Brevet FR3016093A1 — publié le 20150703

[1] La présente invention concerne le domaine technique de la manoeuvre d'organes mécaniques immergés au moyen, notamment, d'un actionneur électrique. [2] Dans le domaine ci-dessus, il est connu de mettre en oeuvre pour la manoeuvre d'un organe mécanique immergé tel qu'un aileron hydrodynamique d'un engin aquatique comprenant une coque délimitant un compartiment fonctionnel sec, un servomoteur qui entraîne un arbre de manoeuvre traversant la coque et portant l'aileron hydrodynamique en partie au moins immergé. Afin d'assurer le passage de l'arbre de manoeuvre tout en préservant l'étanchéité de la coque et notamment du compartiment fonctionnel sec, il est mis en oeuvre un presse-étoupe qui autorise la rotation de l'arbre de manoeuvre tout en empêchant les infiltrations d'eau. Un tel presse-étoupe est généralement une pièce relativement complexe susceptible de connaître des dysfonctionnements entraînant des infiltrations d'eau dans le compartiment sec. Ainsi, le presse étoupe est souvent un point faible dans la chaîne de manoeuvre d'un organe mécanique immergé d'un engin aquatique. [03] Il est donc apparu le besoin d'un nouveau type de servomoteur pour un organe mécanique immergé qui ne présente pas les risques de fuite ou de dysfonctionnement engendré par la mise en oeuvre d'un presse étoupe ou d'un système d'étanchéité tournant au passage de l'arbre de manoeuvre au travers de la coque. [04] Afin d'atteindre cet objectif l'invention concerne un servomoteur d'un organe mécanique immergé dans un milieu aquatique autre qu'un organe de propulsion, servomoteur comprenant : au moins un bobinage formant un stator, au moins un axe de manoeuvre immergé qui est maintenu et guidé dans une chambre de manoeuvre par des moyens de guidage, qui comprend des moyens de couplage magnétique avec le stator et qui est lié à l'organe immergé ou à des moyens de manoeuvre immergé de l'organe immergé, un capteur de position de l'axe de manoeuvre immergé et/ou des moyens de manoeuvre et/ou de l'organe immergé. Un tel capteur de position permet de connaître directement ou indirectement la position de l'organe mécanique manoeuvré. la chambre de manoeuvre étant en partie au moins située entre l'axe de manoeuvre et le stator, et ouverte de manière à être baignée par l'eau du milieu aquatique lorsque le servomoteur est immergé. L'invention permet donc de réaliser un servomoteur sans balai immergé qui comprend : la chambre de manoeuvre ouverte destinée à être remplie en permanence par l'eau du milieu aquatique, au moins un bobinage formant un stator du servomoteur, l'axe immergé qui est maintenu et guidé dans la chambre de manoeuvre par des moyens de guidage, qui comprend des moyens de couplage magnétique avec le stator et qui est lié un arbre de manoeuvre s'étendant à l'extérieur de la chambre de manoeuvre et étant destiné à être raccordé à l'organe immergé ou à des moyens de manoeuvre immergé de l'organe immergé et le capteur de position de l'axe de manoeuvre immergé et/ou des moyens de manoeuvre et/ou de l'organe immergé. [5] La mise en oeuvre d'une chambre de manoeuvre immergée dans laquelle l'axe de manoeuvre se trouve également immergé évite la mise en oeuvre d'un presse-étoupe ou d'un joint dynamique dans la mesure où le servomoteur se trouve en partie immergé. Ainsi, un tel servomoteur ne met en oeuvre que des systèmes d'étanchéité statique et ne nécessitent pas de systèmes d'étanchéité dynamique. Il doit être souligné que selon l'invention, la région située entre les moyens de couplage magnétique porté par l'axe de manoeuvre et le stator, également appelée entrefer, forme une partie au moins de la chambre de manoeuvre et se trouve destinée à être remplie de l'eau formant le milieu aquatique dans lequel le servomoteur selon l'invention est immergé. Selon l'invention l'entrefer constitue l'intégralité ou une partie seulement de la chambre de manoeuvre qui n'entoure pas nécessairement l'axe de manoeuvre. [6] Il est noter que le servomoteur selon l'invention est destiné à actionner des organes mécaniques autres que des organes de propulsion c'est-à-dire tout type d'organe qui n'est pas destiné à transmettre de manière active un mouvement à un engin aquatique. Ainsi, le servomoteur selon l'invention n'est pas destiné à entrainer une hélice. [7] Selon une forme de réalisation de l'invention, le capteur de position comprend au moins un aimant permanent lié l'arbre de d'entrainement et/ou aux moyens de manoeuvres et/ou à l'axe immergé et au moins capteur magnétique adapté pour détecter la position de l'aimant en présence d'eau entre l'aimant et le capteur magnétique. [8] Selon