Brevet FR3059142A1 — publié le 20180525

La présente invention se rapporte de manière générale à un dispositif d'actionnement électromagnétique et concerne plus particulièrement la conception d'un actionneur électromagnétique. L'invention trouve des applications, en particulier, dans l'industrie automobile. 5 Elle peut être mise en oeuvre par exemple dans un système anti-blocage de roues, de l'acronyme anglais « Anti Blocage System » ou freins ABS. Un véhicule automobile embarque de plus en plus de fonctions électroniques pour en améliorer son utilisation mais aussi pour diminuer sa consommation en carburant. Ainsi, de nos jours un véhicule automobile comporte plusieurs calculateurs électroniques 10 pour gérer par exemple, des fonctions de contrôle moteur, des fonctions de climatisation mais aussi des fonctions liées au freinage. Grâce à l'électronique, certaines fonctions auparavant réalisées par des assemblages de pièces mécaniques relativement complexes sont maintenant partiellement ou totalement remplacées par des dispositifs commandés électriquement. 15 Nous pouvons citer par exemple, l'activation des soupapes d'un moteur à combustion interne qui, avant était réalisée par un arbre à cames, lui-même en collaboration dynamique avec un vilebrequin, et qui maintenant est de plus en plus souvent réalisée par des actionneurs électromagnétiques. Généralement, ces actionneurs électromagnétiques sont des électrovannes commandées électriquement par un 20 calculateur électronique. Un actionneur électromagnétique transforme une énergie électrique en énergie mécanique. Ainsi, un courant, qui circule dans des conducteurs électriques localisés généralement sur une partie fixe de l'actionneur électromagnétique forme un champ magnétique qui interagit avec un champ magnétique produit par une seconde 25 source magnétique localisée généralement sur une partie mobile. La seconde source magnétique peut être créée soit par des aimants permanents soit par des bobines. Les bobines sont généralement constituées d'un matériau très bon conducteur électrique comme par exemple du cuivre. La puissance mécanique ou la force de traction développée lors du passage du courant dans la bobine est principalement liée à trois 30 facteurs techniques que sont le nombre de spires de la bobine, le diamètre du fil et le matériau utilisé. Bien entendu, l'homme de l'art comprendra que les hypothèses émises pour réaliser le dimensionnement de la bobine ont été simplifiées pour faciliter la compréhension de l'invention et de son problème technique. Le cuivre est un matériau ductile très bon conducteur électrique avec une 35 conductivité électrique de 59,6x106 S.m-1 (cuivre pur) ce qui en fait le métal le plus utilisé 3059142 2 pour des applications électriques. Cependant, le cuivre présente une masse volumique de l'ordre de 8,96 g.cm-3 (à 20°C) ce qui en fait aussi un matériau lourd. Avec l'augmentation du nombre d'actionneurs électromagnétiques dans un véhicule automobile ces derniers commencent à participer de façon non négligeable à 5 l'augmentation de la masse totale du véhicule automobile. L'invention propose un actionneur électromagnétique permettant de remédier partiellement ou totalement au manque technique de l'art antérieur cité. A cet effet, un premier aspect de l'invention propose un dispositif d'actionnement électromagnétique comportant une partie fixe et une partie mobile, la 10 partie fixe présentant entre autre un bobinage constitué d'un fil en matériau conducteur électrique, le bobinage présentant un nombre de tours déterminé, caractérisé en ce que le fil est composé d'au moins un premier matériau conducteur électrique présentant une section circulaire et est recouvert d'un second matériau conducteur électrique avec une section annulaire, tout deux étant concentriques. 15 Ainsi, grâce à l'invention il est possible de diminuer la masse de l'actionneur électromagnétique. Par exemple, il est proposé que le premier matériau conducteur électrique présente une première conductivité électrique inférieure à une seconde conductivité électrique du second matériau conducteur électrique. 