Brevet FR2978883A1 — publié le 20130208

Ensemble compact de positionnement comprenant un actionneur et un capteur intégré dans la culasse de l'actionneur Domaine de l'invention La présente invention concerne un ensemble électromécanique destiné à réaliser un positionnement linéaire ou rotatif et comprenant un actionneur électrique et un capteur de position dans lequel le capteur de position est entièrement intégré dans le volume de l'actionneur et présente une insensibilité au moins partielle au champ magnétique produit par l'actionneur. État de la technique Dans le domaine des ensembles de positionnement électrique, l'utilisation de capteurs de position magnétiques pour détecter la position d'un organe mobile d'un actionneur est bien connue de l'état de la technique. Dans la plupart des cas, la détection de position se fait à l'aide d'un dispositif rapporté sur l'actionneur, comme par exemple dans la demande FR288737 qui propose l'utilisation d'un capteur ayant un aimant permanent rapporté sur la culasse de l'actionneur dans une configuration permettant l'insensibilité du capteur au champ magnétique produit par l'actionneur. Ce type de dispositif permet une détection analogique fiable (connaissance de la position de la partie mobile relativement à la partie statorique fixe) mais présente un inconvénient majeur qui est son relatif encombrement qui vient s'ajouter à celui de l'actionneur. Même si sa réalisation compacte est souvent mise en avant, tout en garantissant une immunité au champ magnétique crée par l'actionneur lui-même, il reste que l'ensemble actionneur-capteur formé est l'assemblage de deux sous-ensembles distincts dont l'encombrement total est la somme des encombrements des sous-ensembles. D'autre part, dans la plupart des cas d'actionneurs, on ne peut bénéficier d'une configuration mécanique agissant naturellement comme blindage magnétique telle que décrite dans la demande FR288737. Ainsi non seulement l'encombrement d'une telle solution est excessif et d'autre part le capteur ainsi empilé au-dessus de son actionneur requiert des pièces ferromagnétiques additionnelles nécessaires au blindage de ce dernier de façon à minimiser l'impact des champs magnétiques issus de l'actionneur sur le capteur. De même, l'on connait la demande FR2791487 qui présente l'intégration d'une sonde magnétosensible à l'intérieur du circuit magnétique par création d'un entrefer supplémentaire. L'intégration du capteur est ainsi optimale du point de vue de l'encombrement mais cela se fait au détriment de la force ou couple produit par l'actionneur. En effet, dans le cas d'actionneurs à aimants mobiles, l'introduction d'un entrefer dans les parties ferromagnétiques fixes ou mobiles induit une modification de la forme de l'effort produit par la création d'une composante réluctante (= sans courant) non constante sur la course. Cette force non constante peut être problématique dans certaines applications. De plus, l'introduction de cet entrefer supplémentaire diminue aussi l'effort de type proportionnel car induit une perte de potentiel plus importante dans le circuit magnétique ainsi modifié. Enfin, puisque le flux magnétique crée par la bobine passe aussi par l'entrefer de mesure, le signal de la sonde est très dépendant du courant et nécessite donc une connaissance du courant pour effectuer la correction appropriée. Dans quelques applications, les performances demandées par l'actionneur sont telles que tout l'encombrement disponible doit être utilisé pour son dimensionnement de sorte qu'il n'y a plus de place pour installer un capteur à son extrémité ou à sa périphérie. Différentes solutions existent alors pour disposer d'une détection de position intégrée, notamment par la mesure de l'inductance de la bobine lorsque celle-ci évolue avec la position. Cependant, cette technique requiert, d'une part, une électronique de commande particulièrement sensible et difficile à régler, et d'autre part, elle n'est pas envisageable pour des actionneurs à aimants mobiles dits "proportionnels" dont l'inductance n'est pas ou peu modifiée en fonction de la position. Dans