Brevet FR2986923A1 — publié le 20130816

ACTIONNEUR A ENTRAINEMENT DIRECT COMPACT GENERANT UNE FORCE CONSTANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] La présente invention se rapporte au domaine des actionneurs électromagnétiques sans contact à aimants mobiles, et plus particulièrement ceux présentant une force constante sur la course, même sous forts courants provoquant une saturation du circuit magnétique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] On connait dans l'état de la technique des technologies d'actionneur sans contact telles que décrites dans le brevet US04195277. Cet actionneur repose sur l'emploi d'une armature mobile composée d'un aimant unipolaire. L'ensemble mobile fait face à une structure statorique constituée d'un circuit en « C » présentant une bobine en son sein. Cette structure présente l'avantage d'une variation constante de flux magnétique dû à l'aimant à travers la bobine au cours du déplacement de l'aimant. Ce gradient de flux par unité de déplacement est appelé facteur de force de l'actionneur ; multiplié par la force magnétomotrice de la bobine il permet d'obtenir la force générée par le dit actionneur. Cette force est alors constante pour un facteur de force constant et un courant donné. Cependant la structure proposée n'est pas adaptée à des actionneurs devant présenter un facteur de force élevé du fait de l'emploi d'un seul pôle sur l'aimant mobile et de 2 pôles au stator. [0003] On trouve ainsi dans l'état de l'art, des structures à 3 pôles statoriques notamment celui de la demanderesse W009016109A1 qui permettent d'améliorer le facteur de force grâce à l'emploi de deux pôles sur l'aimant mobile. Si on souhaite créer un actionneur présentant une force importante par unité de puissance électrique, une importante force magnétomotrice de bobine est nécessaire en plus d'un facteur de force important. Cela conduit donc à une bobine de taille importante. Cette structure présente alors l'inconvénient d'un encombrement axial très important du fait de l'emploi de trois pôles aux stators auxquels viennent s'ajouter 2 fois la hauteur des bobines. Selon les enseignements de ce brevet, la course d'un tel actionneur est alors inférieure à la moitié de la différence entre la hauteur totale du -2 circuit magnétique comportant la bobine et la hauteur totale des parties aimantées (2.YA). Ainsi par exemple, pour une hauteur totale de circuit magnétique de 52 mm et une hauteur totale des parties aimantées de 37 mm, un tel actionneur présenterait une course de seulement 7.5 mm lui permettant d'obtenir une force constante sur cette course. [0004] On connaît également le brevet de la demanderesse EP00607354B1 proposant de palier à ce défaut d'encombrement par l'emploi d'un logement dans la partie statorique dans lequel la bobine est enchâssée. L'encombrement axial de la structure devient alors bien plus réduit puisqu'il est équivalent à la hauteur additionnée des trois pôles statoriques à laquelle s'ajoute deux fois la distance entre le pôle central et le pôle latéral. Cette dernière distance se réduisant cette fois ci à la moitié de l'entrefer E qui correspond à la somme de l'épaisseur d'aimant et du jeu mécanique entre aimant et surface du stator. Selon l'enseignement de ce brevet, le pôle central doit posséder une hauteur (Yc) égale à la course augmentée de la distance E. La largeur des pôles latéraux (YL) étant supérieure à la largeur du pôle central. Ainsi dans une hauteur de 52 mm, l'enseignement du brevet nous oriente vers un actionneur de course maximale 14 mm ce qui représente une réelle amélioration par rapport au brevet W009016109A1. La contrepartie directe est qu'il en résulte une proximité entre le pôle centrale et les pôles latéraux encourageant alors les fuites de flux magnétique entre pôles statoriques. Dans l'objectif de réduire le flux de fuites entre pôles, l'homme de métier a alors le réflexe de chanfreiner les pôles, ce que décrit également le brevet EP00607354B1. [0005]On trouve par exemple ces actionneurs dans des applications automobiles dans lesquelles on apprécie le caractère constant de la force sur la course ainsi que la proportionnalité au courant de la force. Ainsi dès lors qu'on souhaite réguler le positionnement d'une vanne pour ajuster le débit d'un