20 Pour diminuer la masse du dispositif d'actionnement électromagnétique, il est par exemple proposé que le premier matériau conducteur électrique présente une première densité volumique de masse inférieure à une seconde densité volumique de masse du second matériau conducteur électrique. Pour obtenir une diminution significative de la masse totale de la bobine, il est 25 par exemple proposé dans une variante de réalisation de l'invention que le premier matériau conducteur électrique représente au moins 50% d'une section totale du fil du bobinage. Pour pouvoir obtenir une compatibilité avec les autres composants électroniques embarqués dans le véhicule automobile le premier matériau conducteur 30 électrique est par exemple de l'aluminium. Pour assurer des performances semblables aux bobines de l'art antérieur, il est avantageusement proposé, par exemple que le second matériau conducteur électrique est du cuivre. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux dans la 35 description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'un actionneur électromagnétique, 3059142 3 la figure 2 représente un comparatif des performances d'une bobine de l'art antérieur par rapport à une bobine selon la présente invention, et la figure 3 est une vue en coupe d'un fil de la bobine selon la présente invention. Sur la figure 1 est représenté un actionneur électromagnétique 2 comprenant un corps 4 qui définit un axe central A-A'. Dans la suite de la description l'axe central A-A' est fixe et constitue un axe central pour tous les éléments de l'actionneur électromagnétique 2. Dans un exemple de réalisation, le corps 4 présente une forme tubulaire et dispose de deux bases 4A et 4B axialement opposées. Dans chacune de ces bases 4A et 4B est aménagé un alésage. Sur la figure 1 (vue en coupe) l'alésage est scindé en deux parties avec une première partie d'alésage 6A et une seconde partie d'alésage 6B. La première partie d'alésage 6A et la seconde partie d'alésage 6B permettent de créer un volume interne 8. Une bobine 10 est agencée dans le volume interne 8. Par exemple, la bobine 10 est solidaire du corps 4. La bobine 10 est composée d'un fil 12 présentant un diamètre déterminé et une longueur déterminée. La bobine 10 est adaptée pour être couplée, de façon connue à un circuit électrique qui n'est pas représenté sur la figure 1. L'actionneur électromagnétique 2 comprend également un fourreau 14 20 présentant une forme cylindrique creuse avec par exemple une paroi pleine. Le fourreau 14 est disposé contre la bobine 10 selon l'axe central A-A'. Par exemple, le fourreau 14 est en métal. L'actionneur électromagnétique 2 comprend en outre un noyau magnétique 16 de forme cylindrique agencé dans le fourreau 14. Le noyau magnétique 16 est mobile en 25 translation selon l'axe central A-A' en fonction d'un courant circulant dans la bobine 10. Afin de ne pas alourdir la description, la structure interne de l'actionneur électromagnétique 2 de la figure 1 a été volontairement simplifiée. L'actionneur électromagnétique 2 peut être, par exemple un actionneur électromagnétique dédié à l'assistance au freinage d'un véhicule automobile. Cet exemple est purement illustratif et 30 n'est en aucun cas restrictif. En effet, l'actionneur électromagnétique 2 peut aussi être un actionneur électromagnétique pour la commande des soupapes d'un système d'injection à soupapes variables. Comme il a été mentionné plus haut dans la description, l'actionneur électromagnétique 2 est dimensionné pour pouvoir en fonction d'un courant déterminé 35 déplacer un objet comme par exemple le noyau magnétique 16 sur une distance déterminée. Il peut aussi être dimensionné pour contrarier une force, par exemple celle d'un ressort fixé au noyau magnétique 16. Ainsi, comme le sait l'homme de l'art, la 3059142 4 puissance mécanique ou la force de traction développée par l'actionneur électromagnétique 2 dépend principalement du dimensionnement de la bobine 10. En effet, cette puissance mécanique dépend du champ magnétique créé lors du passage du courant dans la bobine 10 ; par conséquent, cela dépend principalement