Brevet FR2999675A1 — publié le 20140620

L'invention concerne le domaine de la commande électromagnétique d'un clapet. Elle concerne plus particulièrement un électro-clapet pouvant servir à la commande d'alimentation carburant d'un moteur, en 5 particulier un moteur l'aéronef. Les électro-clapets de circuits carburants hautes pression des moteurs d'aéronefs utilisent des électroaimants actionnant des organes de pilotage du carburant, ces organes de pilotages peuvent être des clapets plats ou à billes, des tiroirs ou toutes autres 10 technologies connues. Cette partie fluidique n'étant pas le coeur de l'invention, elle est considérée ici sous la forme d'un simple clapet à bille à titre d'exemple. Les électroaimants considérés peuvent être monostables (une position obtenue par alimentation électrique et rappel par 15 ressort) ou bistable (2 positions stables obtenues par alimentation électrique de 2 circuits électriques). Les électro-clapets 1 sont classiquement constitués (voir fig. 1) d'une armature fixe 2, d'une armature mobile 3 qui actionne la partie hydraulique et d'une bobine 4. L'alimentation 20 électrique de la bobine 4 produit un champ magnétique qui est guidé par l'armature fixe 2 puis par l'armature mobile 3 jusque dans l'entrefer 5 où ce champ magnétique est interrompu. Cette interruption crée un effort dans l'entrefer 5 qui a tendance à se réduire entrainant le déplacement de l'armature mobile 3 qui 25 actionne la partie hydraulique. Les clapets hydrauliques 6 requièrent pour être manoeuvrés qu'on leur applique un effort égal à l'effort F développé par la pression sur la section efficace du clapet. La course C de laquelle on doit déplacer le clapet est 30 généralement dimensionné par des notions de pertes de charge à respecter. L'électroaimant qui pilote ce clapet doit donc développer un effort F pour un entrefer E égal à C. Il est donc calculé pour fonctionner sur des points caractéristiques ne correspondant pas à leur optimum, et où ils vont présenter une 35 masse maximale élevée. Ce point est très problématique dans le cas de l'utilisation sur moteur d'aéronef, où la réduction du poids revêt une importance particulière. Par ailleurs, des électrovannes bistables sont couramment 5 réalisées au moyen de pièces métalliques déformables présentant deux états d'équilibres de part et d'autre d'un point milieu. L'action mécanique de l'électroaimant doit donc actionner la partie hydraulique et en même temps faire basculer cette pièce métallique d'un état stable à l'autre. Ceci résulte en un surcroit 10 d'effort nécessaire et donc en un surcroit de masse et d'encombrement. Une autre façon de réaliser cette fonction est d'utiliser des aimants permanents pour le maintien dans chaque position stable. Cette solution pose toutefois des problématiques industrielles 15 importantes (manutention, stockage..) et des problématiques de fiabilité (stabilité en température, maintien de l'aimantation dans le temps...). La présente invention se propose de remédier à au moins une partie des inconvénients précités et propose une solution qui 20 permette de réduire le coût et le poids, tout en assurant une bonne fiabilité de l'électro-clapet, qu'il soit monostable ou bistable. A cet effet, l'invention concerne un électro-clapet comprenant une armature fixe, une armature mobile avec un noyau 25 mobile et un poussoir relié à un clapet, un entrefer étant disposé entre le noyau mobile et l'armature fixe, une bobine configurée pour, qu'alimentée en courant électrique, elle produise un champ magnétique guidé par les armatures fixe et mobile de sorte à créer une force magnétique dans ledit entrefer. Cet électro-clapet est 30 particulier en ce qu'il comporte un moyen d'entraînement décalé dudit poussoir par ledit noyau mobile, configure pour qu'une translation dudit noyau mobile produise une translation dudit poussoir décalée dans le temps. Un tel décalage permet de faire en sorte que lorsque l'effort nécessaire est maximal (décollage de la 35 position fermée ou ouverte), l'effort disponible est proche du maximum également (entrefer quasiment fermé), ce qui n'est pas le cas sans un tel décalage. En effet sans un tel décalage, l'effort est d'abord faible, au moment où il faut décoller le clapet, ce qui impose un dimensionnement bien plus important, puis l'effort augmente au moment où un effort plus faible suffirait. Selon d'autres caractéristiques : - ledit moyen d'entraînement décalé peut comporter un ressort de compression disposé entre ledit noyau mobile et ledit poussoir, une translation dudit noyau mobile