fluide (exemple des vannes de recirculation des gaz d'échappements) ou réguler le positionnement d'une pédale pour rendre cette dernière active et capable de transmettre une information au conducteur. La problématique d'encombrement prend tout son sens dans ces environnements exigus dans la mesure où chaque millimètre gagné est précieux pour autoriser l'implantation de l'actionneur. -3 [0006]Cependant bien que ce dernier actionneur cité présente l'avantage de proposer des règles de dimensionnement d'un actionneur compact pour générer une force constante sur la course en régime nominal, il présente l'inconvénient de ne pas être adapté à des problématiques d'actionneurs compacts à courses élargies aptes à générer une force constante sur toute sa course en particulier pour des régimes de saturation élevés. EXPOSE DE L'INVENTION [0007] La présente invention vise donc à proposer un actionneur à aimants mobiles apte à proposer dans un encombrement réduit une course maximisée sur laquelle la force générée par l'actionneur sera constante y compris sous puissance électrique maximale par l'action conjointe de deux règles dimensionnelles contraires à l'enseignement de l'art antérieur. [0008] Plus particulièrement, l'invention concerne un actionneur à trois pôles statoriques dont l'armature mobile est constituée de deux pôles magnétiques réalisés en un matériau ferromagnétique aimantés dont l'encombrement suivant la direction de sa course est sensiblement égal à trois fois la longueur de la course. Dans ce type de structure, l'homme de métier chercherait à maximiser les sections de passage du flux dans les pôles de façon à retarder l'apparition de la saturation, ce qui a tendance à provoquer des fuites entre pôles. Là encore l'homme de métier chercherait à répondre à cet inconvénient en chanfreinant les pôles. [0009]A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un actionneur électromagnétique du type produisant un effort dû au courant sensiblement constant sur toute sa course utile Y et présentant un effort réduit en l'absence de courant, constitué d'au moins une structure statorique, au moins une bobine d'alimentation électrique, et un organe mobile, ladite structure statorique étant réalisée en un matériau magnétique doux et présentant, d'une part, un pôle central s'étendant perpendiculairement à la direction de ladite course Y et ayant une largeur Yci suivant la direction de la course et terminée à son extrémité par une largeur YC2 supérieure ou égale à la course Y de l'organe mobile, Yc2 étant supérieure à Ycl, et d'autre part, deux pôles latéraux ayant des largeurs YL1, suivant la direction de la course et terminée à leur extrémité par une largeur YL2 supérieure à YLi, les pôles -4 latéraux et le pôle central étant séparés par une distance YG, l'organe mobile relativement à la structure statorique comportant une armature supportant au moins deux aimants minces permanents adjacents ayant chacun une largeur YA, l'organe mobile et la structure statorique délimitant un entrefer E, la bobine ayant une largeur YB, caractérisé en ce que la largeur YL2 des pôles latéraux est égale à (2YL1+2YB+Yci-2YG-Yc2)/2 et inférieure à la largeur Yc2 du pôle central. [0010] De cette façon lorsque la transition magnétique des deux pôles de l'armature mobile quitte le vis-à-vis de la zone de pleine section du pôle central pour amorcer sensiblement le dernier quart de la course de l'actionneur et rentre en vis-à-vis de la partie correspondant à l'épanouissement du pôle centrale, l'extrémité du pôle magnétique supérieur rentre simultanément à son tour en vis-à-vis de la zone de pleine section du pôle latéral. Dans un encombrement réduit dans lequel nous cherchons par exemple à réaliser une course de 15 mm avec un pôle central tel que Yc=17.2 mm, 2 pôles latéraux tels que YL=15.4 mm et 2 aimants de largeur totale telle que 2.YA=37 mm dans un encombrement de 52 mm, cela se traduit par une bobine de hauteur plus réduite que l'enseignement de l'état de l'art. [0011] De préférence, la largeur YB des bobines est égale à la largeur YA des aimants. [0012] Cette caractéristique additionnelle permet de compenser la perte de force de l'actionneur en début de course (qui est la position où les flux magnétique de l'aimant et la bobine sont opposés) due