Brevet FR3145643A1 — publié le 20240809

L’invention concerne un actionneur (1) électromagnétique monostable, comprenant : une carcasse (11) magnétique s’étendant autour d’un axe (X) de translation de l’actionneur ; une bobine (12) d’excitation annulaire agencée à l’intérieur de la carcasse pour générer un flux magnétique de commande, la bobine étant montée sur un support (13) comprenant une cavité dont un axe longitudinal est confondu avec l’axe de translation ; un noyau (21) magnétique monté mobile dans la cavité selon l’axe de translation entre une position reculée et une position avancée vers laquelle le noyau est rappelé par des moyens de rappel élastiques (40) ; et au moins un organe (15) élastiquement déformable agencé pour être comprimé sous l’action des moyens de rappel élastiques uniquement lorsque le noyau est en position avancée et au voisinage de celle-ci. FIGURE DE L’ABREGE : Fig.1 Actionneur électromagnétique monostable et procédé de fabrication d’un tel actionneur L’invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques et, plus particulièrement, un actionneur électromagnétique monostable. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Un actionneur électromagnétique monostable comprend généralement une culasse magnétique s’étendant autour d’un axe de translation de l’actionneur, une bobine d’excitation annulaire agencée coaxialement à l’intérieur de la carcasse pour générer un flux magnétique de commande, et une armature mobile engagée dans la bobine pour se déplacer entre une position reculée et une position avancée vers laquelle l’armature est rappelée par un ressort. Pour amener l’armature mobile de la position avancée à la position reculée, la bobine est alimentée électriquement de manière à générer un champ magnétique exerçant sur l’armature mobile un effort d’attraction supérieur à l’effort de rappel exercé par le ressort. Lors du dimensionnement d’un tel actionneur, il a été constaté que pour une course importante de l’armature et/ou un volume restreint de la culasse, l’effort de traction généré par la bobine n’était, en position avancée, que très légèrement supérieur à l’effort de rappel nominal généré par le ressort. Ainsi, en fonction de la tolérance de fabrication de la raideur du ressort, l’effort de traction généré par la bobine peut être inférieur à l’effort de rappel effectif généré par le ressort, et donc être insuffisant pour amener l’armature en position reculée. Il y a donc un risque que l’actionneur ne soit pas opérationnel. Une solution consiste à maîtriser précisément la tolérance de la raideur du ressort, ce qui engendre un coût, voire une impossibilité industrielle, le contrôle de chaque ressort en production série étant peu envisageable. OBJET DE L’INVENTION L’invention a donc pour objet de proposer un actionneur électromagnétique permettant d’obvier au problème précité, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel actionneur. A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un actionneur électromagnétique monostable comprenant : une carcasse magnétique s’étendant autour d’un axe de translation de l’actionneur ; une bobine d’excitation annulaire agencée à l’intérieur de la carcasse pour générer un flux magnétique de commande, la bobine étant montée sur un support comprenant une cavité dont un axe longitudinal est confondu avec l’axe de translation ; un noyau magnétique monté mobile dans la cavité selon l’axe de translation entre une position reculée et une position avancée vers laquelle le noyau est rappelé par des moyens de rappel élastiques ; et au moins un organe élastiquement déformable agencé pour être comprimé uniquement lorsque le noyau est en position avancée et au voisinage de celle-ci. Pour amener l’armature mobile de la position avancée à la position reculée, la bobine est alimentée électriquement de manière à générer un champ magnétique exerçant sur l’armature mobile un effort de traction supérieur à l’effort de rappel exercé par les moyens de rappel élastiques. Ainsi, lorsque le noyau est en position avancée, l’organe élastiquement déformable exerce sur ledit noyau un effort de poussée venant légèrement aider la bobine à amener le noyau en position reculée à l’encontre des moyens de rappel élastiques. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’organe élastiquement déformable est en élastomère. De manière particulière, l’organe élastiquement déformable est un joint torique reçu dans une gorge annulaire ménagée dans une face d’extrémité de la carcasse, le noyau étant couplé à un élément d’arrêt comprenant une surface d’appui agencée pour coopérer avec la face d’extrémité et comprimer le joint lorsque le noyau est en position avancée. De manière particulière, la face d’extrémité s’étend sensiblement dans un plan orthogonal à l’axe de translation. Selon une autre caractéristique particulière, la cavité est de forme cylindrique. Selon une autre caractéristique particulière, les moyens de rappel élastiques comprennent un ressort hélicoïdal de compression. Selon une autre caractéristique particulière, les moyens de rappel élastiques et l’organe élastiquement déformable forment un ensemble élastique ayant, selon l’axe de translation, une raideur dont la tolérance de fabrication est inférieure à celle de la raideur des moyens de rappel élastiques selon ledit axe de translation. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel actionneur dans lequel les moyens de rappel élastiques exercent sur le noyau en position avancée un effort de rappel sensiblement supérieur à l’effort de traction exercé par la bobine sur ledit noyau. Le procédé comprend un ajustement de la raideur de l’organe élastiquement déformable pour que ledit organe exerce sur le noyau en position avancée un effort de poussée et que l’effort de traction et l’effort de poussée soient ensemble supérieurs à l’effort de rappel. De manière particulière, s’il est constaté que la bobine ne peut amorcer le déplacement du noyau de la position avancée vers la position reculée, l’organe élastiquement déformable est remplacé par un autre organe élastiquement déformable de raideur plus importante. L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels : la est une vue en coupe axiale d’un actionneur électromagnétique selon un mode de réalisation particulier de l’invention, dans laquelle le noyau est en position avancée ; la est une vue identique à la , dans laquelle le noyau est au voisinage de la position avancée ; la est une vue identique à la , dans laquelle le noyau est en position reculée ; la est un graphique représentant l’évolution de l’effort de rappel exercé par le ressort, et de la somme de l’effort de traction exercé par la bobine et de l’effort de poussée exercé par l’organe élastiquement déformable. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence aux figures 1 à 3, un actionneur 1 électromagnétique monostable comprend, selon un premier mode de réalisation de l’invention, un ensemble fixe désigné de façon générale par la référence 10, ainsi qu’un ensemble mobile en translation suivant un axe X et désigné de façon générale par la référence 20. L’ensemble fixe 10 comprend une carcasse 11 réalisée en matériau ferromagnétique. La carcasse 11 comprend une première partie 11.1 et une deuxième partie 11.2 qui s’étendent autour de l’axe X et qui définissent ensemble un logement annulaire recevant une bobine 12 électromagnétique. La bobine 12 est montée sur un support 13 annulaire réalisé en matériau non magnétique. Le support 13 comprend une surface interne 13a définissant une cavité cylindrique 13b dont l’axe longitudinal est confondu avec l’axe de la bobine 12 et avec l’axe X de déplacement de l’ensemble mobile 20. La carcasse 11 comprend une première extrémité comportant un premier bossage 11a, et une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité, comportant un deuxième bossage 11b. Le premier bossage 11a et le deuxième bossage 11b sont respectivement pourvus d’un premier orifice 11c de forme globalement cylindrique et d’un deuxième orifice 11d de forme globalement conique. Le premier orifice 11c et le deuxième orifice 11d s’étendent selon l’axe X et débouchent chacun sur une extrémité de la cavité cylindrique 13b. Le premier orifice 11c comprend une gorge annulaire 11e interne recevant une première bague 14 de guidage de l’ensemble mobile 20. Le deuxième orifice 11d comprend une surface interne 11f de forme tronconique. Le deuxième bossage 11b comprend une face d’extrémité 