ce cas, le recours à un capteur additionnel, hors du volume de l'actionneur est alors nécessaire. On connait aussi le brevet US20050098153 qui propose, dans le cadre d'un actionneur de positionnement rotatif, d'intégrer le capteur magnétique à l'intérieur de la culasse mobile. Si l'encombrement est ainsi diminué par rapport aux solutions à capteur extérieur rapporté, la non-symétrie de l'actionneur rend le capteur très sensible au champ émis par l'actionneur. Exposé de l'invention La présente invention se propose de résoudre ces principaux inconvénients cités en proposant un ensemble compact de positionnement comprenant notamment un 10 capteur de position intégré à l'intérieur de l'actionneur et ne présentant pas de sensibilité au champ magnétique émis par ce dernier. Particulièrement, l'invention se destine à améliorer la détection de position de la partie mobile d'un actionneur présentant une géométrie symétrique ou périodique par rapport à un axe central de l'ensemble de positionnement, appelé axe principal, que 15 l'actionneur soit rotatif ou linéaire. L'invention concerne plus particulièrement un ensemble de positionnement comprenant un capteur de position et un actionneur magnétique, ledit actionneur comprenant un ensemble statorique formé d'au au moins un stator ferromagnétique 20 portant au moins une bobine électrique d'alimentation, et une culasse mobile relativement à l'ensemble statorique, ledit actionneur présentant une géométrie de révolution ou périodique autour d'un axe dit principal passant par ladite culasse, ledit capteur présentant au moins un aimant permanent solidaire de ladite culasse et au moins une sonde magnétosensible fixe par rapport à l'aimant et apte à mesurer 25 l'amplitude ou la direction du champ magnétique émis par ledit aimant, caractérisé en ce que ladite culasse présente un évidement intérieur comprenant ledit axe principal de l'actionneur, et en ce que ledit aimant est placé à l'intérieur de l'évidement et solidaire de la culasse. Selon un mode de réalisation préféré, la sonde magnétosensible est placée au 30 voisinage de l'axe principal à l'intérieur de l'évidement, avec au moins un axe de5 détection orienté perpendiculairement audit axe principal. Dans un mode de réalisation préféré, l'actionneur électromagnétique est un actionneur comportant un ou plusieurs aimants mobiles, placés sur la culasse mobile. Dans un mode de réalisation secondaire, l'actionneur électromagnétique est un actionneur à réluctance variable sans aimant. Dans un autre mode de réalisation secondaire, l'actionneur électromagnétique est un actionneur hybride à réluctance variable et à aimants permanents. Dans un mode de réalisation particulier, l'aimant capteur présente une aimantation variable en intensité ou en direction selon la direction de déplacement. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'aimant capteur est multipolaire présentant n directions d'aimantation distinctes. Dans un autre mode de réalisation particulier, l'aimant capteur est unipolaire, c'est-à-dire présentant une seule direction d'aimantation. Dans un mode de réalisation alternatif, l'aimant capteur est constitué d'un acier rémanent ayant un large champ coercitif comme décrit dans la demande FR2882432. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément magnétosensible est une sonde de Hall sensible à l'amplitude du champ magnétique émis par l'aimant du capteur. Dans un autre mode de réalisation particulier l'élément magnétosensible est une sonde de Hall sensible à la direction du champ magnétique émis par l'aimant du capteur. De manière préférentielle, ledit aimant capteur est entièrement à l'intérieur de l'évidement de la culasse sans former de protubérance au-dessus de la culasse. Dans un mode de réalisation alternatif, ladite sonde magnétosensible est portée par un support agissant comme guide mécanique de ladite culasse. Avantageusement, l'insensibilité du capteur au champ magnétique généré par l'actionneur est garantie, dans un premier mode de réalisation, par le positionnement d'au moins un élément magnétosensible sur l'axe