une variante de cette forme de réalisation, le servomoteur comprend une unité de commande adaptée pour piloter le servomoteur immergé en fonction notamment des informations fournies par le capteur de position. [9] Selon l'invention, l'axe de manoeuvre peut être mobile en translation et/ou en rotation dans la chambre de manoeuvre. Ainsi, selon une caractéristique de l'invention l'axe de manoeuvre immergé est mobile en rotation dans la chambre de manoeuvre et il forme alors un rotor. [10] Selon une variante de réalisation de cette caractéristique, le servomoteur comprend des moyens de manoeuvre qui comprennent une vis sans fin liée en rotation au rotor et un écrou immergé coopérant avec la vis sans fin et destiné à être lié à l'organe immergé. Cette variante permet d'assurer un déplacement en translation de l'écrou immergé de manière à agir sur l'organe immergé avec une force supérieure à celle qu'il aurait été possible d'appliquer, à puissance électrique équivalente, avec un axe de manoeuvre se déplaçant en translation. [11] Il est à noter que, dans le servomoteur selon l'invention, les moyens de couplage magnétique de l'axe de manoeuvre avec le stator sont d'un type ne nécessitant pas d'alimentation électrique directe de sorte que le servomoteur est dépourvu de système de balai, caractéristique également désignée en anglais sous la terminologie « brushless ». [12] Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, les moyens de couplage de l'axe de manoeuvre comprennent au moins un aimant permanent. Une telle caractéristique permet notamment de réaliser un servomoteur synchrone sans balais (brushless). [13] Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de couplage de l'axe de manoeuvre comprennent au moins une bobine. Cette caractéristique permet notamment de réaliser un servomoteur asynchrone. [14] Par ailleurs, selon l'invention, il est possible d'envisager différents types de configuration ou de position relative de l'axe de manoeuvre par rapport au stator. [15] Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, l'axe de manoeuvre est disposé en partie au moins autour du stator. [16] De la même manière, selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe de manoeuvre est disposé à l'intérieur du stator. [17] Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le servomoteur aquatique comprend au moins une voie de circulation d'eau entre l'intérieur de la chambre de manoeuvre et l'extérieur de la chambre de manoeuvre. Selon l'invention, la voie de circulation d'eau peut être simplement formée par les passages d'eau aménagés par des moyens de guidage de l'axe de manoeuvre qui ne sont pas étanches. La voie de circulation d'eau peut également être un passage spécifique aménagé au seul effet du passage de l'eau. [18] Selon une variante de cette caractéristique, le servomoteur immergé comprend des moyens de circulation forcée de l'eau dans la chambre de manoeuvre. De tels moyens de circulation forcée permettent d'obtenir un refroidissement efficace du servomoteur. [19] Selon une variante de l'invention, le servomoteur immergé est disposé dans une chambre d'isolement remplie d'eau et communiquant avec le milieu extérieur de préférence par des ouvertures limitant la propagation du bruit. La mise en oeuvre d'une telle chambre d'isolement permet notamment de confiner les bruits de fonctionnement du servomoteur correspondant. La chambre d'isolement permet également de confiner le rayonnement infrarouge émis par le servomoteur en fonctionnement. [20] Dans le cadre de cette variante et selon une forme possible de réalisation, l'arbre de manoeuvre s'étend à l'extérieur de la chambre d'isolement. [21] Selon encore une autre forme de réalisation de l'invention, le servomoteur comprend un carénage hydrodynamique entourant le servomoteur immergé. Ainsi, le carénage hydrodynamique délimite la chambre de manoeuvre du servomoteur et/ou la chambre d'isolement. Un tel carénage hydrodynamique permet d'isoler acoustiquement et thermiquement le servomoteur du milieu extérieur et/ou d'un compartiment fonctionnel sec de l'engin mettant en oeuvre le dispositif selon l'invention. [22] Selon l'invention l'organe mécanique manoeuvré par le servomoteur immergé selon l'invention peut être de différente nature et, par exemple, l'un ou l'autre des organes mécaniques suivant : - un touret d'enroulement d'au moins un câble, - un support d'un équipement optique et/ou vidéo, - une porte ou une trappe, - un organe de bras manipulateur, - une masse mobile, - une orientable d'une hélice de propulsion ou d'une hydrolienne, - une vanne, sans que cette liste ne soit ni limitative, ni