EP1135781A1 - Actionneurs bidirectionnels - Google Patents

Actionneurs bidirectionnels

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EP1135781A1
EP1135781A1 EP99972774A EP99972774A EP1135781A1 EP 1135781 A1 EP1135781 A1 EP 1135781A1 EP 99972774 A EP99972774 A EP 99972774A EP 99972774 A EP99972774 A EP 99972774A EP 1135781 A1 EP1135781 A1 EP 1135781A1
Authority
EP
European Patent Office
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stator
magnet
poles
spherical
actuator
Prior art date
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EP99972774A
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German (de)
English (en)
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EP1135781B1 (fr
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Pierre Gandel
Yann Buaillon
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Moving Magnet Technologie SA
Original Assignee
Moving Magnet Technologie SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Moving Magnet Technologie SA filed Critical Moving Magnet Technologie SA
Publication of EP1135781A1 publication Critical patent/EP1135781A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1135781B1 publication Critical patent/EP1135781B1/fr
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/17—Pivoting and rectilinearly-movable armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromagnetic actuators.
  • Unidirectional actuators are known implementing a stator structure excited by an electric coil, producing a variable magnetic flux ensuring the positioning of a movable magnet.
  • US Pat. No. 4,918,987 describes such an actuator comprising a stator having two poles each surrounded by a coil. The movable magnet is subjected to a linear force as a function of the flux generated by the coils.
  • German patent DE3037648 describing a two-dimensional actuator which can include either moving coils or moving magnets.
  • the solution comprising moving coils is not satisfactory because it induces high industrialization costs.
  • the described solution comprising mobile magnets requires the use of 8 mobile magnets.
  • Such an architecture requires multiple control signals and computer processing for controlling the position in XY.
  • the patent US Pat. No. 5062055 is also known, which relates to electromagnetic actuators producing both a rotational movement and a translational movement.
  • Such an actuator of the state of the art comprises a cylindrical magnet having magnetization boundaries in the peripheral direction and in the axial direction, in which a multipolar magnetization is established in the axial direction, and yokes carrying coils comprising magnetic poles located opposite the magnetization boundaries.
  • Such an actuator uses a magnet having several pairs of poles with magnetization directions perpendicular to each other.
  • the purpose of the present invention is to provide an actuator enabling the positioning of a member to be controlled according to two degrees of freedom, for example in a plane along two perpendicular axes XY, or according to a degree of freedom in translation and a degree of freedom in rotation, or in spherical rotation, with simple control signals.
  • the invention relates in its most general sense to a bidirectional actuator comprising at least one stator structure excited by an electric coil, and a single movable magnet having a single polarity.
  • This magnet is placed in a main air gap.
  • the stator structure is made up of two stator parts. Each of the stator parts has at least one secondary air gap and is excited by at least one electric coil, has stator structure has at least one air gap for the displacement of the movable magnet with respect to a first degree of freedom, and at least a second secondary air gap for the displacement of the movable magnet with respect to a second degree of freedom.
  • the mobile magnet is secured to the cylinder head.
  • the stator structure is composed of 4 poles made of a soft magnetic material defining between them two pairs of secondary air gaps crossing at a midpoint and in that the main air gap is plane.
  • stator poles are constituted by two pairs of rectangular parts, each pair of parts being excited by at least one electric coil and each defining a secondary air gap.
  • the ratio L / E between the thickness L of the magnet and the thickness E of the air gap is between 1 and 2.
  • the dimensions of the secondary air gaps are C x + E and C 2 + E, where C_ and C 2 denote the stroke of the movable magnet in the two directions of, secondary air gaps and in that the dimensions of the magnet are C- L + d- L + E and C 2 + d 2 + E, d ⁇ and d 2 designating the width of said secondary air gaps.
  • the stator structure is composed of two stator parts arranged on either side of the magnet, each of the stator parts having a pair of stator poles, the pair of stator poles of one of the parts being oriented perpendicular to the pair of stator poles of the other stator part.
  • the magnet is of tubular shape and is movable according to a first degree of freedom in axial translation and according to a second degree of freedom in axial rotation relative to a stator structure formed by 4 stator poles in the form of cylinder portions, having a first secondary air gap in the longitudinal median plane, in which is placed a first electrical coil, and a second secondary air gap in the transverse plane, in which is placed a second coil.
  • a stator structure formed by 4 stator poles in the form of cylinder portions, having a first secondary air gap in the longitudinal median plane, in which is placed a first electrical coil, and a second secondary air gap in the transverse plane, in which is placed a second coil.
  • Each of these coils is preferably wound around a ferromagnetic core.
  • the magnet is of tubular shape and is movable according to a first degree of freedom in axial translation and according to a second degree of freedom in axial rotation relative to an external cylindrical stator structure formed by 4 stator poles having a concave surface defining the main air gap with the cylindrical yoke placed inside the magnet, each of the four stator poles being surrounded by an electric coil.
  • the magnet is of tubular shape and is movable according to a first degree of freedom in axial translation and according to a second degree of freedom in axial rotation with respect to a cylindrical stator structure constituted by a first external stator part for displacement according to a first degree of freedom, and a second internal stator part for displacement according to a degree of freedom, each of the stator parts comprising at least one electric excitation coil.
  • the magnet is spherical in shape and is movable in spherical rotation relative to a stator structure in the form of a spherical cap formed by 4 stator poles in the form of a cap sector, comprising two coils housed in grooves. peripherals whose median planes are perpendicular.
  • the magnet is spherical in shape and is movable in spherical rotation relative to a stator structure of tubular shape formed by 4 stator poles in the shape of a quarter of a tube, surrounded by an electric coil.
  • the main air gap is spherical in shape.
  • the magnet is spherical in shape and surrounds a spherical yoke, and is movable in spherical rotation around a stator structure of semi-spherical shape formed by 4 stator poles in the shape of a quarter of a sphere.
  • the magnet is spherical in shape and surrounds a spherical yoke, and is movable in spherical rotation around a stator structure formed from two semi-spherical stator parts.