vers ledit poussoir produisant une compression dudit ressort, ce qui produit une translation dudit poussoir décalée dans le temps ; une telle solution présente l'avantage que le ressort assure la poursuite du mouvement jusqu'à la fermeture, respectivement l'ouverture, complète du clapet, - ledit moyen d'entraînement décalé peut comporter une face d'appui dudit noyau mobile faisant face à une face d'appui dudit poussoir, et un jeu entre lesdites faces d'appui, de sorte à permettre une translation dudit noyau mobile correspondant au dit jeu sans translation dudit poussoir, suivie d'une translation complémentaire dudit noyau mobile pendant laquelle ledit noyau mobile pousse ledit poussoir, provoquant la manoeuvre dudit clapet ; une telle disposition permet d'éviter la mise en place d'un ressort, et donc de réduire encore le coût et le poids, - ledit noyau mobile peut être en un matériau magnétique dur, de sorte qu'après suppression de la tension électrique à ladite bobine, un champ magnétique rémanent est conservé, permettant l'application d'une force de maintien entre ledit noyau mobile et ladite armature fixe ; une telle solution permet de garantir cette fonction sans aucune pièce ni poids supplémentaire, - ledit électro-clapet peut comporter deux bobines, deux entrefers, et deux noyaux mobiles reliés entre eux par un moyen d'entraînement décalé, de sorte à être apte à exercer un effort magnétique dans deux positions distinctes par mise sous tension de chacune des bobines respectivement ; une telle solution permet la mise en oeuvre de l'invention sur un électro-clapet bistable, - ledit moyen d'entraînement décalé peut comporter un ressort disposé entre les deux noyaux mobiles ; une telle solution présente l'avantage que le ressort assure la poursuite du mouvement jusqu'à la fermeture, respectivement l'ouverture, complète du clapet, - lesdits deux noyaux mobiles étant désignés par « bas » et « haut » en référence à une utilisation possible dudit électro-clapet dans une orientation poussoir vers le bas, ledit noyau mobile bas peut comporter une queue s'étendant vers le noyau mobile haut jusqu'au-delà dudit noyau mobile haut, et ledit moyen d'entraînement décalé comporter une face d'appui sur ladite queue, une face d'appui sur ledit noyau mobile haut, et un jeu disposé entre lesdites faces d'appui, configure pour permettre à l'un quelconque des noyaux mobiles de s'éloigner de l'autre sur une course déterminée, puis, après annulation dudit jeu, d'entraîner l'autre dans sa course ; une telle disposition permet d'éviter la mise en place d'un ressort, et donc de réduire encore le coût et le poids, - ledit électro-clapet peut comporter un ressort de rappel configure pour exercer un effort de rappel entre ladite armature fixe et ledit poussoir, de sorte à garantir la position ouverte dudit clapet en l'absence de tension aux bornes desdites bobines ; L'avantage de la présente invention réside en particulier en ce que la masse d'un électro-clapet peut être sensiblement réduite pour un effort d'application donné du clapet sur son siège de clapet. D'une part en désolidarisant le noyau mobile et le poussoir, il devient possible de faire correspondre la position du poussoir où l'effort requis est maximal, à la position du noyau mobile où l'effort produit est maximal, permettant ainsi une réduction du dimensionnement magnétique, et donc de la masse, de l'électro-clapet. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre se rapportant à un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif. La compréhension de cette description sera facilitée en se référant aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 représente une vue schématique d'un électro-clapet de l'état de la technique ; la figure 2 représente une vue schématique 10 d'un électro-clapet selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente une vue schématique d'un électro-clapet selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; 15 la figure 4 représente une vue une vue schématique d'un électro-clapet selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 représente une vue une vue schématique d'un électro-clapet selon un quatrième mode de réalisation de 20 l'invention; la figure 6 représente une vue une vue schématique d'un électro-clapet selon un cinquième mode de réalisation de l'invention; Tel que représenté à la figure 2 du dessin ci-joint, la 25 présente invention concerne un électro-clapet 10 comportant une armature fixe 11, une armature mobile 12, une bobine 13 et un entrefer 14 disposé entre l'armature fixe 