Brevet FR3076119A1 — publié le 20190628

ACTIONNEUR A ENTRAINEMENT DIRECT COMMANDE EN BOUCLE OUVERTE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des actionneurs électriques à entraînement direct déplaçant un organe de commande sur une course angulaire limitée. De tels actionneurs peuvent, par exemple, servir à entraîner une commande du déplacement d'un arbre à came d'un moteur à explosion. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique le brevet EP1897211 concernant un servo-actionneur électromagnétique monophasé composé d'un actionneur rotatif destiné à déplacer un organe mobile sur une course limitée, comportant une structure statorique à 2N pôles, N étant égal à 1 ou 2, et au moins une bobine d'excitation, ladite structure statorique étant réalisée en un matériau de haute perméabilité magnétique, et un rotor présentant une culasse ferromagnétique et une partie mince aimantée constituée de 2N paires de pôles aimantés axialement, en sens alterné et d'un capteur de position angulaire du rotor. Ces servo-actionneurs sont généralement utilisés en boucle fermée, c'est-à-dire avec un contrôle continu du mouvement grâce au retour d'information donné par le capteur de position, afin de garantir un positionnement précis. Inconvénients de l'art antérieur Cette solution de l'art antérieur présente l'inconvénient de produire des chocs violents lorsque le déplacement du rotor est arrêté par des butées solides. Des chocs peuvent créer des rebonds et donc des positionnements erratiques, au moins transitoirement, lorsque les butées sont trop raides, et peuvent aussi créer une casse de ces butées 2 due aux chocs répétés. Pour cette raison, les solutions de l'art antérieur utilisent souvent des capteurs de position et un pilotage en boucle fermée (avec capteur de position pour un retour continu d'information et une correction en continue du 5 mouvement) pour ralentir le mouvement en fin de mouvement afin de protéger les butées. Cette solution complexifie néanmoins le produit et représente un cout non négligeable. Solution apportée par l'invention Le but de la présente invention est de remédier à 10 cet inconvénient cité en proposant un actionneur, commandé en boucle ouverte (c'est-à-dire une commande sans retour d'information continu d'un capteur de position), limitant les chocs en fin de course tout en assurant une grande fiabilité, robustesse de fonctionnement ainsi qu'une durée de vie accrue. 15 A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un actionneur rotatif sans balais à course limitée par deux butées comprenant un stator bobiné et un rotor cylindrique aimanté solidaire d'un axe présentant une première extrémité solidaire d'un organe de commande caractérisé en ce 20 que la deuxième extrémité dudit axe est solidaire d'une pièce de limitation de course servant de butées, en ce que ladite pièce de limitation de course présente des formes de poutres élastiques fléchissantes, et en ce que l'actionneur est commandé électriquement en boucle ouverte. 25 Préférentiellement, ledit organe de commande présente aussi une forme de poutre élastique fléchissante. Avantageusement, lesdites poutres sont en un matériau dont le ratio entre la contrainte à la rupture et le module d'élasticité est supérieur à 0.020 et la résistance au choc 30 Charpy entaillé supérieure à 20 kJ/m2. Cette combinaison de poutre et de matériaux aux caractéristiques mécaniques favorables à un amortissement viscoélastique permet d'assurer une durée de vie importante au dispositif dans un cas de commande en boucle ouverte où l'on 3 ne contrôle pas la position ou la vitesse en continu dans le but de minimiser la vitesse d'impact lors du déplacement d'une extrémité à l'autre de la course de l'actionneur. De manière préférentielle mais non limitative, le 5 matériau choisi pour la pièce de limitation de course et l'organe de commande est un matériau thermoplastique non chargé et lesdites poutres sont symétriques pour permettre un amortissement identique d'une extrémité à l'autre de la course. De même, l'actionneur peut accepter un ressort 10 mécanique de rappel du mouvement en une position prédéfinie lors du pilotage en boucle ouverte, par exemple à l'arrêt de la tension de commande. Précisément, la pièce de limitation de