du nombre de 5 spires du fil 12 de la bobine 10, du diamètre du fil 12 et aussi du matériau du fil 12. Dans le cas par exemple d'un actionneur électromagnétique 2 dédié à l'assistance au freinage de type ABS, des spécifications suivantes peuvent être demandées : - gamme de force d'attraction : 2 N - 9 N ; 10 - gamme de courant de fonctionnement : 0.25 A - 1,75 A ; encombrement : 1,5 cm3. Afin de répondre à ce cahier des charges, des actionneurs électromagnétiques 2 de l'art antérieur présentent des bobines 10 avec des caractéristiques suivantes: 15 - matériau du fil 12 : cuivre pur à 99,9 % ; - diamètre du fil 12 : 0.230 mm ; - nombre de spires : 365. Ces caractéristiques techniques sont données à titre purement illustratif. Le graphe 1 sur la figure 2 illustre la capacité d'attraction d'un actionneur 20 électromagnétique 2 de l'art antérieur avec les caractéristiques de la bobine 10 présentées ci-dessus. Ainsi, il est possible avec un courant appliqué compris entre 0.25 A et 1,75 A de dégager une force d'attraction comprise entre 2 N et 9 N. Un tel actionneur électromagnétique de l'art antérieur présente en outre une masse de l'ordre de 50 g dont 30% à 60% de celle-ci provient de la bobine 10 et par 25 conséquent de son fil 12. Sachant qu'il y a de plus en plus d'actionneurs électromagnétiques 2 dans un véhicule automobile, l'impact de ces derniers sur la masse totale du véhicule automobile est maintenant non négligeable. En effet, il n'est pas rare qu'un véhicule automobile embarque aujourd'hui une centaine d'actionneurs électromagnétiques 2. 30 Outre la problématique de masse de l'actionneur électromagnétique 2, il y a aussi une notion de coût. En effet, l'utilisation de cuivre pour réaliser la bobine 10 de l'actionneur électromagnétique 2 engendre un surcoût qui, lui aussi, est non négligeable. Pour diminuer la masse de l'actionneur électromagnétique 2, la présente invention propose d'utiliser une nouvelle technologie de fil 12 pour réaliser la bobine 10. 35 Pour ce faire et comme illustré à la figure 3, il est proposé d'utiliser un fil 12 composé d'au moins deux matériaux conducteurs électriques différents. Par exemple, le fil 12 peut être composé d'un premier matériau conducteur électrique M1 présentant une section 3059142 5 circulaire S1 et un second matériau conducteur électrique M2 recouvrant le premier matériau conducteur électrique M1. Ainsi, le second matériau conducteur électrique M2 présente une section annulaire S2. Avantageusement, la section circulaire S1 et la section annulaire S2 sont concentriques. 5 Afin de diminuer la masse de la bobine 10 et donc diminuer la masse de l'actionneur électromagnétique 2, le premier matériau conducteur électrique M1 présente une première densité volumique de masse p1 inférieure à celle du cuivre. Ainsi, par exemple le premier matériau conducteur électrique M1 est composé d'aluminium présentant une première densité volumique de masse p1 de l'ordre de 2,7 g.cm' (20 C). 10 Avantageusement, afin de conserver les performances d'une bobine 10 de l'art antérieur avec un fil 12 de cuivre (massif), il est proposé dans un exemple de réalisation préféré que le second matériau conducteur électrique M2 est du cuivre. Ainsi, les performances de la bobine 10 avec un fil 12 en bi-matériaux sont sensiblement identiques à celles d'une bobine 10 de l'art antérieur. 15 Afin de réduire de façon conséquente la masse de l'actionneur électromagnétique 2, mais avec des performances sensiblement identiques à celles d'un actionneur électromagnétique 2 de l'art antérieur, il est dans un exemple de réalisation proposé que le premier matériau conducteur électrique M1 représente au moins 50% de la surface de la section totale du fil 12. Sur la figure 3, le premier matériau conducteur électrique M1 présente environ 75% de la surface de la section totale du fil 12 ce qui permet avantageusement de diminuer la masse totale de la bobine 10 de façon conséquente par rapport à une bobine 10 d'un actionneur électromagnétique 2 de l'art antérieur. Dans l'exemple illustré à la figure 3, la masse du cuivre ne représente que 25 15% de