Brevet FR3042639A1 — publié le 20170421

ACTIONNEUR LINEAIRE A STABILITE MAGNETIQUE ET FORCE D'ARRACHEMENT AMELIOREES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]L'invention se rapporte à un actionneur électromagnétique linéaire présentant une ou deux positions stables sans énergie consommée, ces positions stables étant réalisées à l'aide d'au moins un aimant permanent. Plus particulièrement, l'invention propose un actionneur ayant la capacité de sortir de cette ou ces positions stables à l'aide de courant, on parlera de force d'arrachement, et ce de manière améliorée par rapport à l'état de l'art. L'invention propose aussi un actionneur ayant la capacité de réaliser des courses linéaires plus importantes que celles permises par rapport aux solutions de l'état de l'art ainsi qu'un gain sur la masse d'aimant utilisée à effort de stabilité donné. [0002] De manière non limitative et à titre d'exemples, cet actionneur trouvera application pour tout type de vanne de circulation de fluide automobile, comme par exemple un actionneur pour soupape d'admission ou d'échappement d'air, ou bien encore pour déplacer un élément de transmission. Globalement, toute fonction nécessitant de maintenir une ou plusieurs positions stables sans courant, et de pouvoir sortir de cette position par ordre électrique, pourra trouver solution avec un actionneur comme décrit par l'invention. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] On connait dans l'état de l'art des brevets d'actionneurs dont la ou les stabilités sont assurées par un ou plusieurs aimants. [0004] Par exemple, le brevet US4779582 propose des topologies d'actionneurs pour déplacer des soupapes automobiles et qui utilisent notamment des aimants à la partie fixe (stator) qui participent activement au maintien des deux positions extrêmes de l'actionneur. Ces aimants sont positionnés entre deux bobines électriques disjointes afin de permettre le bouclage du flux magnétique autour de la première ou autour de la deuxième bobine. 3042639 2 [0005] Le même type de topologie d'actionneur peut être trouvé dans le document EP0157632 ou encore, plus récemment dans le document W02014023326. [0006] Ces dispositifs ont pour objet de résoudre le problème général d'assurer une mono ou bi-stabilité sans l'aide d'artifice mécanique, tels des ressorts, et ceci 5 sans consommation d'énergie électrique grâce à l'emploi d'aimants permanents. [0007] Cependant, ces dispositifs ne permettent pas d'assurer une sortie aisée des positions stables. En effet, des ressorts sont utilisés pour permettre la sortie, ou l'arrachement, plus aisée des positions stables. Un courant électrique dans la bobine, selon un sens de circulation privilégié, permet de favoriser l'arrachement 10 mais n'annule pas complétement la force de maintien générée par les aimants ou ne permet pas une force d'arrachement suffisante pour vaincre les frottements éventuels ou une charge s'appliquant sur la partie mobile. [0008] De plus, le fait d'utiliser deux bobines distinctes de part et d'autres de ces aimants en position centrale, rend l'actionneur peu efficace, la moitié du bobinage 15 total n'étant pas magnétiquement active lorsque la partie mobile est à une extrémité ou à une autre de la course de l'actionneur. [0009] On connait, de plus, dans le document W02004066476, un autre type d'actionneur mono ou multi-stable permettant de garder ces positions de stabilité grâce à l'action d'un aimant porté par la partie mobile de l'actionneur. 20 [0010] Cet actionneur améliore en partie les actionneurs cités précédemment dans le sens où toute la bobine électrique participe à générer un effort et ce quelle que soit la position de la partie mobile sur la course. De plus, la topologie développée permet de générer un effort d'arrachement qui peut être maximisé en jouant sur l'encastrement des aimants à la partie mobile, guidé par les relations 25 mathématiques exposées dans le document. [0011] Par contre, cet actionneur présente une topologie originale qui impose un encombrement axial (dans la direction du déplacement) qui peut être important, d'autant plus lorsque la course demandée est grande. En effet, l'encombrement 3042639 3 axial de l'actionneur sera au minimum égal à deux fois la course plus ce qui est nécessaire pour installer la bobine électrique et les pôles ferromagnétiques au stator, comme on peut l'apprécier en figure 6 de ce document. De plus, on peut éventuellement critiquer le fait de déplacer des aimants qui vont subir des 5 accélérations importantes dues aux chocs lors de l'accostage de la partie mobile dans les positions extrêmes, pouvant pénaliser, à terme, la durée de vie du système. [0012] Enfin, on connait par ailleurs une topologie d'actionneur pouvant avoir un caractère bistable où les aimants sont fixes dans la structure magnétique, ne 10 nécessitant qu'une seule bobine électrique pour le fonctionnement dans les deux sens d'actionnement, et où la partie mobile est seulement constituée d'une pièce ferromagnétique, comme décrit dans les demandes W09427303 ou W02015114261. Ces topologies ne bénéficiant pas, de par leur nature, d'une force d'arrachement très importante, des indications sommaires sont données 15 pour permettre une augmentation de cette force grâce à l'utilisation de cornes polaires. [0013] Si ce type de structures permet de régler en partie les problèmes cités ci-dessus (par l'utilisation d'aimant fixe et utilisation de cornes polaires), aucun enseignement