à une perte de force magnétomotrice de la bobine. En effet par la présence de la pleine section du pôle latéral YLi en vis-à-vis de l'extrémité de l'aimant, le niveau de force généré par l'actionneur en fin de course (qui est la position où les flux magnétique de l'aimant et la bobine sont additifs) y est plus élevé que celui qui serait issu de l'application de l'art antérieur. [0013] Dans un mode de réalisation préféré, la distance entre l'organe mobile et la structure statorique définit un jeu mécanique j et les pôles latéraux présentent une épaisseur variable, considérée perpendiculairement à la direction de la course Y, et ladite épaisseur, définie dans sa partie la plus fine, est de l'ordre de grandeur du jeu mécanique j. - 5 - [0014] Particulièrement, l'épaisseur des pôles latéraux, définie dans sa partie la plus épaisse, est au maximum égale à l'épaisseur LA des aimants minces considérée perpendiculairement à la direction de la course Y. [0015] Dans un mode de réalisation préféré, les aimants minces présentent une aimantation dont la direction est majoritairement perpendiculaire à la direction de la course Y. [0016] Dans un mode de réalisation particulier, les aimants minces présentent une aimantation dont la direction est perpendiculaire à la direction de la course Y sur la 10 zone centrale des aimants minces et tournante sur ses extrémités. [0017] Dans un mode de réalisation alternatif, l'armature supporte quatre aimants adjacents afin d'augmenter la constante de force. 15 [0018] La course de l'actionneur peut être considéré linéaire ou circulaire sans que les enseignements décrits par la présente invention différent. [0019]Lorsque la course est linéaire, la structure statorique et l'organe mobile peuvent préférentiellement être de révolution autour d'un axe colinéaire à la direction 20 de la course Y. [0020] Même si la description de l'invention est réalisée pour un actionneur de révolution autour d'un axe (axisymétrie) il est tout à fait possible d'envisager un mode de réalisation alternatif ou la structure statorique et l'organe mobile sont extrusifs 25 dans une direction perpendiculaire à la direction de la course Y, permettant d'utiliser par exemple un assemblage de tôles pour la structure statorique. [0021]Enfin, les pôles latéraux peuvent, dans un mode de réalisation alternatif, présenter des largeurs YLi différentes. 30 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0022] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation non limitatif, se référent aux dessins annexés où : 2 986 923 -6 - La figure 1 présente une vue schématique de l'actionneur selon le mode de réalisation préféré en vue de coupe définissant les principaux paramètres géométriques. - La figure 2 présente une vue schématique de l'actionneur selon le mode de 5 réalisation préféré en vue de coupe définissant les principales dimensions. - La figure 3 présente une vue schématique de l'actionneur selon le mode de réalisation préféré en vue de coupe, avec l'organe mobile dans une position de sa course permettant de mieux visualiser l'une des règles dimensionnelles de l'invention. - La figure 4 présente une vue schématique de l'actionneur selon le mode de réalisation préféré en vue de coupe, avec l'organe mobile en fin de course. - La figure 5 présente une vue détaillée de l'actionneur selon le mode de réalisation préféré en vue de coupe. - La figure 6 présente une courbe schématique d'évolution de la force en fonction de la position et de la puissance. - La figure 7 présente une vue schématique en coupe de l'actionneur selon un mode de réalisation secondaire. - La figure 8 présente une vue schématique en coupe de l'actionneur selon un mode de réalisation angulaire. - La figure 9 présente une vue schématique en coupe de l'actionneur selon un autre mode de réalisation linéaire. - La figure 10 présente une vue schématique d'un actionneur suivant une réalisation extrusive. