comprenant le dispositif électromagnétique de l'invention. Des modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un actionneur électromagnétique comprenant un dispositif électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une portion de bobine du dispositif électromagnétique 5 selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 représente une vue en coupe selon l'axe A-A d'un fil de Litz de la bobine de la figure 2; et - la figure 4 représente une bobine du dispositif électromagnétique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un actionneur électromagnétique 2 comprenant un dispositif électromagnétique 4 apte à assurer, dans un premier mode de fonctionnement l'entraînement d'un élément mobile et dans un deuxième mode de fonctionnement une conversion de tension, notamment une élévation de tension. L'élément mobile est, par exemple, une soupape électromagnétique d'un moteur de véhicule automobile entrainée, notamment, en translation. II comprend une palette 6, destinée à venir en appui contre ledit dispositif dans une position d'ouverture de la soupape et à se trouver à distance dudit dispositif dans une position de fermeture de la soupape. Le dispositif électromagnétique 4 comprend deux bobines 8 et 10 présentant chacune une inductance LI et L2 respectivement. De préférence, les deux bobines 8 et 10 présentent le même nombre de spires avec LI = L2. Bien que les bobines 8 et 10 présentent théoriquement la même inductance LI = L2, en pratique, elles présentent également des inductances de fuite, respectivement Lf1 et Lf2. Ce sont ces inductances de fuite qui se magnétisent lors de la création d'une surtension. Ces inductances de fuite Lf1 et Lf2 sont néanmoins très faibles de sorte qu'elles ne perturbent pas la commande de l'actionneur 2 pour entraîner l'élément mobile 6. Par ailleurs, les effets des inductances LI et L2 s'annulent mutuellement. L'élévation de tension ne perturbe donc pas l'actionneur. Les deux bobines 8 et 10 sont couplées par leur noyau magnétique qui est le même pour les deux bobines 8 et 10. 6 Le point qui se situe entre les deux bobines 8 et 10 est une borne intermédiaire 12 et du fait que LI = L2, cette borne intermédiaire est, selon ce mode de réalisation, un point milieu. Une source d'alimentation 14 est raccordée au point milieu 12. Dans ce mode de réalisation, la source d'alimentation 14 présente une tension de 12 V. Le courant IB issu de la source d'alimentation 14 permet d'élever la tension (c'est-à-dire de réaliser une surtension) aux bornes d'une charge 16 qui est un condensateur. L'élévation de tension est pilotée en contrôlant le courant IB grâce à quatre éléments de commutation QI, Q2, Q3 et Q4 qui sont par exemple des transistors MOS. Les bobines 8 et 10 et les quatre éléments de commutation QI, Q2, Q3 et Q4 forment un pont en H, dans lequel les deux bobines 8 et 10 forment la barre horizontale du H, les deux transistors QI et Q3 forment un premier bras du H et les deux transistors Q2 et Q4 forment un deuxième bras du H. La charge 16 est raccordée en parallèle au deuxième bras du pont en H. En pratique, pour réaliser l'élévation de tension : - on ferme les éléments de commutation Q3 et Q4 de manière à magnétiser les inductances de fuite Lf1 et Lf2 ; - puis on ouvre ensuite Q3 et Q4 et on ferme QI et Q2 de manière à ce que l'énergie magnétique stockée par Lf1 et Lf2 se décharge dans le condensateur 16, ce qui permet d'élever la tension aux bornes de ce condensateur 16. Par ailleurs, pour entraîner l'élément mobile, il faut commander le courant qui traverse les deux bobines 8 et 10. Ce courant est égal à la différence du courant qui traverse la première bobine 8 et du courant qui traverse la deuxième bobine 10. II est donc possible de commander l'actionneur 2 en contrôlant la différence des courants traversant les deux bobines 8 et 10 grâce aux éléments de commutation QI, Q2, Q3 et Q4. En pratique, le courant nécessaire à la commande de l'actionneur est obtenu en fermant QI et Q3 tandis que Q2 et Q4 sont ouverts, et inversement. Un inconvénient de ce montage consiste dans la présence de pertes dans les conducteurs des bobines 8 et 10. 