exhaustive. [23] L'invention concerne aussi un engin aquatique comprenant au moins un servomoteur selon l'invention qui manoeuvre un organe mécanique immergé de l'engin aquatique. [24] Selon une caractéristique de l'invention, l'engin aquatique comprend une coque délimitant au moins un compartiment fonctionnel sec et la chambre de manoeuvre de chaque servomoteur immergé est séparée de manière étanche du compartiment sec. [25] Selon une caractéristique de l'invention, un organe mécanique immergé est une surface hydrodynamique de l'engin aquatique tel que par exemple, un aileron, une gouverne ou une tuyère. [26] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. [27] Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent une forme non limitative de réalisation d'un engin aquatique selon l'invention ainsi que des formes non limitatives de réalisation de dispositifs de manoeuvre ou servomoteurs immergés conformes à l'invention. La figure 1 est une vue schématique partiellement arrachée d'un engin aquatique selon l'invention. La figure 2 est un détail de la figure 1 montrant le servomoteur immergé selon l'invention équipant l'engin aquatique représenté à la figure 1. La figure 3 est une vue schématique d'une variante de réalisation d'un servomoteur immergé selon l'invention qui comprend un rotor tournant autour du stator. La figure 4 est une vue schématique d'une autre variante de réalisation d'un servomoteur immergé selon l'invention à déplacement linéaire. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. [28] La figure 1 illustre une forme possible de réalisation d'un engin aquatique E selon l'invention formant un sous-marin autonome ou habité qui comprend une coque 1 délimitant un compartiment fonctionnel sec 2. Dans le cas présent et comme l'engin est destiné à être complètement immergé, le compartiment fonctionnel 2 est étanche. Toutefois, dans le cas où l'engin aquatique serait destiné à naviguer en surface le compartiment fonctionnel 2 ne serait pas nécessairement étanche. [29] L'engin aquatique E comprend également un aileron hydrodynamique 3 permettant de gérer la trajectoire de l'engin E. La commande de l'aileron hydrodynamique 3 est assurée au moyen d'un servomoteur 10 selon l'invention. [30] Selon l'exemple illustré et comme le montre plus particulièrement la figure 2, le servomoteur 10 comprend un servomoteur immergé 11 formé d'un corps de manoeuvre 12 creux qui délimite, d'une part, une chambre de manoeuvre 13 ouverte et destinée à être remplie d'eau lorsque que l'engin aquatique E est immergé. Le corps de manoeuvre 12 délimite, d'autre part, autour de la chambre de manoeuvre 13, une chambre étanche 14 à l'intérieur de laquelle est disposé au moins un bobinage 15 formant un stator du servomoteur 11. Le bobinage comprend alors au moins deux bobines indépendantes 15'. II est à noter que liquide remplissant la chambre de manoeuvre 13 est constitué par de l'eau du milieu aquatique qui baigne l'engin E. [31] Le servomoteur immergé 11 comprend également un axe de manoeuvre 16 qui renferme de manière étanche des moyens de couplage magnétique 17 avec le stator 15. Dans le cas présent, les moyens de couplage magnétique 17 sont formés par au moins un et, de préférences, plusieurs aimants permanents. Selon l'exemple illustré, l'axe de manoeuvre 16 est maintenu dans la chambre de manoeuvre par des moyens 19 de guidage en rotation qui comprennent ici des roulements à billes résistant à la corrosion. Bien entendu, tout autre type de moyens de guidage en rotation pourrait être mis en oeuvre comme par exemple mais non limitativement un ou plusieurs paliers lisses ou encore des roulements à rouleaux ou à aiguilles. Il est à noter que dans la mesure où la chambre de manoeuvre 13 est immergée lors du fonctionnement du servomoteur 11, l'eau peut être utilisée en tant que lubrifiant des moyens de guidage 19 et il n'est pas nécessaire de prévoir des solutions d'étanchéité au niveau du guidage en rotation. [32] Selon l'exemple illustré l'axe de manoeuvre 16 est lié en rotation à une vis sans fin 20 qui s'étend à l'extérieur de la chambre de manoeuvre 13. La vis sans fin 20 porte alors un écrou 21 qui est lié à par une biellette 22 à un bras lié en rotation à l'aileron 3. Ainsi, la vis sans fin 20, l'écrou 21 et la biellette 22 forment des moyens de manoeuvre de l'aileron 3. En effet, la rotation de la vis 20 entrainée par l'axe 21 assure une translation de l'écrou 21 dans un sens ou un autre selon le sens de rotation de la de vis. [33] Le fonctionnement du servomoteur 11 est piloté par une unité de commande 25 raccordée au stator 15 par une ligne 26 et alimentée par une source d'électricité 