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION [0023] Les figures 1 et 2 représentent de manière schématique un actionneur selon un mode de réalisation préféré. [0024]Cet actionneur est de géométrie axisymétrique autour de l'axe (10) et est constitué d'une structure statorique (1) composée d'un pôle central (4) de largeur axiale Yci et de deux pôles latéraux (5a, 5b) de largeur YLi. Entre le pôle central (4) et les pôles latéraux (5a, 5b) sont disposées deux bobines d'alimentation électrique -7 (3a, 3b) de largeur axiale YB. Cette largeur YB prend en compte un éventuel corps de bobine supportant ladite bobine (3a, 3b). Le pôle central (4) s'étend sur une direction perpendiculaire à l'axe (10) et est terminé par un prolongement axial (9) présentant une largeur plus importante qu'à la base du pôle central (4) et s'étendant de part et d'autre axialement du pôle central (4) définissant une largeur extrême YC2. [0025]Les pôles latéraux (5a, 5b) sont ici, et préférentiellement, identiques mais peuvent éventuellement présenter une dissymétrie afin d'obtenir un pôle latéral plus large que l'autre. Ils présentent un prolongement (8) axial s'étendant en direction du pôle central (4), définissant une largeur extrême YL2. [0026] Les pôles latéraux (5a, 5b) et le pôle central (4) sont réalisés en matériau ferromagnétique doux et sont reliés entre eux par une culasse (12) elle-aussi en matériau ferromagnétique doux. [0027] Les pôles latéraux (5a, 5b) sont séparés du pôle central (4) par une distance YG. [0028] L'actionneur présente aussi un organe mobile (2) constitué de deux aimants (6, 7) de largeur identiques YA adjacents. Cet organe mobile (2) se déplace sur une course Y. Ils sont préférentiellement aimantés de manière alternée (flux sortant et rentrant) et radiale de façon à ce que le flux magnétique produit soit en direction des pôles. Toute autre aimantation que radiale peut être envisagée selon les techniques connues de l'art antérieur notamment pour augmenter localement le niveau de force. [0029]Ces aimants (6, 7) sont portés par une armature (11), idéalement en matériau ferromagnétique doux afin de refermer le flux magnétique. [0030] En fonction du courant parcourant les bobines d'alimentation (3a, 3b), l'organe mobile se déplace ainsi en regard de la structure statorique (1) selon la direction définit par l'axe (10), en définissant un entrefer (E) délimité par la distance radiale -c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe (10)- séparant l'armature (11) de l'ensemble statorique (1) et un jeu mécanique (j) délimité par la distance radiale entre les aimants (6, 7) et la structure statorique (1). Idéalement, l'entrefer (E) et le jeu mécanique (j) sont constants sur la course (Y) de l'actionneur. Selon le sens de - 8 - courant dans les bobines (3a, 3b), des pôles Nord ou Sud se créent aux niveaux des prolongements (8, 9) qui cherchent ainsi à s'aligner avec les pôles respectivement Sud et Nord des aimants (6, 7). [0031]On définit particulièrement la hauteur des pôles latéraux YL2 comme étant de largeur axiale : [0032] YL2.(2YL1+2YB+Yc1-2YG-Yc2)/2 [0033] Cette largeur YL2 des pôles latéraux est inférieure à la largeur YC2 du pôle central (4). Avantageusement, la largeur YA des aimants (6, 7) est égale à la largeur YB de la bobine (3a, 3b). Ces deux caractéristiques rendent possible la dé-saturation du circuit sur la deuxième partie de la course telle que présentée en figure 3. Sur cette figure 3, représentant l'organe mobile (2) au voisinage des 3/4 de la course. La transition (16) séparant les deux polarités opposées quittent la zone de vis-à vis de la section à largeur Yci du pôle central alors que l'extrémité (14) de l'aimant (6) entre en vis-à-vis avec la section à largeur YL1 du pôle latéral (5a). Cette configuration géométrique essentielle permet de conférer à l'actionneur cette caractéristique étonnante de force constante sur la fin de course même lorsque le courant dans les bobines (3a, 3b) est élevé, la majorité du flux magnétique n'ayant plus à transiter par les prolongements (8) et évitant ainsi une perte de potentiel magnétique. [0034] Le pôle central YC2 est de l'ordre de grandeur de la course Y. [0035] lorsque l'organe mobile (2) a parcouru la course Y, l'extrémité (14) axiale de l'aimant (6) se retrouve alignée axialement avec l'extrémité du pôle latéral (13) comme le montre la figure 4. [0036] La figure 5 est une vue de détail d'un pôle latéral (5b) qui présente une épaisseur minimale (Ep1) à l'extrémité axiale du prolongement (8) et une épaisseur maximale (Ep2) à la base du prolongement (8). De manière préférentielle, l'épaisseur Ep1 est