11 et l'armature mobile 12. L'armature mobile 12 comporte un noyau mobile 17 et un poussoir 18 avec une extrémité apte à agir sur le clapet 15 30 reposant sur le siège de clapet 16 d'une vanne ; Un ressort de compression 19 est disposé entre le noyau mobile 17 et le poussoir 18, exerçant un effort de rappel entre les deux. Lors de l'application de la tension d'alimentation à la bobine 13, l'effort que le noyau mobile 17 a besoin de développer 35 est égal à l'effort de précontrainte du ressort de compression 19. Ainsi tout le début de déplacement du noyau mobile 17 est effectué pour comprimer le ressort de compression 19 sans provoquer de déplacement du clapet 15. Le ressort de compression 19 est configure pour qu'en fin de déplacement du noyau mobile 17, l'effort développé par le noyau mobile 17 pour comprimer le ressort de compression 19 est égal à l'effort nécessaire pour ouvrir le clapet hydraulique 15. En effet le clapet 15 en position fermée est maintenu dans cette position par la pression différentielle s'exerçant sur la section efficace du siège 16. Le début de l'ouverture du clapet 15 fait chuter la pression différentielle s'exerçant sur la section efficace du siège puisque celle-ci se réduit à la simple perte de charge crée par le débit passant entre le clapet 15 et le siège 16, il y a donc besoin de fournir un effort plus grand à l'ouverture du clapet 15 que l'effort nécessaire ensuite pour terminer la course d'ouverture du clapet 15. C'est cet effort supplémentaire que l'invention permet d'obtenir au moment où l'entrefer 14 est très faible, et donc l'effort magnétique très important. Le clapet 15 s'ouvre donc, et dans le même temps, le noyau parcourt ce qui lui reste de course pour arriver en butée sur l'armature fixe 11. Le ressort de compression 19 se détend et le poussoir 18 revient en butée dans le noyau mobile 17 en faisant parcourir le reste de la course d'ouverture au clapet 15. Un ressort non représenté peut être disposé entre le noyau mobile 17 et l'armature fixe 11, de sorte à maintenir le noyau mobile 17 en position haute en l'absence de tension appliquée à la bobine 13. Le ressort de compression 19 est configure d'une part de manière à être précontraint en position repos d'une valeur minimale juste suffisante pour maintenir immobile le poussoir 18 par rapport au noyau mobile 17 lorsqu'aucun effort n'est appliqué autre que l'environnement direct (vibratoire par exemple) ; d'autre part il est configure de sorte que l'effort fourni juste avant que le noyau mobile 17 ne vienne en butée mécanique sur l'armature fixe 11 est de l'ordre de l'effort nécessaire à l'ouverture du clapet 15. Dans les électro-clapets 1 de l'état de la technique, l'effort d'ouverture du clapet doit être obtenu avec un entrefer 5 de l'ordre de 1,4mm. Grâce à l'invention, ce même effort d'ouverture du clapet 15 peut être obtenu au moment où l'entrefer 14 est de l'ordre de 0,4mm. Cela permet, pour un effort requis d'ouverture de clapet 15, de prévoir un dimensionnement de l'électro-aimant bien plus faible. Un essai comparatif concluant a été réalisé, où la masse de l'électro-aimant est de l'ordre de 280g selon l'état de la technique, et pour délivrer le même effort d'ouverture de clapet 15, il est de l'ordre de 90g avec un électro-clapet 10 selon l'invention. Cela permet de réduire significativement les coûts, mais aussi la masse, ce qui est déterminant pour les électro-clapets embarqués à bord d'aéronefs, où une réduction de masse d'environ 200g représente un avantage certain. La fig. 3 illustre un électro-clapet 10 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Un jeu 20 est disposé entre le noyau mobile 17 et le poussoir 18, de sorte à permettre au noyau mobile 17 de n'exercer aucun effort sur le poussoir 18 sur une partie de sa course et de ne développer son effort que lorsque ce jeu 20 sera rattrapé. Le jeu 20 est configure légèrement inférieur à l'entrefer 14, de sorte qu'au moment où l'entrefer 14 se ferme, correspondant au moment où l'électro-aimant délivre la force la plus importante, le clapet 15 entame sa course, l'effort de maintien du clapet 15 en position ouverte étant surpassé avant la fermeture de l'entrefer 14. Le reste de la course est alors effectué grâce à l'effet du poids du poussoir 18 et de sa vitesse initiale, qui lui a été donnée par le noyau mobile 17 lors de sa descente. Un ressort non représenté est disposé entre le noyau mobile 17 et l'armature fixe 11, de sorte à maintenir le noyau mobile 17 en position haute en l'absence de tension appliquée à la bobine 13. La