  • FIG. 6 and 7 show schematic views respectively in transverse view, and of the stator part of a first alternative embodiment in the form of a linear actuator XY;
  • FIG. 10 to 12 show perspective views, respectively without and with magnet, and in cross section, of a linear-rotary actuator
  • FIG. 13 to 16 show perspective views, respectively without and with magnet, and in transverse view, and in exploded view of a second version of a linear-rotary actuator
  • FIGS. 17 to 19 show perspective views, respectively without and with magnet, and of the stator part of a third version of a linear-rotary actuator;
  • FIGS. 20 and 21 show an alternative embodiment of an actuator of the “external linear and rotary” type;
  • - Figures 22 and 23 show a second version of an actuator of the "external linear and rotary”type;
  • FIGS. 24 and 25 represent a third version of an actuator of the “external linear and rotary” type;
  • - Figure 26 shows a first version of a variant of type "Inner linear, outer rotary";
  • FIGS. 27 and 27b represent a modified version of a variant of the “internal linear, external rotary” type;
  • FIG. 28 and 29 show, in three-quarter view and in transverse view, a second version of a variant of the type "Inner linear, outer rotary";
  • - Figures 30 and 31 describe an actuator of the type “Linear exterior, interior rotary” respectively of three quarters face and in partially cut view;
  • - Figure 32 shows a three-quarter front view of the stator assembly of a variant of the type "Linear exterior, interior rotation”;
  • FIG. 33 and 34 show views of a spherical actuator and the stator of such an actuator;
  • Figure 35 shows a view of a second version of spherical actuator;
  • Figure 36 shows a view of a third version of spherical actuator;
  • - Figures 37 and 38 show views of three quarter face and in section of a fourth version of spherical actuator;
  • FIGS. 39 and 40 show views of three quarter face and in section of a fifth version of spherical actuator
  • the invention relates to a new type of actuator making it possible to move a mobile part according to two degrees of freedom.
  • the targeted applications are:
  • Figures 1 and 2 show views of a first embodiment of an XY linear actuator.
  • the objective is to move a mobile part in a plane along 2 axes comprising at the base a structure composed of a 4 pole stator, a mobile magnet and a cylinder head which can be fixed or mobile with
  • the first version presented with reference to Figures 1 and 2 relates to an actuator with fixed cylinder head. In this architecture, only the magnet (14) is therefore mobile.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • This actuator therefore makes it possible to create a force of intensity and direction adjustable in the plane (XY).
  • L be the thickness of the magnet
  • E the air gap
  • c x and c v the sensor travels in the two dimensions
  • d x and d y the pole-to-pole distances along the 2 axes.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • stator Y composed of a flat base (25) and 2 poles (26, 27) with properties similar to stator X. These two poles (26, 27) are oriented perpendicular to the poles (21, 22) stator X
  • stator X and the stator Y are arranged with on either side of the main air gap in which the magnet (14) is placed.
  • the poles (21, 22) of the stator X are oriented perpendicular to the poles (26, 27) of the stator Y, in order to drive the mobile magnet in the two perpendicular directions and to ensure a bidirectional movement of the member to which it is mated.
  • FIGS. 6 and 7 show schematic views respectively in transverse view, and of the stator part of a first alternative embodiment in the form of a linear actuator XY.
  • This variant of the actuator has the advantage of requiring only one coil per axis.
  • the actuator is then composed of the following functional parts: • 1 flat magnet (14) composed of a shade of isotropic or axially anisotropic magnet. In the latter case, the direction of the anisotropy should be perpendicular to the surface of the poles. It will be magnetized in this same direction. • 1 cylinder head (40) consisting of a plate made of a material magnetic with high permeability • 1 stator (41) composed of 4 poles (42 to 45) of rectangular section connected by cores around which the coils (46, 47) will be wound. It will also be made of magnetic material with high permeability.
  • This variant can also be produced symmetrically, that is to say by replacing the cylinder head with a stator + coil assembly. We will then increase the amplitude of the force created. You can also make the stator in several distinct parts, for example by separating the poles. We can then obtain a version without ferromagnetic coil core or with independent coil cores, which would facilitate winding. This variant can also be produced in a symmetrical version.
  • Figures 8 and 9 show a variant of a cylindrical actuator x- ⁇ , respectively without and with the magnet.
  • the actuator has a cylindrical structure, therefore comprising a zone inside the magnet and a zone outside this same magnet.
  • This structure fulfills two functions to be ensured: function of rotary actuator and linear actuator.
  • the solutions defined below will be defined by the situation (“inside” or “outside”) of each of these functions.
  • the actuator comprises a stator structure having four poles (51 to 54) in the form of half-cylinders and a tubular magnet (55). The following description will first present an actuator of the “linear and rotary interior” type.
  • a first solution is described in Figures 10 to 12: it consists in the use of a cylindrical internal stator composed of four identical poles. Two coils are surrounded around each of these poles.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • stator composed of 4 poles (62 to 65) of cylindrical external shape connected by cores (70, 71) around which the coils (66 to 69) will be wound. It will also be made of magnetic material with high permeability. According to manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts
  • Figures 13 to 16 show a second solution of a linear-rotary actuator.
  • This second solution consists in replacing 2 of the 4 coils of the previous solution with a coil mounted on the main axis of the mechanism.
  • This one, named (4L) will ensure the “axial force” part and the 2 others will create the moment.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • stator composed of 4 poles (62 to 65) of cylindrical external shape.
  • the half-moons located opposite the radial are connected 2 to 2 by cores (70, 71) around which the coils (4R) will be wound.
  • the assemblies thus formed will be connected by an axial core (72) around which the coil (4L) will be wound.
  • All these poles will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts (see Figure 16).
  • a magnet support which surrounds the magnet to transmit the force - or displacement - supplied to an external part.
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • FIGs 17 to 19 show a third version of a linear-rotary actuator.
  • the stator is formed by a cylindrical part having 4 poles (62 to 65) in the form of half-cylinders.
  • 4R the 2 coils previously noted
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • Another structure could also be obtained by dividing the coil (4L) into 3 or four coils which are mounted on either side of the axial poles.
  • Figures 20 and 21 show an alternative embodiment of an actuator of the "linear and rotary exterior" type.
  • stator composed of 4 poles (82 to 85) of cylindrical interior shape connected by a common base. It will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • Figures 22 and 23 show a second version of an actuator of the "linear-rotary" type.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • the coils (4L) and (4R) are shown here in a rectangular shape to facilitate reading of the drawing, but it goes without saying that they could also, for example, take a cylindrical shape.
  • FIGS 24 and 25 show a third version of an actuator of the "linear-rotary" type, having 2 crossed coils.
  • the actuator according to this third version is composed of the following functional parts: • 1 ring half-magnet (90) composed of a shade of isotropic or radially anisotropic magnet, radially magnetized. This can be independent or glued to the cylinder head.
  • stator composed of 4 poles (91 to 94) and a common structure (96). Around 2 of them will be wound the coil (4R). The coil (4L) will be located between the poles (91 to 94). All these poles will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • Another structure could also be obtained by splitting the coil (4L) into 3 or four coils which are mounted on either side of the axial poles, or by adding a second coil (4R), symmetrically to the first with respect to 1 'axis.