27 formée selon l'exemple illustré par un ensemble d'accumulateurs électriques ou batteries électriques. La source d'électricité pourrait également être formée par une pile à combustible ou encore par un générateur tournant entraîné par un moteur à combustion interne. L'énergie électrique alimentant le servomoteur immergé peut également être acheminée par câble depuis la surface notamment dans le cas d'un engin aquatique tracté. [34] Selon l'exemple illustré, le servomoteur comprend également un capteur de position 30 de l'axe de manoeuvre immergé 16 raccordé ou communiquant avec l'unité de commande 25. Dans le cas présent, le capteur de position 30 comprend au moins un aimant permanent 31 lié l'arbre de d'entrainement 16 et au moins capteur magnétique 32 adapté pour détecter la position de l'aimant en présence d'eau entre l'aimant 31 et le capteur 32. L'une unité de commande 25 est alors adaptée pour piloter le servomoteur immergé 11 en fonction notamment des informations fournies par le capteur de position 30. En effet, ces informations permettent de déduire la position de l'aileron du déplacement de l'axe de manoeuvre 16. [35] La présence d'eau dans la chambre de manoeuvre 13 ainsi que baignant les moyen de manoeuvre M contribue alors à assurer une lubrification des moyens de guidage en rotation 19 ainsi qu'un refroidissement du servomoteur 11. Selon l'exemple illustré, afin d'augmenter l'efficacité de ce refroidissement, le servomoteur comprend des moyens 35 de circulation forcée de l'eau dans la chambre d'entraînement 13. Dans le cas présent les moyens de circulation forcée 35 comprennent une série de pales 36 solidaires de l'axe de manoeuvre 16. L'eau située dans la chambre d'entraînement 13 se trouve alors expulsée sous l'effet de la force centrifuge au travers d'une voie de circulation d'eau 37 aménagée dans le stator de manière à permettre le passage de l'eau entre l'intérieur de la chambre de manoeuvre 13 et l'extérieur de la chambre de manoeuvre. [36] Il doit être noté que le fait que le servomoteur 11 ne soit pas en relation avec l'intérieur du compartiment sec 2 évite un transfert de la chaleur produite par le servomoteur 11 à l'intérieur du compartiment sec de sorte que les risques de surchauffe, induits par le fonctionnement du servomoteur, des composants contenus dans le compartiment sec sont réduits. [37] Selon l'exemple de réalisation du servomoteur 10 décrit précédemment, l'axe de manoeuvre 16 est disposé à l'intérieur du stator 15 qui est par ailleurs situé autour de la chambre de manoeuvre 13. Cependant, une telle configuration n'est pas nécessaire à la réalisation d'un servomoteur immergé selon l'invention. [38] Ainsi, la figure 3 illustre une variante de réalisation d'un servomoteur aquatique 10, conforme à l'invention, selon laquelle l'axe de manoeuvre 16 est disposé autour du stator 15. À cet effet, le corps d'entraînement 12 est réalisé sous la forme d'un noyau cylindrique à l'intérieur duquel sont placés les bobinages du stator 15. L'axe de manoeuvre 16 formant le rotor présente, quant à lui, la forme d'une cloche disposée autour du corps d'entraînement 12 et donc du stator 15. L'axe de manoeuvre 16 est maintenu par les moyens de guidage rotation 19 ici formés par des paliers hydrauliques adaptés pour assurer une immobilisation axiale de l'axe de manoeuvre 16. La chambre de manoeuvre 13 s'étend alors autour du stator 15 au lieu d'être seulement située à l'intérieur de ce dernier comme cela était le cas dans l'exemple de réalisation décrit en relation avec les figures 1 et 2. Selon l'exemple de la figure 3, l'entrefer situé entre le rotor et le stator forme une partie seulement de la chambre de manoeuvre 13 et se trouve donc rempli d'eau. Selon l'invention, quelle que soit la configuration du dispositif de manoeuvre, l'entrefer est toujours rempli d'eau et les moyens de guidage de l'axe de manoeuvre sont au contact de l'eau lorsque le dispositif est immergé. [39] Selon la figure 3, les moyens de couplage magnétique 17 de l'axe de manoeuvre 16 sont formés par au moins une et de préférences plusieurs bobines 17' en court-circuit de sorte que le servomoteur immergé selon cette variante de réalisation est un servomoteur asynchrone. Bien entendu, dans le cadre de la configuration illustrée à la figure 3, les moyens de couplage magnétique 17 pourraient également être constitués par des aimants permanents. [40] L'axe de manoeuvre 16 est en outre lié en rotation à un touret 40 d'enroulement d'un câble 41. [41] La figure 4 illustre une autre variante d'un servomoteur 10 selon l'invention. Selon cette variante, l'arbre de manoeuvre 16 est mobile en translation