FR2648637A1 - Linear electromagnetic actuator - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a linear actuator comprising a translationally mobile magnetised thin blade 3 inside an air gap defined by a first magnetic circuit 1 and a second magnetic circuit 2. Guidance is ensured by a single pin 14. Application: linear motor for valve, disc reader, various equipment.

Description

ACTIONNEUR LINEAIRE ELECTROMAGNETIQUE. ELECTROMAGNETIC LINEAR ACTUATOR.

La présente invention concerne un actionneur linéaire électromagnétique monophasé du type comportant un organe mobile et une structure statorique. L'organe mobile comprend une lame mince présentant au moins une partie aimantée transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction de translation dudit orgar.e mobile. Des moyens de guidage assurent le positionnement de l'organe mobile à l'intérieur de l'entrefer de la structure statorique. Cette structure statorlque est constituée par un premier circuit $magnétique de très haute perméabilité comportant au moins une bobine électrique d'excitation, et par un deuxième circuit magnétique de très haute perméabilité. Ce deuxième circuit magnétique peut également comporter une bobine électrique d'excitation, ou au contraire ocrer un simple circuit passible de fermeture des flux magnétiques.
e tels actionneurs existent dans l'état de l'art, et en particulier étaient décrits dans la demande de brevet PCT n 870063 déposée le ler juin 1987 sous priorité de la demande de brevet suisse n 222886 déposée le 2 juin 1986.The present invention relates to a single-phase electromagnetic linear actuator of the type comprising a movable member and a stator structure. The mobile member comprises a thin blade having at least one transversely magnetized part, that is to say perpendicular to the direction of translation of said mobile orgar.e. Guide means ensure the positioning of the movable member inside the air gap of the stator structure. This stator structure is constituted by a first magnetic circuit $ of very high permeability comprising at least one electric excitation coil, and by a second magnetic circuit of very high permeability. This second magnetic circuit can also include an electric excitation coil, or on the contrary octer a simple circuit capable of closing the magnetic fluxes.
e such actuators exist in the state of the art, and in particular were described in the PCT patent application No. 870063 filed on June 1, 1987 under priority of the Swiss patent application No. 222886 filed on June 2, 1986.

Le guidage de l'organe mobile de tels actionneurs pose néanmoins quelques problèmes. En effet, les aimants les réalisés ~a-.s des alliages de haute performance magnétique tel que le néodyne présentent des coefficients de dilatation négatifs. Par ailleurs, les éléments de guldage,par exemple des rails latéraux, présentent un coefficient de dilatation positif ou au mieux nul pour certains alliages modernes tel que l'INVAR (Marque déposée). Ces phénomènes de dilatation viennent donc s additionner et il est par conséquence extrêmement difficile d'assurer un guidage précis et sans jeu de l'organe mobile, compte tenu des tolérances très faibles admises pour ce type d'actionneur, Par ailleurs, les moyens de guidage mis en oeuvre dans l'état de la technique ne présentent qu'une étanchéité imparfaite. De ce fait, des poussières peuvent pénétrer dans l'entrefer et à terme gêner le déplacement de l'organe mobile à l'intérieur de la structure statorique. The guidance of the movable member of such actuators nevertheless poses some problems. Indeed, the magnets made ~ a-.s of high magnetic performance alloys such as neodyn have negative expansion coefficients. In addition, the guldage elements, for example side rails, have a positive expansion coefficient or at best zero for certain modern alloys such as INVAR (registered trademark). These expansion phenomena are therefore added together and it is consequently extremely difficult to ensure precise guidance and without play of the movable member, taking into account the very small tolerances allowed for this type of actuator. Furthermore, the means of guidance implemented in the prior art have only an imperfect seal. As a result, dust can enter the air gap and ultimately hinder the movement of the movable member inside the stator structure.

L'objet de la présente invention est de proposer un actionneur électromagnétique remédiant à ces inconvénients. L'invention vise plus particulièrement à réaliser un guidage précis de l'organe mobile independamment des problèmes de dilatation. The object of the present invention is to provide an electromagnetic actuator which overcomes these drawbacks. The invention more particularly aims to achieve precise guidance of the movable member independently of the expansion problems.