la masse totale du fil 12. Ainsi, la bobine 10 présente une masse moindre par rapport à la masse d'une bobine 10 de l'art antérieur. Sur le graphe 2 de la figure 2, il est présenté les performances électriques du fil 12 illustré à la figure 3, c'est-à-dire un fil 12 constitué d'un premier matériau conducteur électrique M1 présentant environ 75% de la surface de coupe du fil 12 et d'un second 30 matériau conducteur électrique M2 ; le premier matériau conducteur électrique M1 est de l'aluminium et le second matériau conducteur électrique M2 est du cuivre. Comme représenté sur la figure 2, à performances équivalentes, le diamètre du fil 12 en bi-matériaux selon la présente invention est sensible plus faible que celui d'une bobine 10 de l'art antérieur et présente une valeur par exemple de 0.200 mm. 35 Ainsi, pour répondre au cahier des charges présenté plus haut, la bobine 10 avec un fil 12 utilisant une technologie bi-matériaux présente les caractéristiques suivantes : 3059142 6 matériau du fil 12 : aluminium / cuivre avec un ratio 15% / 85% ; diamètre du fil 12 : 0,200mm ; nombre de spires : 400. Avantageusement, il est ainsi possible de réaliser un actionneur 5 électromagnétique 2 avec, par exemple, une force de traction de 2N pour un courant appliqué à la bobine 10 de 0.25A et une force de traction de 9N pour un courant appliqué de 1,75A, avec une masse totale diminuée d'au moins 30% par rapport à un actionneur électromagnétique 2 de l'art antérieur. En outre, un tel actionneur électromagnétique 2 selon la présente invention aura un coût de fabrication 10 sensiblement plus faible que le coût de fabrication d'un actionneur électromagnétique de l'art antérieur. Bien entendu, les exemples numériques cités ci-dessus sont donnés à titre purement illustratif et ne limitent pas la portée de l'invention. En variante, il est aussi possible d'utiliser une bobine composée d'au moins 15 trois fils de matériaux conducteurs électriques, avec un séquence de couche pouvant être aluminium, or, cuivre améliorant la conductivité et donc la force d'attraction avec une masse totale encore plus faible. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus et illustré sur le dessin et aux variantes de réalisation évoquées 20 mais s'étend à toutes les variantes à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Dispositif d'actionnement électromagnétique (2) comportant une partie fixe et une partie mobile, la partie fixe présentant entre autre une bobine (10) constituée d'un fil (12) en matériau conducteur électrique, la bobine (10) présentant un nombre de tours de fil (12) déterminé caractérisé en ce que le fil (12) est composé d'au moins un premier matériau conducteur électrique (M1) présentant une section circulaire et est recouvert d'un second matériau conducteur électrique (M2) avec une section annulaire, tout deux étant concentriques. 2. Dispositif d'actionnement électromagnétique (2), selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier matériau conducteur électrique (M1) présente une 10 première conductivité électrique (y1) inférieure à une seconde conductivité électrique (y2) du second matériau conducteur électrique (M2). 3. Dispositif d'actionnement électromagnétique (2), selon l'un quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le premier matériau conducteur électrique (M1) présente une première densité volumique de masse (p1) inférieure à une seconde 15 densité volumique de masse (p2) du second matériau conducteur électrique (M2). 4. Dispositif d'actionnement électromagnétique (2), selon l'un quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le premier matériau conducteur électrique (M1) représente au moins 50% d'une section totale du fil (12) de la bobine (10). 5. Dispositif d'actionnement électromagnétique (12), selon l'un quelconque des 20 revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le premier matériau conducteur électrique (M1) est de l'aluminium. 6. Dispositif d'actionnement électromagnétique (2), selon l'un quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le second matériau conducteur électrique (M2) est du cuivre.