dans la chambre de manoeuvre 13. L'arbre de manoeuvre 16 renferme alors une série aimants permanents 42 juxtaposés de manière à définir une alternance de pôles Nord et de pôles Sud dans le sens d'extension de l'arbre de manoeuvre 16. Le stator 15 comprend alors une série de bobines annulaire 15" au centre desquels passe l'arbre de manoeuvre 16. Les bobines 15 sont pilotées par l'unité de commande 25 en fonction des informations délivrées par le capteur de position 31 qui détecte le passage successif des pôles de l'arbre de manoeuvre 16. [42] Il apparaît donc que le servomoteur aquatique 11 selon l'invention peut être soit un servomoteur rotatif, soit un servomoteur linéaire. [43] Selon les exemples illustrés et décrits précédemment, l'isolation électrique des bobines du stator par rapport à la chambre de manoeuvre 13 immergée est réalisée en enfermant lesdites bobines dans le corps d'entraînement dont les parois métalliques assurent l'étanchéité. Toutefois, cette isolation pourrait être réalisée de toute autre manière appropriée comme par exemple en plaçant les bobines dans des compartiments ouverts vers la chambre de manoeuvre 13 et en les noyant dans une résine étanche susceptible de résister à la corrosion de l'eau de mer. De la même manière, les moyens de couplage magnétique 17 de l'arbre de manoeuvre 16 16 pourraient être isolés de l'eau baignant la chambre de manoeuvre 13 par de la résine. [44] Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées au servomoteur aquatique selon l'invention ainsi qu'a l'engin aquatique conforme à l'invention dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Servomoteur immergé de manoeuvre d'un organe mécanique immergé dans un milieu aquatique, servomoteur comprenant : au moins un bobinage formant un stator (15), au moins un axe de manoeuvre immergé (16) qui est maintenu et guidé dans une chambre de manoeuvre (13) par des moyens de guidage, qui comprend des moyens de couplage magnétique (17,17') avec le stator (15) et qui est lié à l'organe immergé ou à des moyens de manoeuvre immergé de l'organe immergé, un capteur (30) de position de l'axe de manoeuvre immergé et/ou des moyens de manoeuvre et/ou de l'organe immergé, la chambre de manoeuvre (13) étant en partie au moins située entre l'axe de manoeuvre (16) et le stator (15), formant ainsi l'entrefer, et ouverte de manière à être baignée par l'eau du milieu aquatique lorsque le servomoteur est immergé. 2. Servomoteur selon la revendication précédente caractérisé en que le capteur de position (30) comprend au moins un aimant permanent (32, 42) lié à l'axe de manoeuvre immergé (16) et/ou aux moyens de manoeuvres et au moins capteur magnétique (31) adapté pour détecter la position de l'aimant en présence d'eau entre l'aimant et le capteur. 3. Servomoteur selon la revendication précédente, caractérisé en qu'il comprend une unité de commande (25) adaptée pour piloter le servomoteur immergé en fonction notamment des informations fournies par le capteur de position. 4. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en que l'axe de manoeuvre immergé (16) est mobile en rotation et forme un rotor. 5. Servomoteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de manoeuvre (M) qui comprennent une vis sans fin (20) liée en rotation au l'axe de manoeuvre (16) et un écrou immergé (21) coopérant avec la vis sans fin (20) et destiné à être lié à l'organe immergé (3). 6. Servomoteur selon l'une de revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe de manoeuvre immergé (16) est mobile en translation. 7. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de couplage magnétique (17,17') de l'axe de manoeuvre immergé (16) comprennent au moins un aimant permanent (19,42). 8. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de couplage magnétique (17,17') de l'axe de manoeuvre immergé (16) comprennent au moins une bobine. 9. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe manoeuvre immergé (16) est disposé en partie au moins autour du stator (15) correspondant. 10. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de manoeuvre immergé (16) est disposé en partie au moins à l'intérieur du stator (15). 11. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une voie (29) de circulation d'eau entre l'intérieur de la chambre de manoeuvre (13) et l'extérieur de la chambre de manoeuvre. 12. Servomoteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (28) de circulation forcée de l'eau dans la chambre de manoeuvre (13). 13. Engin aquatique comprenant au moins un servomoteur (10) selon l'une des revendications 1 à 12 qui manoeuvre un organe mécanique immergé (3) de l'engin aquatique.