principal. En effet, l'axisymétrie ou la périodicité de l'actionneur assure que tout champ magnétique produit par l'actionneur est théoriquement à direction tangente sur son axe de symétrie. Ainsi, en positionnant au moins un élément magnétosensible sur cet axe et en orientant son axe de sensibilité perpendiculairement à cet axe principal, on s'assure de l'insensibilité du capteur. Avantageusement encore, dans un deuxième mode de réalisation, l'insensibilité du capteur au champ magnétique généré par l'actionneur est garantie par la configuration de la culasse entourant complètement l'élément magnétosensible, favorisant ainsi un blindage magnétique sans nécessité de pièces additionnelles. Cela est notamment rendu nécessaire lorsque la direction du champ magnétique est détectée (et non son amplitude), car nécessitant au moins deux axes de sensibilité perpendiculaires. Si une composante peut être rendue insensible aux champs extérieurs, la deuxième composante nécessite un blindage. Cette fonction est naturellement remplie par la culasse mais son optimisation de forme peut être rendu nécessaire en fonction de la géométrie et des performances demandées. Le capteur défini par la présente invention peut se destiner aussi bien à un actionneur linéaire qu'à un actionneur rotatif où ses qualités de compacités et d'insensibilité au champ émis par l'actionneur se retrouvent mises en oeuvre de la même manière. La présente invention expose le principe général d'intégration compact d'un capteur au sein d'un actionneur sans modifier l'encombrement de ce dernier. Les diverses technologies d'actionneurs et capteurs magnétiques ne sont pas exposées ici de façon exhaustive mais pourront être choisies et mises en oeuvre dans une intégration selon la présente invention par l'homme de métier ayant à disposition un art antérieur conséquent et détaillé bien connu.30 Description détaillée des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : - la figure 1, l'ensemble de positionnement, en version linéaire, selon un premier mode de réalisation comprenant un actionneur à aimants mobiles, vu selon un plan de coupe, -la figure 2, une vue de détail du capteur de position de la figure 1, vu selon un plan de coupe, - la figure 3, une vue de trois-quarts de l'ensemble de positionnement présenté en figures 1 et 2, - les figures 4a et 4b, l'ensemble de positionnement, en version linéaire, selon un deuxième mode de réalisation comprenant un actionneur à aimants mobiles, - les figures 5a et 5b, l'ensemble de positionnement, en version rotative, - les figures 6a et 6b, l'ensemble de positionnement, en version linéaire, selon un troisième mode de réalisation comprenant un actionneur hybride à aimants mobiles et réluctance variable, -les figures 7a et 7b, l'ensemble de positionnement, en version linéaire, selon un quatrième mode de réalisation comprenant un actionneur hybride à aimants mobiles et réluctance variable. La figure 1 présente un premier mode de réalisation de l'invention où l'actionneur est à aimants mobiles (4a, 4b) et présente un comportement dit « proportionnel ». En effet, la force produite sur la course de l'actionneur est constante et proportionnelle au courant injecté dans les bobines électriques (7a et 7b) comme décrit dans la demande FR 2682542. Cet actionneur est formé d'un ensemble statorique fixe composé de deux bobines (7a, 7b) reliées en série ou en parallèle et d'un stator ferromagnétique (10) formé d'un 6 tube ferromagnétique (8) extérieur, d'un pôle ferromagnétique central (9a) et de deux pôles ferromagnétiques latéraux (9b, 9c). L'actionneur comprend aussi un ensemble mobile, relativement à l'ensemble statorique, formé d'une culasse ferromagnétique (3) sur laquelle sont fixés deux aimants (4a, 4b) permanents solidaires d'un arbre de sortie (16) servant à déplacer un organe extérieur quelconque suivant l'axe principal (6). L'actionneur formé présente ainsi une axisymétrie autour de l'axe principal (6) et les aimants (4a, 4b) présentent avantageusement une aimantation radiale, c'est-à-dire suivant un rayon partant de l'axe principal (6). Lorsque