de l'ordre de grandeur du jeu mécanique j et l'épaisseur Ep2 est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur radiale EpA d'aimant (7). L'actionneur selon l'invention présente des épanouissements inhabituellement fins. Les pôles provoquent une 2 986 923 - 9 - saturation locale permettant d'éviter l'affaiblissement du flux magnétique principal en rétablissant un chemin privilégié de passage du flux magnétique par l'entrefer. [0037] La diminution des sections des épanouissements des pôles central (4) et latéraux (5a, 5b) est réalisée dans le but, non pas de simplement diminuer le flux de 5 fuite entre pôles, mais de le réduire fortement à une valeur quasi nulle lorsque la puissance électrique maximale est fournie à l'actionneur. [0038] Sous faible puissance électrique le flux utile n'est pas suffisant pour provoquer de saturation globale du circuit magnétique en fin de course, permettant ainsi de générer une force constante sur l'ensemble de la course. 10 [0039]Quand la puissance électrique maximale est fournie à l'actionneur, la saturation locale des dents a pour conséquence de réduire drastiquement les flux de fuites, permettant de façon surprenante pour l'homme de métier, la dé-saturation globale du circuit magnétique particulièrement en fin de course. Cela a en effet pour résultante de baisser le point de travail du matériau ferromagnétique doux du circuit 15 magnétique qui retrouve un milieu à perméabilité relative plus élevée. Le flux magnétique utile circulant dans ce milieu plus perméable s'en trouve alors augmenté. [0040] La figure 6 représente la courbe de la force mesurée en fonction de la position. Le début de course est sur la gauche de la courbe et la fin de course est sur la droite de la courbe. L'intérêt de cette figure 6 est de souligner que la force en fin de 20 course et la force en début de course sont sensiblement au même niveau que l'on soit à basse (Low) ou haute (high) puissance, c'est-à-dire à courant respectivement faible ou important. On considère qu'une puissance est importante lorsqu'elle est bien supérieure à celle que l'actionneur est capable de supporter en continu sans dégradation par une température trop élevée. La courbe notée (0) est celle 25 correspondant à la force sans courant. Cette force est quasi nulle sur l'ensemble de la course utile définie par l'ensemble de la fenêtre « position [mm] » montrée. [0041] En fin de course, l'extrémité de l'aimant se trouve en vis-à-vis de la pleine section du pôle latéral supérieur permettant de bénéficier de l'effet de dé-saturation du circuit magnétique garantissant une caractéristique linéaire de force en fonction 2 986 923 -10- de la position et permettant particulièrement d'obtenir une force identique en début de course et en fin de course. [0042] La figure 7 présente un mode de réalisation alternatif reprenant l'intégralité des éléments de l'actionneur de la figure 1 auquel on a ajouté deux aimants (15, 17) 5 supplémentaires adjacents aux deux aimants (6, 7). Cet ajout permet de générer un facteur de force supplémentaire pour un courant donné sans modifier les avantages décrit précédemment qui constituent l'invention et qui permettent de dé-saturer le circuit, même si l'encombrement est globalement augmenté. [0043] La figure 8 représente un autre mode de réalisation alternatif consistant à 10 réaliser un actionneur à course angulaire. Sur la partie gauche, l'actionneur est montré en vue de trois-quart dessous et à droite ce même actionneur est montré en vue éclatée permettant de bien observer l'organe mobile (2) portant deux aimants minces (6, 7), l'organe mobile (2) se déplaçant en rotation relativement à la structure statorique (1) sur laquelle est placée ici une bobine (3) autour du pôle central (4). Les 15 deux pôles latéraux (5a, 5b) présentent, de même que pour tout autre mode de réalisation de l'invention, les mêmes relations géométriques permettant de conserver une loi de force constante sur la course même à forte puissance. [0044] La figure 9 présente un mode de réalisation alternatif où la structure statorique (1) présente, au niveau des pôles latéraux (5a, 5b), des excroissances (18a, 18b) qui 20 prolonge les pôles latéraux (5a, 5b) dans une direction opposée aux prolongements (8). Ces excroissances permettent de