course 15 présente préférentiellement: - au moins deux plots de solidarisation avec ledit rotor et venant s'engager longitudinalement dans des logements complémentaires prévus à la surface de la culasse dudit rotor, 20 - au moins deux plots de limitation de course, s'étendant axialement du côté opposé audits plots de solidarisation du rotor, et mobile entre deux butées de limitation de course, - un moyen d'ancrage d'une extrémité spirale d'un ressort, 25 l'extrémité opposée dudit ressort étant solidaire du boîtier dudit actionneur, - un élément de centrage de ladite pièce par rapport à l'axe du rotor, - des zones déformables élastiquement reliant un plot de 30 solidarisation au plot de limitation de course consécutif. Selon des variantes non exclusives les unes des autres : 4 - chacun desdits plots de solidarisation avec le rotor s'étend perpendiculairement à un bras radial, - chacun desdits plots de limitation de course 5 s'étend perpendiculairement à un bras radial, selon une direction opposée à la direction desdits plots de solidarisation, - chacun desdits plots de limitation de course 10 s'étend perpendiculairement à un bras radial déformable élastiquement, - ledit bras radial déformable élastiquement est constitué par une patte fendue par une fente radiale, 15 - lesdits bras radiaux s'étendent jusqu'à une zone annulaire intermédiaire, et sont reliés par des ponts en forme d'épingle à cheveux s'étendant radialement, 20 - lesdits bras radiaux et lesdits ponts en forme d'épingle à cheveux s'étendent dans un premier plan, transversal, décalé par rapport à un second plan correspondant audit élément de centrage formé de bras reliant une zone centre annulaire pour le passage de l'axe du rotor, 25 l'extrémité opposée desdits bras étant relié au point de jonction entre un bras radial et un desdits ponts, - l'actionneur comporte un aimant annulaire entourant la zone intérieure comprise entre ledit axe et 30 lesdits points de jonction entre un bras radial et un desdits ponts, - l'extrémité avant de l'axe du rotor est solidaire d'une fourchette d'accouplement, - l'extrémité avant de l'axe du rotor présente une 35 configuration moletée pour recevoir une bague en laiton, une 5 pièce en matière thermoplastique étant surmoulée sur ladite bague pour former l'organe de commande. L'actionneur comprend alternativement un capteur de position destiné à renvoyer une information de la position du 5 rotor afin de connaitre l'état d'actionnement. Il s'agit typiquement d'un capteur digital retournant une information de type tout ou rien pour savoir si l'actionnement a été réalisé, c'est-à-dire si le rotor s'est déplacé sur sa course. L'application de cet actionneur est typiquement, 10 mais non limitativement, l'entrainement, via l'organe de commande, d'un levier solidaire d'un arbre à cames d'un véhicule motorisé. A ce titre, l'invention concerne aussi un système de commande de la valeur de levée des soupapes d'un moteur à 15 explosion comportant un arbre à cames caractérisé en ce que le déplacement dudit arbre à came est assuré par un levier entraîné par un actionneur rotatif sans balais à course limitée par deux butées comprenant un stator bobiné et un rotor cylindrique aimanté solidaire d'un axe présentant une 20 première extrémité solidaire d'un organe de commande, la deuxième extrémité dudit axe étant solidaire d'une pièce de limitation de course servant de butées, en ce que ladite pièce de limitation de course présente des formes de poutres élastiques fléchissantes, ledit actionneur étant commandé 25 électriquement en boucle ouverte Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif 30 de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue en coupe selon un plan longitudinal d'un actionneur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de dessus de l'actionneur, sans son capot, 6 - la figure 3 représente une vue de dessous du capot de l'actionneur, - la figure 4 représente une vue en perspective de la pièce de limitation de course, 5 - la figure 5 représente une vue en détail de l'organe d'actionnement. Description générale de l'actionneur Les figures 1 à 3 illustrent la structure générale de l'actionneur. 