  • FIG. 26 represents a first version of a variant of the “internal linear, external rotary” type.
  • the actuator is then composed of the following functional parts: • 1 half ring magnet (100) composed of a shade of isotropic or radially anisotropic magnet, radially magnetized. This must be independent of the two stators. • 1 cylindrical stator in magnetic material with high permeability, composed of two poles (101, 102) of the same diameter. The coil (103) will be located between these two poles, around a ferromagnetic core.
  • 1 stator composed of 2 poles (104, 105) and a common structure (108). Around them will be wound the coils (106, 107). These poles (104, 105) will also be made of magnetic material with high permeability. According to manufacturing preferences, this stator can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • Another structure could also be obtained by multiplying the external stator structure according to FIG. 27. This gives a structure with more external poles (110, 111, 112, 113), with several magnets (115, 116), which offers a lower angular travel but greater torque. We can thus imagine any structure with (2N) radial poles. This multiplication principle can also be applied to each cylindrical structure described in this text.
  • Another structure could also be obtained by using only one coil for the creation of a torque.
  • Figures 28 and 29 show three quarter face and sectional views of such a version. This consists of a new arrangement of the external part of the actuator allowing to have only 2 coils.
  • the actuator is then composed of the following functional parts:
  • stator composed of 2 poles (123, 124) and a common structure.
  • the coil (126) surrounds this stator, between the 2 poles (123, 124).
  • These poles will also be made of magnetic material with high permeability. According to manufacturing preferences, this stator can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • a magnetic potential difference is created along the X axis: we therefore create a force Fx along the X axis proportional to the magnetic potential difference created.
  • a current i2 in the coil (126) one creates this time a moment of rotation Mx on the magnet collinear with the axis X and proportional to the difference of magnetic potential created.
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • FIGS. 30 and 31 describe an actuator of the “external linear, internal rotary” type.
  • the actuator is made up of the following functional parts:
  • • 1 cylindrical stator in magnetic material with high permeability composed of two poles (141, 142) of the same diameter.
  • the coil (143) will be located between the 2 poles.
  • • 1 stator (2R) composed of 2 poles (144, 145) and a common core.
  • the coil (146) will be located surrounded around this core, between the 2 poles (144, 145). These poles will also be made of magnetic material with high permeability • 1 coil (143) • 1 coil (146)
  • This actuator therefore makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • the stator in the form of four quarters of cylinders (150 to 153) around which s 'surround 2 coils (154, 155) (cf. Figure 32), a 4-pole rotary version is obtained, with a stroke reduced to less than 90 ° but providing greater torque.
  • Figures 33 and 34 show views of a spherical actuator ⁇ - ⁇ and its stator.
  • the actuator is composed of the following functional parts: • 1 spherical half-magnet (200) composed of one shade isotropic or radially anisotropic magnet, radially magnetized. This can be independent or glued to the cylinder head, as shown in Figure (33). • 1 hollow spherical yoke (201) made of magnetic material with high permeability • 1 stator composed of 4 poles (202 to 205) of spherical external shape connected by cores around which the four coils will be wound (206 to 209). It will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts. • 4 coils (206 to 209), surrounding the stator
  • composition of the so-called currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this XY plane. Indeed: By feeding (206) and (208) with a current there, we create a moment Mx
  • This actuator therefore makes it possible to create independent couples along two orthogonal axes.
  • Figure 35 shows a second version of a spherical actuator.
  • the actuator is made up of the following functional parts:
  • stator composed of 4 poles (212 to 215) of spherical exterior shape connected by cores around which the coils will be wound (216, 217). It will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • composition of said currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this XY plane.
  • FIG. 36 corresponds to another arrangement of this same system, more easily achievable industrially but with a shorter stroke.
  • the stator parts are made in the form of a quarter of spherical sector (220 to 223). They are surrounded by two coils (224, 225).
  • Figures 37 and 38 show views of a spherical actuator of the "All exterior" type.
  • the principle of this solution consists in reversing the architecture of the previous actuator, by putting the cylinder head and the magnet inside, the stator poles outside.
  • the first version of the actuator is composed of the following functional parts: • 1 magnet in the form of a spherical cap (230) composed of a shade of isotropic or radially anisotropic magnet, magnetized radially. • 1 spherical yoke (231) made of magnetic material with high permeability • 1 stator composed of 4 poles (232 to 235) of external shape in quarter of cylinder and of internal spherical form connected by cores around which the coils (236 to 239). It will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it may be made of a single piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • this actuator is in all respects the same as that of the first spherical actuator presented in this text.
  • Figures 39 and 40 show a second version of a spherical actuator of the "all exterior" type.
  • the actuator is made up of the following functional parts:
  • stator composed of 4 poles (252 to 255) of spherical interior shape connected by cores around which the coils will be wound (256, 257). It will also be made of magnetic material with high permeability. Depending on manufacturing preferences, it can be made in one piece or an assembly of ferromagnetic parts.
  • Figures 41 and 42 show three quarter face views in partial section of a hybrid actuator (interior & exterior).
  • the actuator is made up of the following functional parts:
  • composition of the so-called currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this XY plane.
  • Each of the above electromagnetic systems can be coupled with non-contact dimensional position sensors.
  • Figures 43 and 44 illustrate the application of this principle on a flat XY actuator.
  • the position sensor measures the variations in flux created by a mobile magnet in an air gap.
  • the stator consists of four rectangular parts (300 to 303) surrounded by four coils
  • a thin magnet (305) magnetized transversely is placed in the main air gap (307) formed between the stator and the cylinder head (306).
  • Four Hall probes (320 to 323) are placed in the secondary air gaps between the stator parts (300 to 303).
  • the probes will measure a variation in flux due to the displacement of the magnet and to the current flowing in the coils. So we have to "dismiss” this flow due to the current. This can be done in two ways:
  • the coils By alternating the "sensor" and “actuator” functions. During a given time interval, the coils will be fed in order to produce the desired force (or torque), and, during the following interval, the coils will be cut off to measure only the flux due to the magnet. There will thus be an intermittent force which can be used for joystick type functions.

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Description

ACTIO NEURS BIDIRECTIONNELS
La présente invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques.
On connaît des actionneurs unidirectionnels mettant en oeuvre une structure statorique excitée par une bobine électrique, produisant un flux magnétique variable assurant le positionnement d'un aimant mobile. A titre d'exemple, le brevet US4,918,987 décrit un tel actionneur comportant un stator présentant deux pôles entourés chacun par une bobine. L'aimant mobile est soumis à une force linéaire en fonction du flux généré par les bobines.