les bobines (7a, 7b) sont alimentées, les pôles (9a, 9b, 9c) au stator sont polarisés de telles sorte que les aimants (4a, 4b) sont attirés dans une position préférentielle où les champs magnétiques sont alignés. De par la forme et le dimensionnement des différents pôles magnétiques formés au stator et à la partie mobile, la force obtenue pour un courant d'alimentation donné est constante sur une course définie pouvant être typiquement de plusieurs millimètres, ici voisine de 5 mm. Le capteur selon la présente invention, dont on apprécie une vue isolée en figure 2, est installé à l'intérieur de la culasse (3) dans un évidement (18) de cette dernière, et formé par un aimant du capteur (2) solidaire de la culasse (3) et une sonde magnétosensible (1) fixe relativement à l'ensemble statorique de l'actionneur. De manière préférentielle mais non limitative, cette sonde (1) est placée près de l'axe d'axisymétrie (6) afin de s'affranchir du champ magnétique produit par l'actionneur. En effet, de part l'axisymétrie de cet actionneur, le champ magnétique produit par les bobines (7a, 7b) et les aimants (4a, 4b) est théoriquement nul sur toutes les directions perpendiculaires à l'axe d'axisymétrie (6). Cette propriété peut ainsi être utilisée pour placer au moins un des éléments magnétosensible de la sonde (1) sur, ou proche de, l'axe d'axisymétrie (6), de façon à ce que sa direction de sensibilité soit perpendiculaire à l'axe (6), n'étant ainsi sensible qu'à l'amplitude ou la direction du champ magnétique produit par l'aimant capteur (2). Dans ce mode de réalisation, l'aimant capteur (2) se présente sous la forme de deux bagues aimantées radialement n'entravant pas la libre rotation de l'axe de l'actionneur au cours de son déplacement linéaire, mais ce mode de réalisation de l'aimant n'est pas limitatif. Cependant, cette position d'insensibilité intrinsèque à l'actionneur n'est pas requise dans tous les modes de réalisation lorsque la culasse (3), comme illustrée en figure 1, est dimensionnée afin de réaliser un blindage magnétique efficace garantissant à la sonde (1) une immunité au champ magnétique issu de l'actionneur. Le dimensionnement de la culasse (épaisseur, hauteur,...) est ainsi dicté par le niveau minimal de champ magnétique perturbateur accepté par la sonde (1) suivant l'application et le niveau de précision demandé au capteur. Le positionnement de la sonde magnétosensible (1) près de l'axe de révolution de l'actionneur et sur la partie haute de la culasse (3) permet d'utiliser une partie de cette culasse (3) qui n'est généralement pas utile au flux magnétique car correspondant à une section relativement faible par rapport aux sections principales de passage de flux dans l'actionneur et éloignée du centre, suivant la hauteur, de l'actionneur où la saturation éventuelle est la plus marquée. Ainsi, le positionnement du capteur au centre de l'actionneur dans la culasse n'a quasiment pas d'influence sur le comportement de l'actionneur avec courant. Seul le comportement avec les plus forts courants électriques - cas où la saturation magnétique est prononcée - peut être modifié, mais ce cas de figure ne correspond qu'à une utilisation ponctuelle de l'actionneur qui ne correspond pas à son mode de fonctionnement continu. La figure 3 présente l'ensemble de positionnement dans une vue pleine où l'on remarque la géométrie de révolution de l'actionneur (11) autour de l'axe d'axisymétrie (6). Dans cet exemple de réalisation, un connecteur électrique (12) est visible sur la partie supérieure de l'ensemble de positionnement permettant la connexion de l'actionneur et du capteur (15) de l'ensemble de positionnement (14). Cet ensemble de positionnement (14) peut être fixé sur un support extérieur à l'aide d'un élément de fixation percé (13). L'arbre de sortie (16), non visible sur cette figure 3, est ainsi connecté à l'organe à déplacer par le bas de l'ensemble de positionnement (14). 