La présente invention concerne plus particulièrement un actionneur linéaire du type comportant un organe mobile comprenant une lame mince présentant au moins une partie aimantée transversalement, perpendiculairement à la direction de translation dudit organe mobile, des moyens de guidage mobile, des moyens ce guldage dudit organe mobile ainsi qu'une structure statorique constituée par un premier circuit magnétique de très haute perméabilité comportant au moins une bobine électrique d'excitation et par un deuxième circuit magnétique de très haute perméabilité. Les circuits magnetiques définissent entre eux un entrefer mince dans lequel se déplace l'organe mobile. L'organe mobile comporte un axe disposé selon la direction de translation, ce= axe étant positionne cans le slan perpendiculaire à son axe longitudinal à l'aide d'au moins un élément de guidage. La liaison entre ledit axe et ladite lame mince se fait le long d'une zone de raccordement unique de faible largeur. The present invention relates more particularly to a linear actuator of the type comprising a movable member comprising a thin blade having at least one magnetized part transversely, perpendicular to the direction of translation of said movable member, movable guide means, means for this said movable member as well as a stator structure constituted by a first magnetic circuit of very high permeability comprising at least one electric excitation coil and by a second magnetic circuit of very high permeability. The magnetic circuits define between them a thin air gap in which the movable member moves. The movable member has an axis arranged in the direction of translation, this = axis being positioned in the slan perpendicular to its longitudinal axis using at least one guide element. The connection between said axis and said thin strip is made along a single connection area of small width.

La lame mince est avantageusement collée sur l'axe, ou appliquée sur l'axe Far une lame flexible sous tension présentant en section transversale axiale une forme concave. The thin blade is advantageously glued to the axis, or applied to the axis Far a flexible blade under tension having in axial cross section a concave shape.

Le guidage de l'organe mobile réalisé selon la présente invention évite un blocage des deux extrémités de la lame mince. De ce fait, la dilatation n'influe pas sur la mobilité de la lame mince. The guidance of the movable member produced according to the present invention avoids blocking of the two ends of the thin blade. Therefore, the expansion does not affect the mobility of the thin blade.

Avantageusement, la structure statorique est constituée de deux circuits magnétiques identiques disposés symétriquement Far rapport au plan médian de l'actionneur.  Advantageously, the stator structure consists of two identical magnetic circuits arranged symmetrically with respect to the median plane of the actuator.

I1 est ainsi possible de réduire le coût de production de tels actionneurs linéaires. It is thus possible to reduce the production cost of such linear actuators.

Avantageusement, l'un au moins des circuits magnétiques présente une cavité longitudinale d'une section supérieure à la section de l'axe solidaire de l'organe mobile. Advantageously, at least one of the magnetic circuits has a longitudinal cavity with a section greater than the section of the axis secured to the movable member.

Selon un mode de réalisation particulier, l'un au moins des circuits magnétiques comprend un bobine électrique auxiliaire. According to a particular embodiment, at least one of the magnetic circuits comprises an auxiliary electric coil.

Cette bobine auxiliaire constitue un capteur de vitesse permettant d'asservir le déplacement de l'organe mobile. Les éventuels perturbations des phénomènes électromagnétiques existants au niveau de la bobine principale assurant la translation de l'organe mobile se retrouvent de façon identique au niveau de cette bobine auxiliaire. En conséquence, le courant généré dans cette bobine auxiliaire est une reproduction exacte des effets crées par la bobine principa
Avantageusement, l'épaisseur de l'entrefer est déterminée par une entretoise rigide disposée entre le premier et le second circuit magnétique, à l'extérieur de la zone parcourue par l'organe colle. Cette entretoise peut en particulier être réalisée sous forme d'une goupille longitudinale en corde à piano.This auxiliary coil constitutes a speed sensor making it possible to control the movement of the movable member. Any disturbances of the electromagnetic phenomena existing at the level of the main coil ensuring the translation of the movable member are found in an identical manner at the level of this auxiliary coil. Consequently, the current generated in this auxiliary coil is an exact reproduction of the effects created by the main coil.
Advantageously, the thickness of the air gap is determined by a rigid spacer placed between the first and the second magnetic circuit, outside the zone traversed by the adhesive member. This spacer can in particular be produced in the form of a longitudinal pin of piano wire.

Selon un mode de réalisation avantageux, la lame aimantée est réalisée e un alliage ferromagnêtique revêtu d'une couche de protection anti-oxydante à faible coefficient de frottement. Cette couche de protection est, selon un mode de réaiisation particulier, réalisée en parylène pur. According to an advantageous embodiment, the magnetized blade is made of a ferromagnetic alloy coated with an antioxidant protective layer with a low coefficient of friction. This protective layer is, according to a particular embodiment, made of pure parylene.

Dans la description qui va suivre, un exemple de réalisation, non limitatif, fera ressortir plus clairement les caractéristiques, avantages et possibilités d'application, de l'invention. Cette description sera illustrée par les dessins dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue en coupe du dispositif,
- la figure 2 représente une vue de face du premier circuit magnétique,
- la figure 3 représente une vue de face de l'organe mobile,
- la figure 4 représente une vue en coupe transversale de l'organe mobile.In the description which follows, a nonlimiting exemplary embodiment will bring out more clearly the characteristics, advantages and possibilities of application of the invention. This description will be illustrated by the drawings in which:
FIG. 1 represents a sectional view of the device,
FIG. 2 represents a front view of the first magnetic circuit,
FIG. 3 represents a front view of the movable member,
- Figure 4 shows a cross-sectional view of the movable member.