On connaît également le brevet allemand DE3037648 décrivant un actionneur bidimensionnel qui peut comporter soit des bobines mobiles soit des aimants mobiles. La solution comportant des bobines mobiles n'est pas satisfaisante car elle induit des coûts d'industrialisation élevés. La solution décrite comportant des aimants mobiles nécessite l'utilisation de 8 aimants mobiles. Une telle architecture nécessite des signaux de commande multiples et des traitements informatiques pour le pilotage de la position en XY.
On connaît également le brevet US5062055 qui concerne les actionneurs électromagnétiques produisant à la fois un mouvement de rotation et un mouvement de translation. Un tel actionneur de l'état de la technique comprend un aimant cylindrique ayant des frontières d'aimantation dans la direction périphérique et dans la direction axiale, dans lequel une aimantation multipolaire est établie dans la direction axiale, et des culasses portant des bobines comportant des pôles magnétiques situés face aux frontières d'aimantation. Un tel actionneur utilise un aimant possédant plusieurs paires de pôles avec des directions d'aimantation perpendiculaires les unes par rapport aux autres . Le but de la présente invention est de proposer un actionneur permettant de commander le positionnement d'un organe selon deux degrés de liberté, par exemple dans un plan selon deux axes perpendiculaires XY, ou selon un degré de liberté en translation et un degré de liberté en rotation, ou encore en rotation spherique, avec des signaux de commande simple.
A cet effet, l'invention concerne dans son acception la plus générale un actionneur bidirectionnel comportant au moins une structure statorique excitée par une bobine électrique, et un aimant mobile unique ayant une polarité unique. Cet aimant est placé dans un entrefer principal. La structure statorique est composée de deux pièces statoriques. Chacune des pièces statoriques présente au moins un entrefer secondaire et est excitée par au moins une bobine électrique, a structure statorique présente au moins un entrefer pour le déplacement de l'aimant mobile par rapport à un premier degré de liberté, et au moins un deuxième entrefer secondaire pour le déplacement de l'aimant mobile par rapport à un deuxième degré de liberté. Selon un mode de mise en œuvre particulier, l'aimant mobile est solidaire de la culasse.
Selon une première variante, la structure statorique est composée de 4 pôles en un matériau magnétique doux définissant entre eux deux paires d'entrefers secondaires se croisant en un point médian et en ce que l'entrefer principal est plan.
Avantageusement, les pôles statoriques sont constitués par deux paires de pièces rectangulaires, chaque paire de pièces étant excitée par une bobine électrique au moins et définissant chacune un entrefer secondaire.
De préférence, le rapport L/E entre l'épaisseur L de l'aimant et l'épaisseur E de l'entrefer est comprise entre 1 et 2.
Avantageusement, les dimensions des entrefers secondaires sont Cx+E et C2+E, où C_ et C2 désignent la course de l'aimant mobile selon les deux directions des, entrefers secondaires et en ce que les dimensions de l'aimant sont C-L+d-L+E et C2+d2+E, d± et d2 désignant les largeur des dits entrefers secondaires. Selon une variante particulière, la structure statorique est composée de deux pièces statoriques disposées de part et d'autre de l'aimant, chacune des pièces statoriques présentant une paire de pôles statoriques, la paire de pôles statoriques de l'une des pièces étant orientée perpendiculairement à la paire de pôles statoriques de l'autre pièce statorique.
Selon une deuxième variante de réalisation, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique formée de 4 pôles statoriques en forme de portions de cylindres, présentant un premier entrefer secondaire dans le plan médian longitudinal, dans lequel est placée une première bobine électrique, et un deuxième entrefer secondaire dans le plan transversal, dans lequel est placée une deuxième bobine. Chacune de ces bobines est enroulée de préférence autour d'un noyau ferromagnétique .
Selon une variante, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique extérieure formée de 4 pôles statoriques présentant une surface concave définissant l'entrefer principal avec la culasse cylindrique placée à l'intérieur de l'aimant, chacun des quatre pôles statoriques étant entouré par une bobine électrique .
Selon une autre variante, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique constituée par une première pièce statorique extérieure pour le déplacement selon un premier degré de liberté, et une deuxième pièce statorique intérieure pour le déplacement selon un degré de liberté, chacune des pièces statoriques comportant au moins une bobine électrique d'excitation.
Selon un troisième mode de réalisation, l'aimant est de forme spherique et est mobile en rotation spherique par rapport à une structure statorique en forme de calotte spherique formée de 4 pôles statoriques en forme de secteur de calotte, comportant deux bobines logées dans des rainures périphériques dont les plans médians sont perpendiculaires . Avantageusement, l'aimant est de forme spherique et est mobile en rotation spherique par rapport à une structure statorique de forme tubulaire formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de tube, entourés par une bobine électrique. Selon une variante particulière d'un tel actionneur, l'entrefer principal est de forme spherique.
Selon une autre variante particulière, l'aimant est de forme spherique et entoure une culasse spherique, et est mobile en rotation spherique autour d'une structure statorique de forme demi-sphérique formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de sphère.
Selon un mode de réalisation particulier, l'aimant est de forme spherique et entoure une culasse spherique, et est mobile en rotation spherique autour d'une structure statorique formé de deux pièces statoriques demi- sphériques .
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à des exemples non limitatifs de réalisation, illustrés par les dessins annexés où : - Les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY ; - les figures 3a et 3b illustrent le fonctionnement de l' actionneur ;
- les figures 4 et 5 représentent des vues d'une variante de réalisation d'un actionneur XY ;
- les figures 6 et 7 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY ;
- les figures 8 et 9 représentent une variante d'un actionneur cylindrique x-θ, respectivement sans et avec l'aimant ;
- les figures 10 à 12 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et en coupe transversale, d'un actionneur linéaire-rotatif ;
- les figures 13 à 16 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et en vue transversale, et en vue éclatée d'une deuxième version d'un actionneur linéaire-rotatif ;
- les figures 17 à 19 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et de la partie statorique d'une troisième version d'un actionneur linéaire-rotatif ; les figures 20 et 21 représentent une variante de réalisation d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ; - les figures 22 et 23 représentent une deuxième version d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ; les figures 24 et 25 représentent une troisième version d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ; - la figure 26 représente une première version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ; les figures 27 et 27b représentent une version modifiée d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ;
- les figures 28 et 29 représentent, en vue de trois quart face et en vue transversale, une deuxième version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ;
- les figures 30 et 31 décrivent un actionneur de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur » respectivement de trois quarts face et en vue partiellement coupée ; - la figure 32 représente une vue de trois quarts face de l'ensemble stator d'une variante de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur » ;
- les figures 33 et 34 représentent des vues d'un actionneur spherique et du stator d'un tel actionneur ; la figure 35 représente une vue d'une deuxième version d' actionneur spherique ; la figure 36 représente une vue d'une troisième version d' actionneur spherique ; - les figures 37 et 38 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une quatrième version d' actionneur spherique ;
- les figures 39 et 40 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une cinquième version d' actionneur spherique ;
- les figures 41 et 42 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une sixième version d' actionneur spherique ;
- les figures 43 et 44 représentent des vues de trois quart face et en vue transversale d'un actionneur avec détecteur de position ;
L ' invent ion concerne un nouveau type d' actionneur permettant de déplacer une partie mobile suivant deux degrés de liberté . Les applications visées sont :
• Appl i cat i ons inf ormat iques : s ouri s , j oystick
• Applications industrielles : pick and place
• Applications automobiles : assistance au passage des vitesses .