8 La figure 4a présente un ensemble de positionnement (14) dans un deuxième mode de réalisation vue de l'extérieur, et la figure 4b ce même ensemble de positionnement (14) dans une vue en coupe détaillant l'intérieur et tous les éléments constituants. La course de cet actionneur est bien supérieure à celle de l'actionneur des figures 1 à 3, soit voisine de 15 mm. Sur cette vue de la figure 4b, on retrouve la même architecture de l'actionneur (11) formé pour son ensemble statorique par trois pôles (9a, 9b et 9c), deux bobines électriques (7a, 7b) et présentant pour son ensemble mobile une culasse (3) portant deux aimants (4a, 4b) et déplaçant un arbre de sortie (16), selon l'axe (6), destiné à actionner un organe extérieur dépendant de l'application visée. L'ensemble actionneur ainsi formé présente une symétrie de révolution autour de l'axe (6). A l'intérieur de la culasse (3) évidée est placé le capteur de position formé par un aimant parallélépipédique (2) solidaire de la culasse (3) et une sonde magnétosensible (1), type sonde de Hall positionnée sur l'axe d'axisymétrie (6) de l'ensemble de positionnement (14). Positionnée sur cet axe (6), la sonde (1) présente au moins un de ses axes de sensibilité orienté selon une direction perpendiculaire à l'axe de révolution (6) afin d'être insensible au champ magnétique produit par l'actionneur et de détecter uniquement l'amplitude ou la direction du champ magnétique produit par l'aimant capteur (2). Cette sonde (1) est portée par un élément (17) assurant le guidage de la culasse (3) voire évitant l'anti-rotation de celle-ci, cet élément (17) ayant ainsi une fonction double, permettant de garder un caractère compact à l'ensemble de positionnement (14) formé. La figure 5a montre l'ensemble de positionnement (14) selon un mode de réalisation rotatif, et la figure 5b ce même ensemble suivant une vue de coupe transversale passant par l'axe principal (6) de l'ensemble (14). La partie actionneur, suivant les enseignements de la demande FR2670629, est composée de 4 pôles ferromagnétiques (9) identiques portant chacun une bobine électrique (7), l'ensemble statorique ainsi formé étant fixé à une base (5) ferromagnétique. Au-dessus de cet ensemble statorique formé, séparé par un entrefer, est positionné l'ensemble mobile en rotation par rapport à l'ensemble statorique dans un plan perpendiculaire à l'axe principal (6). Cet ensemble mobile est formé par une culasse (3) portant un disque aimanté (4) composé de 4 secteurs aimantés. L'actionneur ainsi formé présente une périodicité de 90° autour de l'axe principal (6). La partie détection est assurée par un aimant capteur (2) solidaire de la culasse (3) dans un évidement (18) réalisé dans cette dernière. Une sonde magnétosensible (1) est positionnée sur ou proche de l'axe principal (6), fixe par rapport à l'aimant capteur (2). La périodicité de l'actionneur assure que, en tout point de l'axe principal (6), le champ magnétique normal à cet axe (6) est théoriquement nul, assurant une direction d'insensibilité au champ magnétique émis par l'actionneur à la sonde (2). La figure 6a montre l'ensemble de positionnement (14) suivant un autre mode de réalisation linéaire, et la figure 6b ce même ensemble suivant un plan de coupe passant par l'axe principal (6). Dans ce mode de réalisation, l'actionneur formé par une culasse ferromagnétique (3) mobile portant deux aimants (4a, 4b) présente une géométrie extrusive mais une périodicité de 180° autour de l'axe principal (6). En effet, par cette périodicité autour de l'axe principal (6), l'aimant (4a) correspond bien à l'aimant (4b) et, au stator, le stator ferromagnétique (10a) et la bobine (7a) correspondent bien au stator ferromagnétique (10b) et à la bobine (7b). De cette façon, le champ magnétique produit l'actionneur (aimants et bobines) est théoriquement nul dans la direction orthogonale à l'axe principal (6) sur cet axe (6). Cette caractéristique est avantageusement mise à profit pour installer, dans la culasse (3) évidée (18) de l'actionneur, un aimant capteur (2) solidaire de cette culasse (3) et une sonde magnétosensible (1) positionnée au voisinage de l'axe (6) de manière à ce qu'au moins un de ses axes de sensibilité soit sur l'axe (6) selon une direction orthogonale. De