10 Ce dernier est constitué par un boîtier (1) de forme générale cylindrique, fermé à l'extrémité arrière par un capot (2). Le boîtier (1) présente à sa partie avant des oreilles de fixation (3, 4). Il est fermé à sa partie avant par une face frontale (5) traversée par un passage central (6) 15 pour le passage d'un axe (7). L'axe (7) est guidé par un palier (8) inséré dans le passage (6). Un joint à lèvre (18) assure l'étanchéité du passage (6). Cet axe (7) entraîne, à sa première extrémité, un organe de commande (9), dont le détail est montré en figure 5, 20 présentant un bras (10) s'étendant radialement, prolongé par une fourche (11) s'étendant dans un plan perpendiculaire au bras (10). La liaison entre le bras (10) et l'axe (7) est assurée par une bague métallique (12) surmoulée dans le bras (10) et coopérant avec une extrémité moletée de l'axe (7). Le 25 bras (10) et la forme de fourche (11) ont préférentiellement une fonction de poutre mécanique qui contribue à amortir le mouvement lorsque le rotor de l'actionneur atteint une extrémité de course dans un cas de fonctionnement de type tout ou rien (on/off). La matière utilisée pour cet organe de 30 commande sera choisie afin d'optimiser la tenue mécanique et cette fonction d'amortissement, et sera par exemple une matière thermoplastique non chargée. A titre d'exemple, la matière utilisée est de référence TW341 avec un module d'élasticité en traction de 7 1000 MPa, une contrainte à la rupture de 55 MPA, une résistance au choc Charpy entaillé de 35 kJ/m2. L'actionneur comprend de manière connue un stator formé par une plaque de base (13) constituée d'un empilement 5 de plaques de tôles ferromagnétiques dans lesquelles sont chassées les pièces polaires (14, 15) en forme de portions de cylindre entourées, chacune, par une bobine (16, 17) de fils électriques. Au centre du stator, l'actionneur présente un tube 10 (19) en position centrale, qui entoure l'axe (7) et supporte à son extrémité arrière une butée axiale à billes (20) soutenant (supportant) le rotor (21) présentant de manière connue une culasse ferromagnétique portant des aimants permanents servant à l'actionnement en combinaison avec l'action des bobines (16, 15 17). Cet ensemble entraîne le déplacement angulaire du rotor (21) dans une première direction lorsque le stator bobiné est alimenté en courant électrique. Un ressort (22) assure le déplacement angulaire (le rappel) du rotor (21) dans 20 une direction angulaire opposée, jusqu'à son retour dans une position originelle. Une pièce de limitation de course (23) solidaire du rotor (21), et positionnée à la deuxième extrémité de l'axe (7), limite son déplacement entre une position de repos, 25 commandée par le ressort (22), et une position de travail commandée par l'alimentation électrique du stator. Un aimant permanent annulaire (24) solidaire du rotor (21) fournit un champ magnétique détecté par une sonde magnétosensible (25) positionnée dans le prolongement de l'axe 30 (7). Cette sonde magnétosensible (25) est montée sur un circuit imprimé (26) fixée sur le capot (2). Il est précisé que le capteur de position formé par l'aimant annulaire (24) et la sonde magnétosensible (25) est 35 utilisé à des fins de connaissances grossières de la position 8 du rotor (par exemple pour savoir si le rotor a effectué ou non le mouvement) mais qu'il n'est pas utilisé à des fins de pilotage en boucle fermée de l'actionneur. 5 La figure 2 montre plus en détail que l'une des extrémités du ressort (22) est fixée dans une encoche (27) prévue sur le boîtier (1). L'autre extrémité (28) est engagée dans une fourche (29) s'étendant sur la pièce de limitation de course (23). 10 La pièce de limitation de course (23) présente des plots de limitation de course (30, 31) de sections arquées, s'étendant perpendiculairement aux pattes radiales fourchues respectivement (32, 33). Le ressort (22) est logé à l'intérieur de l'enveloppe définie par la surface intérieure 15 desdits plots de limitation de course (23, 24). Les plots de limitation de course (30, 31) se déplacent entre deux butées fixes (34, 35 ; 36, 37) formées à l'intérieur du capot. En figure 3, un connecteur (41) s'étend radialement 20 par rapport au capot (2). Des clips de connexion (38, 39, 40) assurent la fixation, sans outil, du capot (2) sur le boîtier (1). Description détaillée de la pièce