Les figures 1 et 2 représentent des vues d' un premier exemple de réalisation d ' un actionneur linéaire XY .
L ' objectif est de déplacer une partie mobile dans un plan suivant 2 axes comportant à la base une structure composée d' un stator à 4 pôles , d ' un aimant mobile et d' une culasse qui pourra être fixe ou mobile avec
1 ' aimant .
La première version présentée en référence aux figures 1 et 2 concerne un actionneur à culasse fixe. Dans cette architecture, seul l'aimant (14) est donc mobile.
L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 aimant plat (14) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de 1 ' anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction.
• 1 culasse (5) en matériau magnétique à haute perméabilité • 1 stator composé d'une base plane (6) et de 4 pôles (1 à 4) de section rectangulaire. Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité
• 4 bobines (7 à 10), chacune entourant l'un des pôles du stator Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe .
Pour ce dernier, toute forme peut être imaginée . Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante, en référence aux figures 3a et 3b :
Si l'on impose le même courant il dans les bobines (7) et (8) et un courant i2 dans les bobines (9) et (10) , on crée une différence de potentiel suivant l'axe X : on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans les bobines (7) et (9) et un courant i4 dans les bobines (8) et (10) , on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique, colinéaire à l'axe
Y.
Cela étant établi, il en découle que la composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer toute force dont la direction sera comprise dans ce plan XY. En effet : si en alimentant (7) et (8) par un courant il et en alimentant (9) et (10) par un courant i2, on crée une force Fx si en alimentant (7) et (9) par un courant i3 et en alimentant (8) et (10) par un courant i4, on crée une force Fy
Alors, en alimentant (7) par il+i3, (8) par il+i4, (9) par i2+i3 et (10) par i2+i4, on crée une force Fx + Fy.
Cet actionneur permet donc de créer une force d'intensité et de direction réglables dans le plan (XY) .
Soit L l'épaisseur de l'aimant, E l'entrefer, cx et cv les courses du capteur dans les deux dimensions et dx et dy les distances de pôle à pôle suivant les 2 axes.
On conseillera d'utiliser un rapport L/E compris entre 1 et 2.
Si l'on prend pour dimensions de l'aimant (cx + E + dx) et (cy + E + dy) et pour dimensions minimales des pôles statoriques (cx + E) et (cy + E) dans le plan de mesure, la linéarité de la force en fonction du courant sera effective sur les deux axes.
Une autre architecture de cet actionneur peut être imaginée selon la variante représentée en figures 4 et 5.
L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 aimant plat (14), de forme rectangulaire, composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de 1 ' anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction.
• 1 stator X (20) en matériau magnétique à haute perméabilité composé d'une base plane (23) et de 2 pôles (21, 22) de section rectangulaire.
• 1 stator Y (28) composé d'une base plane (25) et de 2 pôles (26, 27) aux propriétés analogues au stator X. Ces deux pôles (26, 27) sont orientés perpendiculairement aux pôles (21, 22) du stator X
• 2 bobines X (31, 32), chacune entourant l'un des pôles (21, 22) du stator X
• 2 bobines Y (36, 37), chacune entourant l'un des pôles (26, 27) du stator Y. Les bobines sont des bobines plates entourant chacun des pôles statoriques.
Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe. Le stator X et le stator Y sont disposés de part et d'autre de l'entrefer principal dans lequel est placé l'aimant (14). Les pôles (21, 22) du stator X sont orientés perpendiculairement aux pôles (26, 27) du stator Y, afin d'entraîner l'aimant mobile dans les deux directions perpendiculaires et d'assurer un déplacement bidirectionnel de l'organe auquel il est accouplé.
Le fonctionnement de cette version peut être expliqué de la manière suivante :
Si l'on impose un courant il dans la bobine (31) et un courant i2 dans la bobine (32), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans la bobine (36) et un courant i4 dans la bobine (37) , on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique, colinéaire à l'axe Y.
En conjuguant le pilotage des courants dans les bobines (X) et dans les bobines (Y) indépendamment les unes des autres, on pourra créer une force réglable en amplitude et en direction dans le plan XY. les figures 6 et 7 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY. Cette variante de l' actionneur présente l'avantage de ne nécessiter qu'une seule bobine par axe.
L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes: • 1 aimant plat (14) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de 1 ' anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction. • 1 culasse (40) constitué par une plaque en un matériau magnétique à haute perméabilité • 1 stator (41) composé de 4 pôles (42 à 45) de section rectangulaire reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (46, 47) . Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Il est constitué dans l'exemple décrit par un bloc parallélépipèdique, présentant des rainures médianes perpendiculaires pour le positionnement des bobines et délimitant les pôles statoriques (42 à 45) • 2 bobines croisées (46, 47) , entourant le stator (41) dans deux directions perpendiculaires.
Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort ou le déplacement fourni à une pièce externe. Le fonctionnement de cette version peut être expliqué de la manière suivante :
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(46), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée, donc au courant il.
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (47), on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique et donc au courant i2, colinéaire à l'axe Y.
On comprend alors aisément qu'en conjuguant le pilotage des courants dans les bobines (46) et dans les bobines (47) indépendamment l'une de l'autre, on pourra créer une force réglable en amplitude et en direction dans le plan XY.
Cette variante peut être également réalisée en symétrique, c'est-à-dire en remplaçant la culasse par un ensemble stator + bobines. On augmentera alors l'amplitude de la force créée. On peut également réaliser le stator en plusieurs parties distinctes, par exemple en séparant les pôles. On peut alors obtenir une version sans noyau de bobine ferromagnétique ou dotée de noyaux de bobine indépendants, ce qui permettrait de faciliter le bobinage. Cette variante peut elle aussi être réalisée en version symétrique.