précis n'est donné quant à l'utilisation des cornes polaires. De plus, 20 les règles dimensionnelles données dans ces documents et particulièrement le document EP0713604 destinent cet actionneur, comme indiqué dans son préambule, à des courses de faibles amplitudes, de l'ordre de +/- 1 millimètres. [0014] Il existe donc un besoin, non résolu par l'art antérieur, relatif à la réalisation d'un actionneur présentant une course de plusieurs millimètres et pouvant aller 25 jusqu'à, typiquement, 15 à 20 millimètres, en minimisant la masse d'aimant, en favorisant une force d'arrachement purement magnétique suffisante à vaincre la force de maintien stable, les frottements et les charges extérieures éventuelles s'appliquant au mobile de l'actionneur, et en favorisant une force d'actionnement conséquente sur la course de l'actionneur. 3042639 4 EXPOSE DE L'INVENTION [0015] La présente invention vise donc à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un actionneur présentant au moins une position stable sans courant et pouvant être réalisé sur des courses de plusieurs millimètres tout 5 en bénéficiant d'une force d'arrachement améliorée et en conservant un encombrement axial limité. [0016] Un autre objet de l'invention est de permettre de réduire la masse d'aimant par rapport aux réalisations de l'art antérieur pour atteindre un effort de stabilité donné. 10 [0017]Pour ce faire, la présente invention propose en premier lieu, en rupture avec les enseignements de l'art antérieur et du document EP0713604 particulièrement, de donner des dimensions relatives forts différentes entre la hauteur de la masse mobile et la hauteur de l'aimant. De ce fait, l'homme du métier ne serait pas conduit à s'écarter des rapports dimensionnels préconisés par 15 ce document. [0018] En second lieu, l'utilisation de cornes polaires est astucieusement mise en oeuvre en donnant une proximité de ces cornes avec l'aimant de l'actionneur d'une part et la masse mobile en position stable d'autre part. [0019] En troisième lieu, et de manière toute aussi surprenante pour l'homme de 20 métier, l'utilisation d'une cale magnétique fixe à placer entre l'aimant et la bobine de l'actionneur, la cale ayant une hauteur sensiblement égale à celle de la bobine, permet d'améliorer les efforts de stabilité de l'actionneur sans pénaliser la force d'arrachement générée grâce à la bobine électrique. [0020] Plus particulièrement, l'invention propose un actionneur électromagnétique 25 linéaire présentant une course c, au moins une position stable dans une des extrémités de la course et comportant une armature réalisée en un matériau magnétique doux, ladite armature étant mobile selon une direction axiale Y et ayant une longueur Hm selon la direction Y, et une culasse statorique fixe réalisée en un matériau magnétique doux et supportant au moins une bobine électrique, 3042639 5 ledit actionneur comportant en outre au moins un aimant permanent fixe aimanté selon un axe transversal X perpendiculaire à la direction Y, l'aimant étant placé transversalement entre l'armature mobile et la bobine électrique, l'aimant ayant une longueur Ha selon la direction Y, la culasse fixe et l'armature mobile 5 définissant entre elles au moins un entrefer axial caractérisé en ce que Ha+c est de l'ordre de grandeur de Hm, la longueur Hm étant telle que 0.9 x (Ha+c) REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique linéaire présentant une course c, au moins une position stable dans une des extrémités de la course et comportant une armature (6) réalisée en un matériau magnétique doux, ladite armature (6) étant mobile selon une direction axiale Y et ayant une longueur Hm selon la direction Y, et une culasse (1) statorique fixe réalisée en un matériau magnétique doux et supportant au moins une bobine électrique (2), ledit actionneur comportant en outre au moins un aimant (4) permanent fixe aimanté selon un axe transversal X perpendiculaire à la direction Y, l'aimant (4) étant placé transversalement entre l'armature (6) mobile et la bobine électrique (2), l'aimant (4) ayant une longueur Ha selon la direction Y, la culasse (1) fixe et l'armature (6) mobile définissant entre elles au moins un entrefer axial caractérisé en ce que Ha+c est de l'ordre de grandeur de Hm, la longueur Hm étant telle que 0.9 x (Ha+c) 2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente deux cornes polaires (5h, 5b) solidaires de la culasse (1), positionnées de part et d'autre de l'aimant (4) et s'étendant axialement vers l'aimant (4) sur des hauteurs respectives Hph, Hpb. 3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que Hpb est voisin de c et Hpb Hph. 4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une cale (11) en matière ferromagnétique douce intercalée, transversalement entre l'aimant (4) permanent et la bobine électrique (2). 3042639 16 5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cale (11) ferromagnétique présente une longueur selon la direction Y voisine de la longueur Ha de l'aimant permanent (4). 5 6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cale (11) ferromagnétique présente une longueur selon la direction Y voisine de la longueur de la bobine électrique (2) et au voisinage de la culasse (1). 10 7. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'actionneur présente deux positions stables. 8. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes caractérisé en ce que l'actionneur présente une seule position stable.