cette manière, l'insensibilité de la sonde (1) au champ magnétique de l'actionneur est assurée. Sur ces figures 6a et 6b, l'actionneur est du type hybride, présentant un encastrement d'aimant (4a, 4b) dans la culasse (3) et générant une composante de force axiale, suivant l'axe (6), d'origine proportionnelle et une composante d'origine quadratique suivant le courant, comme expliqué dans la demande FR 2774824 dont est issue cette construction. Les figures 7a et 7b, respectivement vues pleine et en coupe d'un autre mode de réalisation de l'ensemble de positionnement (14), présentent un ensemble de positionnement (14) ayant les mêmes propriétés que l'ensemble de positionnement (14) des figures 4a et 4b sauf pour la fonction actionneur. Cette dernière est réalisée avec un actionneur hybride, à réluctance variable et avec aimants semblable, dans le principe, à celui déjà présenté en figures 6a et 6b dans une version extrusive. La culasse (3) porte ainsi un aimant (4) encastré dans ladite culasse (3) et la partie statorique est constituée d'une seule bobine (7) de révolution autour de l'axe principal (6). REVENDICATIONS1. Ensemble de positionnement (14) comprenant un capteur de position et un actionneur magnétique, ledit actionneur comprenant un ensemble statorique formé d'au moins un stator ferromagnétique (10) portant au moins une bobine électrique (7) d'alimentation, et une culasse mobile (3) relativement à l'ensemble statorique, ledit actionneur présentant une géométrie de révolution ou périodique autour d'un axe (6) dit principal passant par ladite culasse (3), ledit capteur présentant au moins un aimant permanent (2) solidaire de ladite culasse (3) et au moins une sonde magnétosensible (1) fixe par rapport à l'aimant (2) et apte à mesurer l'amplitude ou la direction du champ magnétique émis par ledit aimant (2), caractérisé en ce que ladite culasse (3) présente un évidement (18) intérieur comprenant ledit axe principal (6) de l'actionneur, et en ce que ledit aimant (2) est placé à l'intérieur de l'évidement (18) et solidaire de la culasse (3). 2. Ensemble de positionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la sonde magnétosensible (1) est placée au voisinage de l'axe principal (6) à l'intérieur de l'évidement (18), avec au moins un axe de détection orienté perpendiculairement audit axe principal (6). 3. Ensemble de positionnement selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'actionneur électromagnétique est un actionneur comprenant au moins un aimant mobile (4), placé sur la culasse mobile (3). 25 4. Ensemble de positionnement selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'actionneur électromagnétique est un actionneur à réluctance variable sans aimant. 5. Ensemble de positionnement selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'actionneur électromagnétique est un actionneur hybride à réluctance variable et à 30 aimants permanents (4).20 6. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément magnétosensible (1) est une sonde de Hall sensible à l'amplitude du champ magnétique émis par ledit aimant (2) du capteur. 7. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la sonde magnétosensible (1) est une sonde de Hall sensible à la direction du champ magnétique émis par ledit aimant (2) du capteur. 10 8. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit aimant capteur (2) est entièrement à l'intérieur de l'évidement (18) de la culasse (3). 9. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications précédentes 15 caractérisé en ce que ladite sonde magnétosensible (1) est portée par un support agissant comme guide mécanique de ladite culasse (3). 10. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aimant capteur (2) présente une aimantation variable en intensité 20 ou en direction selon la direction de déplacement. 11. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'aimant capteur est unipolaire, c'est-à-dire présentant une seule direction d'aimantation. 12. Ensemble de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'aimant capteur est constitué d'un acier rémanent. 25