de limitation de course (figure 4) 25 La pièce de limitation de course (23) est constituée par une pièce injectée en matière plastique. Elle présente une première symétrie par rapport à un plan A longitudinal médian passant par les deux plots de limitation de course (30, 31), et une deuxième symétrie par rapport à un 30 plan B longitudinal médian passant par les deux plots de solidarisation (42, 43) avec le rotor (21). Ces deux plots de solidarisation (42, 43) s'étendent perpendiculairement aux bras respectivement (44, 9 45) et viennent s'engager dans une cavité complémentaire prévue à la surface arrière du rotor (21). Ces bras (44, 45) ne rejoignent pas le centre de la pièce (23) mais s'étendent depuis une extrémité correspondant 5 au rayon du rotor (21) jusqu'à un rayon intermédiaire (46, 47). De la même façon, les bras (32, 33) ne rejoignent pas le centre de la pièce (23) mais s'étendent depuis une extrémité correspondant au rayon du rotor (21) jusqu'à un 10 rayon intermédiaire (48, 49). L'extrémité arrière d'un bras (44, 45) supportant le plot de liaison (42, 43) est reliée à l'extrémité arrière d'un bras (32, 33) adjacent supportant le plot de limitation de course (30, 31) par un pont (50, 51, 52, 53) en forme 15 d'épingle (50 à 53). Ces ponts (50, 51, 52, 53) s'étendent radialement et définissent une extrémité recourbée prolongée par deux bras séparés par une fente radiale (54 à 57). Cette fente (54 à 57) s'élargit légèrement du côté du plot de limitation le plus 20 proche angulairement. Ces ponts (50, 51, 52, 53), formant des poutres mécaniques fléchissantes, offrent ainsi une déformation viscoélastique permettant d'amortir le choc et de dissiper son énergie lorsque les plots de limitation de course (30, 31) entrent en contact avec la butée (34, 35 ou 36, 37). 25 Préférentiellement, par l'association des propriétés amortissantes cumulées entre cette pièce de limitation de course (23) et l'organe de commande (9), la viabilité et la durée de vie de l'actionneur dans l'application sont considérablement augmentées. 30 A l'intérieur de cette pièce (23) se trouve une configuration présentant un passage central (58) défini par quatre bras fendus (59 à 62) reliés à la zone de jonction entre un pont (50, 51, 52, 53) et un bras (32, 33, 44, 45). 10 Cette configuration se trouve dans un plan décalé axialement par rapport au plan défini par les ponts (50, 51, 52, 53) et les bras (32, 33, 44, 45). Pour permettre un réglage optimal de la pré-charge 5 du ressort, la pièce de limitation de butée présente plusieurs fourches (29, 63 à 66). L'extrémité mobile du ressort peut être engagée dans l'une quelconque de ces fourches (29, REVENDICATIONS1 - Actionneur rotatif sans balais à course limitée par deux butées comprenant un stator (14, 15) bobiné et un rotor cylindrique aimanté (21) solidaire d'un axe (7) présentant une 5 première extrémité solidaire d'un organe de commande (9) caractérisé en ce que la deuxième extrémité dudit axe est solidaire d'une pièce de limitation de course (23) servant de butées, en ce que ladite pièce de limitation de course (23) présente des formes de poutres élastiques fléchissantes (50, 10 51, 52, 53), et en ce que l'actionneur est commandé électriquement en boucle ouverte. 2 - Actionneur rotatif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit organe de commande (9) présente une forme de 15 poutre élastique fléchissante. 3 - Actionneur rotatif selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites poutres fléchissantes de ladite pièce de limitation de course et l'organe de commande sont en un 20 matériau dont le ratio entre la contrainte à la rupture et le module d'élasticité est supérieur à 0.020 et la résistance au choc Charpy entaillé supérieure à 20 kJ/m2. 4 - Actionneur rotatif selon la revendication 3 caractérisé en 25 ce que le matériau utilisé pour l'une et/ou l'autre des pièces de limitation de course (23) et organe de commande (9) est un matériau thermoplastique non chargé. - Actionneur rotatif selon l'une quelconque des 30 revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites poutres sont symétriques pour permettre un amortissement identique d'une extrémité à l'autre de la course. 