11g radiale comportant une gorge 11h annulaire dans laquelle est logé un joint 15 torique. La gorge 11h a une profondeur p et une largeur l respectivement inférieure et supérieure au diamètre d du joint 15. Le joint 15, réalisé ici en élastomère, est en contact avec un fond de la gorge 11h et est élastiquement déformable entre un état de repos dans lequel le joint 15 s’étend en saillie de la face d’extrémité 11g (figures 2 et 3), et un état comprimé dans lequel le joint 15 s’étend en amont de la face d’extrémité 11g ( ). L’ensemble fixe 10 est fixé à l’intérieur d’un volume de réception délimité par des parois internes d’un carter 30 réalisé en matériau non magnétique. L’ensemble mobile 20 comprend un noyau 21 de forme globalement cylindrique dont l’axe central est confondu avec l’axe X. Le noyau 21 est réalisé en matériau ferromagnétique et s’étend dans la cavité cylindrique 13b du support 13 de bobine. Le noyau 21 comprend une première extrémité couplée à une interface d’actionnement 22 qui s’étend en saillie du premier bossage 11a de la carcasse 11, et une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité, couplée à un élément d’arrêt 23 qui s’étend en saillie du deuxième bossage 11b de la carcasse 11. La deuxième extrémité a une surface externe 21a de forme tronconique qui présente, avec la surface interne 11f du deuxième bossage 11b, un entrefer E variable durant le déplacement de l’ensemble mobile 20. La surface externe 21a est agencée pour coopérer avec la surface interne 11f. L’élément d’arrêt 23, de forme globalement tubulaire, comprend un épaulement formant une surface d’appui 23a radiale agencée pour comprimer le joint 15 et coopérer avec la face d’extrémité 11g du deuxième bossage 11b, et une extrémité libre comportant une gorge 23b annulaire externe recevant une deuxième bague de guidage 24 de l’ensemble mobile 20. La deuxième bague de guidage 24 est reçue à ajustement dans un alésage 30a du carter 30. L’ensemble mobile 20 comprenant le noyau 21, l’interface d’actionnement 22, l’élément d’arrêt 23 et la deuxième bague de guidage 24 forme un organe d’actionnement mobile en translation selon l’axe X entre une position reculée dans laquelle une face d’extrémité 23c de l’élément d’arrêt 23 coopère avec un fond 30b de l’alésage 30a du carter 30, l’entrefer E étant alors quasi nul ( ), et une position avancée dans laquelle la face d’extrémité 11f de la carcasse 11 coopère avec la surface d’appui 23a de l’élément d’arrêt 23, l’entrefer E étant alors maximum et le joint 15 dans l’état comprimé ( ). On notera qu’à l’état comprimé, le joint 15 exerce sur l’ensemble mobile 20 un effort de poussée P 15 axial tendant à éloigner la surface d’appui 23a de l’élément d’arrêt 23 de la face d’extrémité 11f de la carcasse 11, et donc à diminuer l’entrefer E . L’ensemble mobile 20 est rappelé vers la position avancée par un ressort 40 hélicoïdal de compression s’étendant selon l’axe X entre une surface d’appui 23d de l’élément d’arrêt 23 et un fond 30c du carter 30. Ainsi, le ressort 40 exerce sur l’ensemble mobile 20 un effort de rappel R 40 axial de sorte qu’en l’absence de courant d’alimentation dans la bobine 12, la position avancée de l’ensemble mobile 20 est une position stable. Le ressort 40 présente ici une raideur constante selon l’axe X. On notera que l’actionneur 1 est autonome et ne nécessite aucune phase de réarmement externe. Le fonctionnement de l’actionneur 1 va maintenant être décrit. Pour déplacer l’ensemble mobile 20 de la position avancée ( ) vers la position reculée ( ), la bobine 12 est alimentée électriquement de manière à générer un champ magnétique d’attraction du noyau 21. Le champ magnétique généré par la bobine 12 est de forme globalement toroïdale et comprend des lignes de champ qui passent par les parties ferromagnétiques de l’actionneur 1. Chacune des lignes de champ forme une boucle et traverse successivement la première partie 11.1 de la carcasse 11, le noyau 21 et la deuxième partie de la carcasse 11.2, de sorte que la bobine 12 exerce sur le noyau 21 un effort de traction T 12 axial tendant, avec l’effort de poussée P 15 exercé par le joint 15 comprimé, à déplacer l’ensemble mobile 20 vers la position reculée en s’opposant à l’effort