Les figures 8 et 9 représentent une variante d'un actionneur cylindrique x-θ, respectivement sans et avec l'aimant. Plusieurs versions peuvent être imaginées. L' actionneur présente une structure cylindrique, comprenant donc une zone à l'intérieur de l'aimant et une zone à l'extérieur de ce même aimant. Cette structure remplit deux fonctions à assurer : fonction d' actionneur rotatif et d' actionneur linéaire. Les solutions définies ci-après seront définies par la situation (« intérieur » ou « extérieur ») de chacune de ces fonctions. De façon générale, l' actionneur comprend une structure statorique présentant quatre pôles (51 à 54) en forme de demi- cylindres et un aimant tubulaire (55) . La description qui suit présentera d'abord un actionneur de type « Linéaire et rotatif intérieurs ».
Une première solution est décrite en figures 10 à 12 : elle consiste en l'utilisation d'un stator interne cylindrique composé de quatre pôles identiques. Deux bobines sont entourées autour de chacun de ces pôles.
L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (60) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement . Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse (61)
• 1 culasse bague (61) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (62 à 65) de forme extérieure cylindrique reliés par des noyaux (70, 71) autour desquels seront enroulées les bobines (66 à 69) . Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques
• 4 bobines (66 à 69) , entourant le stator.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose le même courant il dans les bobines (66) et (67) et un courant i2 dans les bobines (68) et (69), on crée une différence de potentiel suivant l'axe
X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée. De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans les bobines (66) et (68) et un courant i4 dans les bobines (67) et (69) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
Cela étant établi, il en découle que la composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout ensemble « force - moment » de direction colinéaire à l'axe X. En effet : si en alimentant (66) et (67) par un courant il et en alimentant (68) et (69) par un courant i2 , on crée une force Fx si en alimentant (66) et (68) par un courant i3 et en alimentant (67) et (69) par un courant i4, on crée un moment Mx
Alors, en alimentant (66) par il+i3, (67) par il+i4, (68) par i2+i3 et (69) par i2+i4, on crée une force Fx et un moment Mx Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Les figures 13 à 16 représentent une deuxième solution d'un actionneur linéaire-rotatif. Cette deuxième solution consiste à remplacer 2 des 4 bobines de la solution précédente par une bobine montée sur l'axe principal du mécanisme. Celle-ci, nommée (4L) , assurera la partie « force axiale » et les 2 autres créeront le moment . L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (60) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse.
• 1 culasse bague ( 61 ) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles ( 62 à 65 ) de forme extérieure cylindrique . Les demi-lunes situées en vis- à-vis radial sont reliés 2 à 2 par des noyaux (70 , 71 ) autour desquels seront enroulées les bobines ( 4R) . Les ensembles ainsi constitués seront reliés par un noyau axial ( 72 ) autour duquel sera enroulée la bobine ( 4L) . Tous ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité . Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d ' une seule pièce ou d ' un assemblage de pièces ferromagnétiques ( cf . figure 16 ) .
• 2 bobines longitudinales ( 4R) • 1 bobine transversale ( 4L)
Eventuel lement un support d ' aimant venant entourer l ' aimant pour transmettre l ' ef f ort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe .
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante : Si l'on impose le courant il dans la bobine
(4L) , on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (4R) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Les figures 17 à 19 représentent une troisième version d'un actionneur linéaire-rotatif. Le stator est formé par une pièce cylindrique présentant 4 pôles (62 à 65) en forme de demi-cylindres. Dans cette solution, on remplace les 2 bobines précédemment notées (4R) par une seule et même bobine. On a alors en tout et pour tout 2 bobines croisées, comme l'illustrent les figures 17 à 19.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(4L) , on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée .
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (4R) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée .
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X. Une autre structure pourrait également être obtenue en scindant la bobine (4L) en 3 ou quatre bobines venant se monter de part et d'autre des pôles axiaux.
Les figures 20 et 21 représentent une variante de réalisation d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs ».
Toutes les versions présentées dans cette partie sont en fait des versions homologues des versions présentées dans la partie précédente : on ne fait qu'inverser les parties intérieures et extérieures. Elles seront néanmoins présentées dans un souci de clarté.
Dans la version représentée en figures 20 et 21, on dispose de quatre bobines extérieures, chacune d'elles entourant un pôle. L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (80) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse
• 1 culasse cylindrique (81) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (82 à 85) de forme intérieure cylindrique reliés par une base commune. Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 4 bobines (86 à 89) , entourant les pôles statoriques respectivement (82 à 85)
Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Cette version fonctionne de façon semblable à la version représentée en référence aux figures 10 à 12 : En effet, en alimentant (86) par il+i3, (87) par il+i4, (88) par i2+i3 et (89) par i2+i4, on crée une force Fx et un moment Mx
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Les figures 22 et 23 représentent une deuxième version d'un actionneur de type « linéaire-rotatif ».
L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (90) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse. • 1 culasse cylindrique (95) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (91 à 94) et d'une structure (96) commune. Autour des pôles (91, 92) seront enroulées les bobines (4R) (97, 98). La bobine (4L) sera située entre les pôles comme montré sur la figure 22. Tous ces pôles (91 à 94) seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, l'ensemble pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 2 bobines (4R)
• 1 bobine (4L)
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante: Si l'on impose le courant il dans la bobine
(4L) , on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée. De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (4R) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée . Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Les bobines (4L) et (4R) sont représentées ici de forme rectangulaire pour faciliter la lecture du dessin, mais il va de soi qu'elles pourraient également, par exemple, prendre une forme cylindrique.
On peut également, dans le souci d'augmenter le couple, disposer de 4 bobines (4R) , en en disposant 2 sur les 2 pôles statoriques non utilisés. Les figures 24 et 25 représentent une troisième version d'un actionneur de type « linéaire-rotatif », présentant 2 bobines croisées. L' actionneur selon cette troisième version est composé des parties fonctionnelles suivantes : • 1 demi-aimant bague (90) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse.
• 1 culasse cylindrique (95) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (91 à 94) et d'une structure (96) commune. Autour de 2 d'entre eux sera enroulée la bobine (4R) . La bobine (4L) sera située entre les pôles (91 à 94) . Tous ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 1 bobine (4R) • 1 bobine (4L) Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(4L) , on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (4R) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Une autre structure pourrait également être obtenue en scindant la bobine (4L) en 3 ou quatre bobines venant se monter de part et d'autre des pôles axiaux, ou en ajoutant une deuxième bobine (4R), symétriquement à la première par rapport à 1 ' axe .