- la figure 5 représente une vue en perspective d'une pièce de guidage. - Figure 5 shows a perspective view of a guide piece.

La figure ' représente une vue e coupe médiane de l'actionneur selon l'invention. Cet actionneur comporte un premier circuit magnétique (1), un deuxième circuit magnétique (2) ainsi qu'un organe mobile (3). Le premier circuit magnétique, représenté plus en détail dans la figure 2, est constitué par une pièce en matériau magnétique doux, massif ou éventuellement par un empilement de tôles de très haute perméabilité magnétique. Il comporte des rainures (3,
4, 5, 6) permettant de loger une bobine prinoipale (7) et une bobine auxiliaire (8). La bobine principale (7), définit triois pôles (9, 10, 11) du stator representè sur la figure 2. Avantageusement, le stator est constitué en fer pur, par exemple en fer Armco..The figure 'represents a view and median section of the actuator according to the invention. This actuator comprises a first magnetic circuit (1), a second magnetic circuit (2) and a movable member (3). The first magnetic circuit, shown in more detail in FIG. 2, is constituted by a piece of soft, solid magnetic material or possibly by a stack of sheets of very high magnetic permeability. It has grooves (3,
4, 5, 6) for housing a main coil (7) and an auxiliary coil (8). The main coil (7) defines three poles (9, 10, 11) of the stator shown in Figure 2. Advantageously, the stator is made of pure iron, for example Armco iron.

A titre d'exemple, la bobine (@) est réalisée en fil thermo-adhérant, d'un diamètre de 0,16 mm. Le bobinage est d'une longueur moyenne de 30 mm et d'une haute@@ moyenne de 8 mm. La bobine est constitué de 195 spires
La bobine auxiliaire (8) est constituée par du fil thermo-adhérant d'un diamètre de 0,11 mm, bobiné sur 162 spires, selon un exemple réalisé par la demanderesse, la longueur de cette bobine (8) est de 6 mm et la hauteur moyenne de 8 mm également.For example, the coil (@) is made of thermo-adhesive wire, with a diameter of 0.16 mm. The winding has an average length of 30 mm and an average high of 8 mm. The coil consists of 195 turns
The auxiliary coil (8) is constituted by thermo-adhering wire with a diameter of 0.11 mm, wound on 162 turns, according to an example produced by the applicant, the length of this coil (8) is 6 mm and the average height of 8 mm also.

Les fils de liaison de la bobine principale (7) et de la bobine auxiliaire (9) sont raccordes à un circuit imprimé (12) sur lequel peut être soudé un connecteur de type connu en soi. The connecting wires of the main coil (7) and the auxiliary coil (9) are connected to a printed circuit (12) on which a connector of known type can be soldered.

L'organe mobile a été représenté en figures 3 et 4. Il est constitué par une lame mince (13) et d'un axe perpendiculaire (14). Dans l'exemple décrit, la lame mince
(13) présente quatre zones (15, 16, 1T, 18) aimantées transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan généré par la translation de l'organe mobile. Deux bandes aimantées @uxtaposées son= aimantées dans des sens opposés.The movable member has been shown in Figures 3 and 4. It consists of a thin blade (13) and a perpendicular axis (14). In the example described, the thin blade
(13) has four zones (15, 16, 1T, 18) magnetized transversely, that is to say perpendicular to the plane generated by the translation of the movable member. Two magnetic strips @ uxtaposed sound = magnetized in opposite directions.

La hauteur d'une bande aimantée (15, 16, 17, 18) correspond sensiblement à la hauteur pole statorique (o, 10, 11) augmentée de la auteur de l'encoche entre deux piles adjacents. Cette lame mince (11) est fixée sur l'axe (14) d'une part par collage, et d'autre part par application d'un ressort cambré (35) maintenu par deux pièces de fixation
(19, 20). La dilatation de la lame mince au niveau de la zone de collage sur l'axe (14) est insuffisante pour provoquer un cisaillement de la colle. Même si la colle devait se dégrader dans le temps, le ressort (35) assurerait une solidarisation suffisante de la lame mince avec l'axe
(14). L'axe (14) est mobile en translation à l'intérieur d'une cavité (21) de section légèrement supérieur à la section de l'axe.The height of a magnetic strip (15, 16, 17, 18) corresponds substantially to the height of the stator pole (o, 10, 11) increased by the author of the notch between two adjacent stacks. This thin blade (11) is fixed on the axis (14) on the one hand by gluing, and on the other hand by application of a cambered spring (35) held by two fixing parts
(19, 20). The expansion of the thin blade at the level of the bonding zone on the axis (14) is insufficient to cause shearing of the adhesive. Even if the adhesive should degrade over time, the spring (35) would ensure sufficient securing of the thin blade with the axis
(14). The axis (14) is movable in translation inside a cavity (21) of section slightly greater than the section of the axis.