12 6 - Actionneur rotatif selon l'une des quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un ressort mécanique de rappel du mouvement en une position prédéfinie lors du pilotage en boucle ouverte. 5 7 - Actionneur rotatif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite pièce de limitation de course (23) présente : - au moins deux plots de solidarisation (42, 43) avec ledit rotor (21) et venant s'engager longitudinalement dans des logements complémentaires prévus à la surface de la culasse dudit rotor (21) - au moins deux plots de limitation de course (30, 31), s'étendant axialement du côté opposé audits plots de solidarisation (42, 43) du rotor, et mobile entre deux butées de limitation de course (34 à 37), - un moyen d'ancrage d'une extrémité spirale d'un ressort (22), l'extrémité opposée dudit ressort (22) étant solidaire du boîtier (1) dudit actionneur, - un élément de centrage (58) de ladite pièce par rapport à l'axe du rotor (22), - ladite pièce (23) présentant des zones (50 à 53) déformables élastiquement reliant un plot de solidarisation (42, 43) au plot de limitation de course (30, 31) consécutif. 8 - Actionneur rotatif selon la revendication précédente caractérisé en ce que chacun desdits plots de solidarisation (42, 43) s'étend perpendiculairement à un bras radial. 9 - Actionneur rotatif selon la revendication 7 caractérisé en ce que chacun desdits plots de limitation (30, 31) de course s'étend perpendiculairement à un bras radial (32, 33), selon une direction opposée à la direction desdits plots de solidarisation. 13 10 - Actionneur rotatif selon la revendication précédente caractérisé en ce que chacun desdits plots de limitation de course (30, 31) s'étend perpendiculairement à un bras radial 5 (32, 33) déformable élastiquement. 11 - Actionneur rotatif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit bras radial déformable (32, 33) élastiquement est constitué par une patte fendue par une fente 10 radiale. 12 - Actionneur rotatif selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que lesdits bras radiaux s'étendent jusqu'à une zone annulaire intermédiaire, et sont reliés par des ponts 15 (50 à 53) en forme d'épingle à cheveux s'étendant radialement. 13 - Actionneur rotatif selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits bras radiaux et lesdits ponts (50 à 53) en forme d'épingle à cheveux s'étendent dans un 20 premier plan, transversal, décalé par rapport à un second plan correspondant audit élément de centrage (58) formé de bras reliant une zone centrale annulaire pour le passage de l'axe du rotor, l'extrémité opposée desdits bras étant reliée au point de jonction entre un bras radial et un desdits ponts. 25 14 - Actionneur rotatif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte un aimant annulaire (24) entourant la zone intérieure comprise entre ledit axe et lesdits points de jonction entre un bras radial et un desdits 30 ponts. 15 - Actionneur rotatif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'organe de commande (9) est sous la forme d'une fourchette d'accouplement. 35 14 16 - Actionneur rotatif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrémité avant de l'axe du rotor présente une configuration moletée pour recevoir une bague en laiton (12), une pièce en matière thermoplastique 5 (10) étant surmoulée sur ladite bague (12) pour former l'organe de commande (9). 17 - Actionneur rotatif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de 10 position destiné à renvoyer une information de la position du rotor afin de connaitre l'état d'actionnement. 18 - Système de commande de la valeur de levée des soupapes d'un moteur à explosion comportant un arbre à cames 15 caractérisé en ce que le déplacement dudit arbre à came est assuré par un levier entraîné par un actionneur rotatif sans balais à course limitée par deux butées comprenant un stator (14, 15) bobiné et un rotor cylindrique aimanté (21) solidaire d'un axe (7) présentant une première extrémité solidaire d'un 20 organe de commande (9), la deuxième extrémité dudit axe étant solidaire d'une pièce de limitation de course (23) servant de butées, en ce que ladite pièce de limitation de course (23) présente des formes de poutres élastiques fléchissantes (50, 51, 52, 53), ledit actionneur étant commandé électriquement en 25 boucle ouverte