fig. 4 représente un électro-clapet bistable 21, dont le noyau mobile 17 comporte deux extrémités, chacune ayant une forme 35 complémentaire de la forme des noyaux fixes haut 24 et bas 25 placés en regard et entre lesquelles il se translate. Deux bobines, haute 26 et basse 27, placées autour du noyau mobile 17 créent le champ magnétique lorsqu'elles sont alimentées électriquement. Un poussoir 22 est relié au noyau mobile 17. Un corps 23 englobe le tout et referme le champ magnétique. Les 5 termes « haut » et « bas » sont utilisés ici, ainsi que ci-dessous pour les noyaux, pour distinguer deux composants complémentaires d'un électro-clapet bistable 21, et sont signifiants quand l'électro-clapet 21 est orienté de sorte que son poussoir 22 soit vertical vers le bas. L'homme du métier saura adapter l'invention 10 pour un électro-clapet 21 orienté différemment. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé d'utiliser les propriétés des matériaux magnétiques à conserver un certain champ magnétique rémanent lorsque l'alimentation électrique de la bobine 13, 26, 27 est nulle. Ainsi 15 lors de l'alimentation électrique de la bobine 13, 26, 27 un champ magnétique s'établit dans le circuit magnétique de manière à faire fonctionner l'électro-clapet 21 et à provoquer le déplacement du noyau mobile 17. Lorsque le circuit magnétique est entièrement fermé, c'est-à- 20 dire lorsque l'entrefer 14 devient nul, le champ magnétique atteint une valeur maximale provoquant la saturation magnétique du matériau. Une fois l'alimentation électrique coupée, un champ magnétique rémanent reste présent dans le circuit maintenant un effort résiduel d'attraction mutuelle entre le noyau mobile 17 et 25 le noyau fixe 24, 25. Cet effort d'attraction est utilisé pour maintenir de manière stable la position sans adjonction de composant mécanique supplémentaire et sans les contraintes industrielles liées à l'utilisation d'aimants permanents. Cette aimantation rémanente étant renouvelée à chaque mise sous tension 30 de la bobine 13, 26, 27, il n'y a pas de risques de la voir disparaitre avec le temps ou les variations de température tant qu'une utilisation périodique de l'électro-clapet 10, 21 est maintenue. Pour un électro-clapet bistable 21, les champs rémanents 35 permettent de maintenir le noyau mobile 17 appliqué contre l'un des noyaux fixes 24, 25 lorsque les bobines 26, 27 ne sont pas alimentées, que ce soit en position haute ou basse. Le noyau mobile 17 comporte un poussoir 22 qui actionne le clapet 15 de la partie hydraulique. La figure 5 présente un électro-clapet 21 bistable avec un jeu 20 entre une queue 30 du noyau mobile bas 29 et le noyau mobile haut 28. Lorsque le noyau mobile bas 29 est dans la position bistable basse maintenu par la rémanence magnétique, et que l'on alimente la bobine haute 26, le noyau mobile haut 28 se déplace librement vers le haut sans rencontrer d'effort opposé. Une fois le jeu 20 annulé par le déplacement, le noyau mobile haut 28 entraîne le noyau mobile bas 29 vers le haut en surpassant l'effort de collage dû à la rémanence magnétique. Un ressort 31 permet alors au noyau inférieur 29 et au clapet 15 de terminer sa course vers le haut et de la maintenir en position haute. Lorsque le noyau mobile 28, 29 est dans la position bistable haute, maintenu par le ressort 31, et que l'on alimente la bobine basse 27, le noyau mobile bas 29 se déplace librement vers le bas ne rencontrant que 'effort du ressort de maintien 31. Une fois le jeu 20 annulé par le déplacement, le noyau mobile bas 29 entraîne le noyau mobile haut 28 vers le bas. Le poids du noyau mobile haut 28, ainsi que l'inertie du mouvement permettent alors au noyau mobile haut 28 de terminer sa course vers le bas. Le clapet 15 est maintenu en position basse par ledit poussoir 22 solidaire dudit noyau mobile 29 lui-même maintenu à l'armature fixe lldu fait de la rémanence magnétique. Les faces d'appui du noyau mobile haut 28 et de la queue 30 du noyau mobile bas 29 ainsi que le jeu 20 disposé entre les deux constituent ainsi également un moyen d'entraînement décalé du poussoir 22 par ledit noyau mobile haut 28, ledit entraînement décalé du poussoir 22 se faisant par l'intermédiaire du noyau mobile bas 29. La figure 6 reprend les principes de réalisation de la figure 5 avec l'adjonction d'une armature mobile composée du noyau mobile 29, du poussoir 22 et du ressort 19 constituant le moyen 35 d'entraînement décalé du poussoir par le noyau mobile. L'avantage de la présente invention réside en particulier en ce que la masse d'un électro-clapet 10, 21 peut être sensiblement réduite. D'une part en désolidarisant le noyau mobile 17, 28 et le poussoir 18, 22, il devient possible de faire correspondre la 5 position du poussoir 18, 22 où l'effort requis est maximal, à la position du noyau mobile 17, 28 où l'effort produit est maximal, permettant ainsi une réduction du dimensionnement magnétique, et donc de la masse, de l'électro-clapet 10, 21. D'autre part, en utilisant la rémanence du champ magnétique dans les noyaux, on 10 obtient un maintien du clapet 15 sans ajout de pièces, et donc là encore avec une réduction de masse. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications 15 de formes, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments sans pour cela s'éloigner du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Electro-clapet (10, 21) comprenant une armature fixe (11), une armature mobile avec un noyau mobile (17, 28) et un 5 poussoir (18, 22) relié à un clapet (15), un entrefer (14) étant disposé entre le noyau mobile (17, 28) et l'armature fixe (11), une bobine (13, 26, 27) configurée pour, qu'alimentée en courant électrique, elle produise un champ magnétique guidé par les armatures fixe et mobile de sorte à créer une force magnétique 10 dans ledit entrefer (14), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'entraînement décalé dudit poussoir (18, 22) par ledit noyau mobile (17, 28), configure pour qu'une translation dudit noyau mobile (17, 28) produise une translation dudit poussoir (18, 22) décalée dans le temps. 15 2. Electro-clapet (10, 21) selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'entraînement décalé comporte un ressort de compression (19) disposé entre ledit noyau mobile (17, 28) et ledit poussoir (18, 22), une translation dudit noyau mobile (17, 28) vers ledit poussoir (18, 22) produisant une 20 compression dudit ressort de compression (19), ce qui produit une translation dudit poussoir (18, 22) décalée dans le temps. 3. Electro-clapet (10,21) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen d'entraînement décalé comporte une face d'appui dudit noyau mobile (17, 28) faisant face à une face d'appui dudit 25 poussoir (18, 22), et un jeu (20) entre lesdites faces d'appui, de sorte à permettre une translation dudit noyau mobile (17, 28) correspondant audit jeu (20) sans translation dudit poussoir (18, 22), suivie d'une translation complémentaire dudit noyau mobile (17, 28) pendant laquelle ledit noyau mobile (17, 28) pousse ledit 30 poussoir (18, 22), provoquant la manoeuvre dudit clapet (15). 4. Electro-clapet (10, 21) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit noyau mobile (17, 28, 29) est en un matériau magnétique dur, de sorte qu'après suppression de la tension électrique à ladite bobine (13, 26, 27), un champ 35 magnétique rémanent est conservé, permettant l'application d'uneforce de maintien entre ledit noyau mobile (17, 28, 29) et ladite armature fixe (11). 5. Electro-clapet (21) selon l'une des revendications précédentes, comportant deux bobines (26, 27), deux entrefers (14), et deux noyaux mobiles, reliés entre eux par un moyen d'entraînement décalé, de sorte à être apte à exercer un effort magnétique dans deux positions distinctes par mise sous tension de chacune des bobines (26, 27) respectivement. 6. Electro-clapet (21) selon la revendication précédente, dans lequel, lesdits deux noyaux mobiles étant désignés par « bas » et « haut » en référence à une utilisation possible dudit électro-clapet (21) dans une orientation poussoir (22) vers le bas, ledit noyau mobile bas (29) comporte une queue (30) s'étendant vers le noyau mobile haut (28) jusqu'au-delà dudit noyau mobile haut (28), et ledit moyen d'entraînement décalé comporte une face d'appui sur ladite queue (30), une face d'appui sur ledit noyau mobile haut (28), et un jeu (20) disposé entre lesdites faces d'appui, configure pour permettre à l'un quelconque des noyaux mobiles de s'éloigner de l'autre sur une course déterminée, puis, après annulation dudit jeu (20), d'entraîner l'autre dans sa course. 7. Electro-clapet (21) selon la revendication précédente, comportant un ressort (31) configure pour exercer un effort de rappel entre ladite armature fixe (11) et ledit poussoir (22), de sorte à garantir la position ouverte dudit clapet (15) en l'absence de tension aux bornes desdites bobines (26, 27). 8. Electro-clapet (21) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel ledit moyen d'entraînement décalé comporte un ressort de compression (19) disposé entre les deux noyaux mobiles. 30