Enfin, pour chacune de ces versions, une autre structure pourrait également être obtenue en multipliant la structure statorique par l'utilisation de plusieurs stators. On obtient ainsi une structure à plus de pôles extérieurs, avec plusieurs aimants, qui offre une course angulaire plus faible mais un couple plus important. On peut ainsi imaginer toute structure à (2N) pôles radiaux écartés angulairement de (360°/2N) , à N aimants.
La figure 26 représente une première version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur ». L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes: • 1 demi-aimant bague (100) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators . • 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (101, 102) de même diamètre. La bobine (103) sera située entre ces deux pôles, autour d'un noyau ferromagnétique.
• 1 stator composé de 2 pôles (104, 105) et d'une structure commune (108). Autour d'eux seront enroulées les bobines (106, 107) . Ces pôles (104, 105) seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, ce stator pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 1 bobine (106)
• 1 bobine (107)
Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante :
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(103), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée .
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (106, 107), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X. Une autre structure pourrait également être obtenue en multipliant la structure statorique extérieure suivant la figure 27. On obtient ainsi une structure à plus de pôles extérieurs (110, 111, 112, 113), avec plusieurs aimants (115, 116), qui offre une course angulaire plus faible mais un couple plus important. On peut ainsi imaginer toute structure à (2N) pôles radiaux. Ce principe de multiplication pourra également être appliqué à chaque structure cylindrique décrite dans ce texte. Une autre structure pourrait également être obtenue en n'utilisant qu'une seule bobine pour la création d'un moment de rotation. Les figures 28 et 29 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une telle version. Celle-ci consiste en un nouvel arrangement de la partie extérieure de l' actionneur permettant de n'avoir que 2 bobines. L' actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (120) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators .
• 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (121, 122) de même diamètre. La bobine (125) sera située autour de ce stator, entre les 2 pôles (121, 122) .
• 1 stator composé de 2 pôles (123, 124) et d'une structure commune. La bobine (126) entoure ce stator, entre les 2 pôles (123, 124). Ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, ce stator pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
• 1 bobine (125)
• 1 bobine (126) Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante: Si l'on impose un courant il dans la bobine
(125), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée. De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (126) , on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée . Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
Les figures 30 et 31 décrivent un actionneur de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur ». L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant bague (140) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators.
• 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (141, 142) de même diamètre. La bobine (143) sera située entre les 2 pôles. • 1 stator (2R) composé de 2 pôles (144, 145) et d'un noyau commun. La bobine (146) sera située entouré autour de ce noyau, entre les 2 pôles (144, 145) . Ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité • 1 bobine (143) • 1 bobine ( 146 )
Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe. Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(143), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée .
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (146), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée .
Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X. Notons qu'en réalisant le stator sous forme de quatre quarts de cylindres (150 à 153) autour desquels s'entourent 2 bobines (154, 155) (cf. Figure 32), on obtient une version 4 pôles en rotatif , de course réduite à moins de 90° mais fournissant un couple plus important. On aura alors 2 aimants de 90° de largeur angulaire.
Les figures 33 et 34 représentent des vues d'un actionneur spherique α-β et de son stator.
Plusieurs versions peuvent être imaginées. Les solutions définies ci-après seront définies par la situation (« intérieur » ou « extérieur ») des deux fonctions (rotation autour de 2 axes) assurées par
1 ' actionneur.
L ' a c t i onneur e s t c omp o s é de s par t i e s f onctionnelles suivantes : • 1 demi -aimant spherique ( 200 ) composé d ' une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse, ainsi que montré sur la figure (33) . • 1 culasse spherique creuse (201) en matériau magnétique à haute perméabilité • 1 stator composé de 4 pôles (202 à 205) de forme extérieure spherique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les quatre bobines (206 à 209). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques . • 4 bobines (206 à 209) , entourant le stator
Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose le même courant il dans les bobines (206) et (208) , on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de 1 ' axe X et 1 ' on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (207) et (209), on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée .
La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY. En effet : En alimentant (206) et (208) par un courant il, on crée un moment Mx
En alimentant (207) et (209) par un courant i2 , on crée un moment My
Alors, en alimentant (206) et (208) par il, (207) et (209) par i2 , on crée un moment Mx et un moment My.
Cet actionneur permet donc de créer des couples indépendants suivant deux axes orthogonaux.
La figure 35 représente une deuxième version d'un actionneur spherique. L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 demi-aimant spherique (210) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse, ainsi que montré sur la figure
(35) .
• 1 culasse spherique creuse (211) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (212 à 215) de forme extérieure spherique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (216, 217) . Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
• 2 bobines (216), et (217), croisées, entourant le stator
Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(216), on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de l'axe X et l'on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (217) , on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée .
La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY.
La figure 36 correspond à un autre arrangement de ce même système, plus facilement réalisable industriellement mais à plus faible course.
Les parties statoriques sont réalisées en forme de quart de secteur spherique (220 à 223) . Ils sont entourés par deux bobines (224, 225) .
Les figures 37 et 38 représentent des vues d'un actionneur spherique de type « Tout extérieur ».
Le principe de cette solution consiste à inverser l'architecture de l'actionneur précédent, en mettant la culasse et l'aimant à l'intérieur, les pôles statoriques à l'extérieur.
La première version de l'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes: • 1 aimant en forme de calotte spherique (230) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. • 1 culasse spherique (231) en matériau magnétique à haute perméabilité • 1 stator composé de 4 pôles (232 à 235) de forme extérieure en quart de cylindre et de forme intérieure spherique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (236 à 239). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 4 bobines (236 à 239) , entourant le stator, 2 par axe de rotation Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur est en tout point le même que celui du premier actionneur spherique présenté dans ce texte.
Les figures 39 et 40 représentent une deuxième version d'un actionneur spherique de type « tout extérieur ».
L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 aimant en forme de calotte spherique (250) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement.
• 1 culasse spherique (251) en matériau magnétique à haute perméabilité
• 1 stator composé de 4 pôles (252 à 255) de forme intérieure spherique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (256, 257) . Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques .
• 2 bobines (256, 257), entourant le stator, 1 par axe de rotation Le fonctionnement de cet actionneur est en tout point le même que celui de l'actionneur spherique présenté en figures 35 et 36.
Les figures 41 et 42 représentent des vues de trois quart face et en coupe partielle d'un actionneur hybride (intérieur & extérieur) . L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
• 1 aimant en forme de calotte spherique (260) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators
• 1 stator intérieur, de formes extérieures sphériques, en matériau magnétique à haute perméabilité. Il présente 2 pôles (261, 262) reliés par un noyau autour duquel est enroulée la bobine (265) .