de rappel R 40 exercé par le ressort 40. Au fur et à mesure que l’ensemble mobile 20 s’éloigne de la position avancée ( ), l’effort de poussée P 15 exercé par le joint 15 diminue jusqu’à devenir nul dès que ledit joint 15 retrouve son état de repos ( ). Le déplacement de l’ensemble mobile 20 jusqu’à la position reculée n’est alors assuré que par l’effort de traction T 12 axial exercé par la bobine 12 qui, comme l’effort de rappel R 40 exercé par ressort 40, tend à augmenter au fur et à mesure que l’ensemble mobile 20 se rapproche de la position reculée et que l’entrefer E diminue, tout en restant supérieur audit effort de rappel R 40 . Une fois en position reculée ( ) et tant que la bobine 12 est alimentée électriquement, l’ensemble mobile 20 est maintenu dans ladite position reculée par l’effort de traction T 12 axial exercé par ladite bobine 12. L’entrefer E est alors quasi nul. Lorsqu’elle n’est plus alimentée électriquement, la bobine 12 n’exerce plus d’effort de traction T 12 sur l’ensemble mobile 20 de sorte que ledit ensemble mobile 20 tend, sous l’action du ressort 40, à se déplacer de la position reculée vers la position avancée. Au fur et à mesure que l’ensemble mobile 20 se rapproche de la position avancée et que l’entrefer E augmente, l’effort de rappel R 40 exercé par le ressort 40 diminue. Lorsque l’ensemble mobile 20 est proche de sa position avancée, le joint 15 entre en contact avec la surface d’appui 23a de l’élément d’arrêt 23 avant d’être comprimé par ladite surface d’appui 23a sous l’action du ressort 40. Le joint 15 exerce alors de nouveau sur l’ensemble mobile 20 un effort de poussée P 15 s’opposant à l’effort de rappel R 40 exercé par le ressort 40. L’effort de poussée P 15 exercé par le joint 15 est maximum lorsque la surface d’appui 23a coopère avec la face d’extrémité 11g de la carcasse 11, ledit joint 15 étant alors dans l’état comprimé. La représente un graphique illustrant l’évolution de l’effort de rappel R 40 nominal exercé par le ressort 40 en fonction de l’entrefer E , autrement dit en fonction de la position de l’ensemble mobile 20. On notera que l’évolution dudit effort de rappel R 40 est linéaire et correspond au fait que la raideur du ressort 40 est ici constante. Sur le même graphique sont aussi illustrées en pointillées les évolutions de l’effort de rappel R 40 effectif maximum et minimum correspondant à la tolérance de fabrication de la raideur du ressort 40. Sur le même graphique est en outre illustrée l’évolution de l’effort de traction T 12 exercé par la bobine 12, ledit effort de traction T 12 étant couplé à l’effort de poussé P 15 exercé par le joint 15 lorsque l’ensemble mobile 20 est en position avancée et proche de celle-ci. On comprend qu’au voisinage de la position avancée, le joint 15 aide la bobine 12 à déplacer l’ensemble mobile 20 vers la position reculée et à ralentir le déplacement de l’ensemble mobile 20 à l’approche de la position avancée en fonction du sens de déplacement dudit ensemble mobile 20. On comprend également que le ressort 40 et le joint 15 forment un ensemble élastique exerçant un effort sur l’ensemble mobile 20 sur une longueur p-d au début de la course de l’ensemble mobile 20, de sa position avancée vers sa position reculée. C’est sur ce début de course que l’entrefer E est le plus grand et donc que l’effort de traction T 12 exercé par la bobine 12 est le plus faible. Dès lors, on peut faciliter l’amorce du déplacement de l’ensemble mobile 20 vers sa position reculée en jouant uniquement sur la raideur du joint 15 selon l’axe X. Ainsi, quand le ressort 40 exerce sur l’ensemble mobile 20 en position avancée un effort de rappel R 40 sensiblement supérieur à l’effort de traction T 12 exercé par la bobine 12 sur le noyau 21, la raideur du joint 15 est ajustée pour que ledit joint 15 exerce sur le noyau 21 en position avancée un effort de poussée P 15 et que l’effort de traction T 12 et l’effort de poussée P 15 soient ensemble supérieurs à l’effort de rappel R 40 . Lors de la fabrication de l’actionneur 1, on dispose de ressorts 40 ayant des raideurs identiques aux tolérances de fabrication près et il est possible de compenser les différences de raideur résultant des tolérances en utilisant des joints 15 de raideur adaptée. On peut donc obtenir facilement, par appariement des ressorts 40 et des joints 15, des ensembles élastiques ayant des raideurs aux tolérances plus étroites, ce qui est plus économique que de n’utiliser que des ressorts 40 aux tolérances serrées. Ainsi, lors d’une opération de test d’un actionneur 1, si l’on constate que la bobine 12 ne peut amorcer le déplacement de l’ensemble mobile 20 de sa position avancée vers sa position reculée pour le courant d’alimentation prévu, il suffit de remplacer le joint 15 par un joint 15 de raideur plus importante. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. Le joint 15 peut être remplacé par un ou plusieurs organes élastiquement déformables, par exemple réalisés en élastomère ou en tout matériau ayant des propriétés physiques compatibles avec l’application envisagée. Bien que le joint 15 soit ici porté par la carcasse 11, il peut être porté par l’élément d’arrêt 23. De manière générale, le joint 15 peut être porté par l’ensemble fixe 10 comme par l’ensemble mobile 20. Bien que la cavité 13b du support 13 soit ici cylindrique, elle peut être de forme différente (parallélépipédique, hexagonale…). Le ressort 40 peut être remplacé par tout moyen de rappel élastique. Actionneur (1) électromagnétique monostable, comprenant : une carcasse (11) magnétique s’étendant autour d’un axe de translation (X) de l’actionneur ; une bobine (12) d’excitation annulaire agencée à l’intérieur de la carcasse pour générer un flux magnétique de commande, la bobine étant montée sur un support (13) comprenant une cavité (13b) dont un axe longitudinal est confondu avec l’axe de translation ; un noyau (21) magnétique monté mobile dans la cavité selon l’axe de translation entre une position reculée et une position avancée vers laquelle le noyau est rappelé par des moyens de rappel élastiques (40) ; et au moins un organe (15) élastiquement déformable agencé pour être comprimé sous l’action des moyens de rappel élastiques uniquement lorsque le noyau est en position avancée et au voisinage de celle-ci. Actionneur (1) selon la revendication 1, dans lequel l’organe (15) élastiquement déformable est en élastomère. Actionneur (1) selon la revendication 2, dans lequel l’organe élastiquement déformable est un joint (15) torique reçu dans une gorge (11h) annulaire ménagée dans une face d’extrémité (11g) de la carcasse (11), le noyau étant couplé à un élément d’arrêt (23) comprenant une surface d’appui (23a) agencée pour coopérer avec la face d’extrémité et comprimer le joint lorsque le noyau est en position avancée. Actionneur (1) selon la revendication 3, dans lequel la face d’extrémité (11g) s’étend sensiblement dans un plan orthogonal à l’axe de translation (X). Actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité (13b) est de forme cylindrique. Actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de rappel élastiques comprennent un ressort (40) hélicoïdal de compression. Actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de rappel élastiques (40) et l’organe (15) élastiquement déformable forment un ensemble élastique ayant, selon l’axe de translation (X), une raideur dont la tolérance de fabrication est inférieure à celle de la raideur des moyens de rappel élastiques selon ledit axe de translation. Procédé de fabrication d’un actionneur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et dans lequel les moyens de rappel élastiques (40) exercent sur le noyau (21) en position avancée un effort de rappel (R 40 ) sensiblement supérieur à l’effort de traction (T 12 ) exercé par la bobine (12) sur ledit noyau, le procédé comprenant un ajustement de la raideur de l’organe (15) élastiquement déformable selon l’axe de translation (X) pour que ledit organe exerce sur le noyau (21) en position avancée un effort de poussée (P 15 ) et que l’effort de traction et l’effort de poussée soient ensemble supérieurs à l’effort de rappel. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel s’il est constaté que la bobine (12) ne peut amorcer le déplacement du noyau (21) de la position avancée vers la position reculée, l’organe (15) élastiquement déformable est remplacé par un autre organe élastiquement déformable de raideur plus importante.