7 De manière remarquable, selon l'invention, les deux bobines 8 et 10 présentent une structure à conducteurs multiples, isolés les uns des autres, pour diminuer l'effet de peau sur les bobines afin de réduire les pertes par effet Joule. Selon un premier mode de réalisation, les conducteurs des deux bobines 8 et 10 sont des brins de section circulaire torsadés ensemble pour former un fil de Litz. La figure 2 représente une portion de bobine 8 (ou 10) formée d'un enroulement de fil de Litz 20 en un nombre de spires compris, notamment, entre 15 et 25, égal à 20 par exemple. Les spires sont, par exemple, de forme rectangulaire (seule la moitié d'une bobine étant illustrée à la figure 2) de sorte que les bobines sont adaptées pour être intégrées notamment dans un actionneur de deux soupapes électromagnétiques. Selon une variante non représentée, les spires ont une forme carrée de sorte que les bobines sont adaptées pour être intégrées dans un actionneur d'une seule soupape électromagnétique. Ce fil de Litz 20 comprend entre 5 et 12 brins torsadés. Selon un exemple préféré, le fil de Litz 20 comprend 7 brins torsadés ainsi que cela apparaît clairement sur la figure 3. Les 7 brins torsadés du fil de Litz 20 sont agencés de sorte qu'il y a un brin central 22 et 6 brins 24, 26, 28, 30, 32 et 34 entourant le brin central. De préférence, le fil de Litz 20 a une section d'l mm2. Selon une réalisation préférée, le nombre de pas de torsade des brins du fil de Litz est choisi égal à 12 pas de torsade par spire soit pour une spire de longueur totale égale à environ 17 cm, le pas de torsade est ainsi égal à 14 mm. Ce choix permet d'avoir la flexibité nécessaire au fil de Litz 20 pour faire le tour de la spire et de minimiser le risque de désolidarisation des brins constituant le fil de Litz. Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 4, les bobines 8 et 10 sont formées d'un enroulement de bandes de cuivre 40. Le nombre de bandes de cuivre est compris, notamment, entre 15 et 25, par exemple égal à 20. Chaque bande de cuivre 40 a, de préférence, une épaisseur e comprise entre 0.4 et 0.5 mm. Bien entendu, d'autres modes de réalisation sont encore envisageables. REVENDICATIONS1. Dispositif électromagnétique (4) comprenant deux bobines (8,10) couplées magnétiquement et aptes à assurer, dans un premier mode de fonctionnement l'entraînement d'un élément mobile (6) et dans un deuxième mode de fonctionnement une conversion de tension, dispositif dans lequel chaque bobine (8,10) présente une structure à conducteurs multiples, isolés les uns des autres, pour diminuer l'effet de peau sur les bobines (8,10). 2. Dispositif électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel une borne intermédiaire (12) destinée à être raccordée à une source d'alimentation électrique (14) est prévue entre les deux bobines (8,10). 3. Dispositif électromagnétique selon la revendication 2, dans lequel les deux bobines (8,10) présentent un même nombre de spires, la borne intermédiaire (12) étant alors un point milieu. 4. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les conducteurs sont des brins (22,24,26,28,30,32,34) de section circulaire torsadés ensemble pour former un fil de Litz (20). 5. Dispositif électromagnétique selon la revendication 4, dans lequel chaque spire des deux bobines (8,10) comprend un nombre de pas de torsade des brins compris entre 8 et 16. 6. Dispositif électromagnétique selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le nombre de brins torsadés formant le fil de Litz (20) est compris entre 5 et 12. 7. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, 30 dans lequel le fil de Litz (20) a une section environ égale à 1 mm2.25 8. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les conducteurs sont des bandes de cuivre (40). 9. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 5 dans lequel les bobines (8,10) présentent des spires de forme rectangulaire. 10. Actionneur électromagnétique (2) de soupapes comprenant un dispositif électromagnétique (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10