• 1 stator extérieur composé de 2 pôles (263, 264) de forme intérieure spherique reliés par un noyau autour duquel sera enroulée la bobine (266) . Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité.
• 1 bobine (266) , entourant le stator extérieur
• 1 bobine (265) , entourant le stator intérieur
Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
Si l'on impose un courant il dans la bobine
(266), on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de 1 ' axe X et 1 ' on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée .
De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (265) , on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY. Chacun des systèmes électromagnétiques ci- dessus pourra être couplé avec des capteurs de position dimensionnels sans contact.
On obtiendra alors un ensemble « capteur - actionneur » permettant d'assurer deux fonctions dans un même volume et ainsi de travailler en boucle fermée.
Pour cela, on devra séparer les parties fer entre les pôles des stators (à savoir celles autour desquelles on vient entourer les bobines, généralement nommées « noyau » tout au long de ce brevet) au moyen d'une fente.
On viendra alors positionner dans la dite fente un élément sensible aux champs magnétiques (par exemple une sonde à effet Hall) . Les figures 43 et 44 illustrent l'application de ce principe sur un actionneur XY plan.
Le capteur de position permet de mesurer les variations de flux créées par un aimant mobile dans un entrefer. Le stator est constitué de quatre parties rectangulaires (300 à 303) entourées par quatre bobines
(310 à 313). Un aimant mince (305) aimanté transversalement est placé dans l'entrefer principal (307) formé entre le stator et la culasse (306) . Quatre sondes de Hall (320 à 323) sont placées dans les entrefers secondaires entre les parties statoriques (300 à 303).
Dans l'architecture décrite, les sondes mesureront une variation de flux due et au déplacement de l'aimant et au courant circulant dans les bobines. Il nous faut donc « écarter » ce flux dû au courant. Cela pourra être fait de deux façons :
En mesurant le courant dans les bobines et en calculant le flux induit par le courant pour le soustraire à la valeur mesurée. En effet, le flux total est la somme du flux dû au courant et du flux dû à l'aimant (Φt = Φni + Φa = A. ni + Φa) . En connaissant l'impédance A du circuit magnétique et le courant dans les bobines, on peut aisément calculer Φa. L'intensité peut être mesurée par tout moyen imaginable (en relevant par exemple la chute de tension aux bornes d'une résistance d'échantillonnage traversée par le dit courant) .
En alternant les fonctions « capteur » et « actionneur ». Pendant un intervalle de temps donné, onalimentera les bobines afin de produire la force (ou le couple) désiré, et, pendant l'intervalle suivant, on supprimera l'alimentation des bobines pour ne plus mesurer que le flux dû à l'aimant. On aura ainsi une force intermittente qui pourra être utilisable pour des fonctions type joystick.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Actionneur bidirectionnel comportant au moins une structure statorique excitée par une bobine électrique, et un aimant mobile dans un entrefer principal, caractérisé en ce que la structure statorique est composée de deux paires de pôles statoriques (1 à 4) , chacune des paires de pôles étant entourée par au moins une bobine électrique, la structure statorique définissant au moins un premier entrefer secondaire (6, 8) pour le déplacement de l'aimant mobile unique (14) par rapport à un premier degré de liberté, et un deuxième entrefer secondaire (7, 9) pour le déplacement de l'aimant mobile unique (14) par rapport à un deuxième degré de liberté.
2 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant mobile est solidaire de la culasse.
3 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure statorique est composée de 4 pôles en un matériau magnétique doux définissant entre eux deux paires d'entrefers secondaires se croisant en un point médian et en ce que l'entrefer principal (10) est plan.
4 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 3 caractérisé en ce que les pôles statoriques sont constitués par 4 pièces rectangulaires entourées chacune par une bobine électrique et définissant entre elles deux paires d'entrefers secondaires perpendiculaires.
5 - Actionneur bidirectionnel selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport L/E entre l'épaisseur L de l'aimant et l'épaisseur E de l'entrefer est compris entre 1 et 2.
6 - Actionneur bidirectionnel selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les dimensions des entrefers secondaires sont C-L+E et C2+E, où Cj_ et C2 désignent la course de l'aimant mobile selon les deux directions des entrefers secondaires et en ce que les dimensions de l'aimant sont Cj+dj+E et C2+d2+E, où dx et d2 désignent les largeurs des entrefers secondaires.
7 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure statorique est composée de deux pièces statoriques disposées de part et d'autre de l'aimant, chacune des pièces statoriques présentant une paire de pôles statoriques, la paire de pôles statoriques de l'une des pièces étant orientée perpendiculairement à la paire de pôles statoriques de l'autre pièce statorique.
8 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique formée de 4 pôles statoriques en forme de portions de cylindres, présentant un premier entrefer secondaire dans le plan médian longitudinal, dans lequel est placé au moins une première bobine électrique entourant au moins un noyau ferromagnétique, et un deuxième entrefer secondaire dans le plan transversal, dans lequel est placé une deuxième bobine électrique entourant un noyau ferromagnétique . 9 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique extérieure formée de 4 pôles statoriques présentant une surface concave définissant l'entrefer principal avec la culasse cylindrique placée à l'intérieur de l'aimant, chacun des quatre pôles statoriques étant entouré par une bobine électrique. 10 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique constituée par une première pièce statorique extérieure pour le déplacement selon un premier degré de liberté, et une deuxième pièce statorique intérieure pour le déplacement selon un degré de liberté, chacune des pièces statoriques comportant au moins une bobine électrique d'excitation.
11 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme spherique et est mobile en rotation spherique par rapport à une structure statorique en forme de calotte spherique formée de 4 pôles statoriques en forme de secteur de calotte, comportant deux bobines logées dans des rainures périphériques dont les plans médians sont perpendiculaires .
12 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme spherique et est mobile en rotation spherique par rapport à une structure statorique de forme tubulaire formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de tube, entourés par une bobine électrique . 13 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'entrefer principal est de forme spherique.
14 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme spherique et est entouré par une culasse spherique, et est mobile en rotation spherique autour d'une structure statorique de forme spherique ou demi-spherique formée de 4 pôles statoriques en forme de quart ou de huitième de sphère . 15 - Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme spherique et est entouré par une culasse formée de deux pièces en forme de demi-sphères ou de quart de sphère, et est mobile en rotation spherique autour d'une structure statorique formé de deux pièces statoriques demi- sphériques .
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