prendre en compte la tolérance de positionnement de l'organe mobile (2) par rapport à la structure statorique (1) en décalant la course Y d'un côté ou de l'autre suivant la direction de la course. [0045] La figure 10 présente un mode de réalisation alternatif montrant un actionneur 25 à géométrie extrusive, où l'on retrouve les mêmes éléments que décrits précédemment pour les autres modes de réalisation, notamment l'organe mobile (2) portant les aimants (6, 7) et la structure statorique (1) portant la bobine (3) et constituée d'un pôle central (4) et de deux pôles latéraux (5a, 5b) prolongés. REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique du type produisant un effort dû au courant sensiblement constant sur toute sa course utile Y et présentant un effort réduit en l'absence de courant, constitué d'au moins une structure statorique (1), au moins une bobine (3) d'alimentation électrique, et un organe mobile (2), ladite structure statorique (1) présentant, d'une part, un pôle central (4) s'étendant perpendiculairement à la direction de ladite course Y et ayant une largeur Ycl suivant la direction de la course et terminée à son extrémité par une largeur Yoe supérieure ou égale à la course Y de l'organe mobile (2), Yc2 étant supérieure à Ycl, et d'autre part, deux pôles latéraux (5a, 5b) ayant des largeurs YLi, suivant la direction de la course et terminée à leur extrémité par une largeur YL2 supérieure à YL1, les pôles latéraux (5a, 5b) et le pôle central (4) étant séparés par une distance YG, l'organe mobile (2) relativement à la structure statorique (1) comportant une armature (11) supportant au moins deux aimants minces permanents (6, 7) adjacents ayant chacun une largeur YA, l'organe mobile (2) et la structure statorique (1) délimitant un entrefer E, la bobine (3) ayant une largeur YB, caractérisé en ce que la largeur YL2 des pôles latéraux (8) est égale à (2YL1-E2YB+Yci-2YG-Yc2)/2 et inférieure à la largeur Yc2 du pôle central (4). 2. Actionneur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la largeur YB de la bobine (3) est égale à la largeur YA des aimants (6, 7) selon la direction de la course Y. 3. Actionneur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la distance entre l'organe mobile (2) et la structure statorique (1) définit un jeu mécanique (j) et en ce que les pôles latéraux (5a, 5b) présentent une épaisseur variable, considérée perpendiculairement à la direction de la course Y, et en ce que ladite épaisseur, définie dans sa partie la plus fine (EP1), est de l'ordre de grandeur du jeu mécanique (j).-12- 4. Actionneur selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'épaisseur des pôles latéraux (5a, 5b), considérée perpendiculairement à la direction de la course Y et définie dans sa partie la plus épaisse (EP2), est au maximum égale à l'épaisseur (EpA) des aimants minces. 5. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les aimants minces (6, 7) présentent une aimantation dont la direction est majoritairement perpendiculaire à la direction de la course Y. 6. Actionneur selon la revendication précédente caractérisé en ce que les aimants minces (6, 7) présentent une aimantation dont la direction est perpendiculaire à la direction de la course Y sur la zone centrale des aimants minces (6, 7) et tournante sur ses extrémités. 7. Actionneur selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'armature (11) supporte quatre aimants (6, 7, 15, 17) adjacents. 8. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la course Y est circulaire. 9. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la course est linéaire et la structure statorique (1) et l'organe mobile (2) sont extrusifs dans une direction perpendiculaire à la direction de la course Y. 10. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la course est linéaire et la structure statorique (1) et l'organe mobile (2) sont de révolution autour d'un axe colinéaire à la direction de la course Y. 11. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les pôles latéraux présentent des largeurs YLi différentes. 12. Actionneur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les pôles latéraux (5a, 5b) présentent des excroissances axiales (18a, 18b) dirigées à l'opposé des prolongements des pôles latéraux (5a, 5b).