Le premier circuit magnétique (1) présente une cavité symétrique par rapport au plan médian. Cette cavité permet la mise en place des bobinages. The first magnetic circuit (1) has a cavity symmetrical with respect to the median plane. This cavity allows the positioning of the windings.

Une goupille longitudinale (23) définit la taille de l'entrefer. A longitudinal pin (23) defines the size of the air gap.

L'axe (14) est positionné à l'aide d'une pièce de guidage (25) représentée n figure 5. Cette pièce de guidage (25) comporte un orifice (26) dans leguel est introduite une bague d'étanchéité (27) assurant le coulissement de l'axe (14). Les dimensions de cette pièce (25) correspondent aux dimensions des cavités (2i) des circuits magnéti rues (1, 2). ans ia partie inférieur de la pièce, ceux ergots (28) assurent le positionnement latéral de la pièce guidage. Ces ergots (28) coopèrent avec des cavités complémentaires, prévues sur les circuits magnétiques (1, 2). Un ergot central (29) assure le positionnement transversal de la pièce de guidage (25) ainsi que l'écartement des circuits (1, 2). La largeur des ergots correspond à la dimension de l'entrefer.  The axis (14) is positioned using a guide piece (25) shown in FIG. 5. This guide piece (25) has an orifice (26) in it is introduced a sealing ring (27 ) ensuring the sliding of the axis (14). The dimensions of this part (25) correspond to the dimensions of the cavities (2i) of the magneti streets circuits (1, 2). In the lower part of the part, those lugs (28) ensure the lateral positioning of the guide part. These pins (28) cooperate with complementary cavities, provided on the magnetic circuits (1, 2). A central lug (29) ensures the transverse positioning of the guide piece (25) as well as the spacing of the circuits (1, 2). The width of the pins corresponds to the dimension of the air gap.

L'axe de l'organe mobile comporte une partie centrale à Section carrée permettant la fixation de la lame mince (13) ainsi qu'une tige cylindrique (30) coulissant dans le barillet d'étanchéité. L'étendue de la course de l'organe mobile peut être modifiée à la jonction d'une ou de plusieurs rondelles à l'une ou à l'autre des extrémités de l'axe (i4). The axis of the movable member comprises a central part with a square section allowing the fixing of the thin blade (13) as well as a cylindrical rod (30) sliding in the sealing barrel. The extent of the travel of the movable member can be modified at the junction of one or more washers at one or the other of the ends of the axis (i4).

L'axe central laisse subsister un degré de liberté en rotation. Le jeu angulaire de l'axe central est limité par le frottement de l'extrémité (33) de l'aimant la plus éloignée de l'axe, sur les pâles du stator. Cette force de frottement est négligeable dans la mesure où la partie aimantée est recouverte par une pellicule de matériau tel qu du parylène. Le jeu moyen entre l'aimant mince at les pâles est de l'ordre de 0,1 millimètre. Le jeu angulaire oui en résulte est donc extrëmenent réduit. The central axis leaves a degree of freedom in rotation. The angular play of the central axis is limited by the friction of the end (33) of the magnet furthest from the axis, on the blades of the stator. This friction force is negligible insofar as the magnetized part is covered by a film of material such as parylene. The average clearance between the thin magnet and the blades is of the order of 0.1 millimeter. The angular play yes resulting therefrom is therefore extremely reduced.

L'ensemble de la structure statorique est encapsulé dans un boîtier de protection rigide. The entire stator structure is encapsulated in a rigid protective housing.

Afin de préserver l'étanchéitè, le boitier est constitué de deux demi coquilles symétriques assemblées par serrage. Les espaces vides sont comblés par des matériaux déformables élastiquement, formant des joints. In order to preserve the seal, the case consists of two symmetrical half shells assembled by tightening. The empty spaces are filled with elastically deformable materials, forming joints.

La présente invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif. Il est bien entendu que l'homme du métier sera à même de réaliser de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention.  The present invention is described in the foregoing by way of nonlimiting example. It is understood that a person skilled in the art will be able to produce numerous variants without departing from the scope of the invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1 - Actionneur linéaire monophasé du type comportant un organe mobile comprenant une lame mince présentant au mcir.s une partie aimantée transversalement, perpendiculaire à la direction de translation dudit organe mobile, des moyens de guidage dudit organe, ainsi qu'une structure statorique constituée par un premier circuit magnétique de très haute perméabilité comportant au moins une bobine électrique d'excitation et par un deuxième circuit magnétique de très haute perméabilité, lesdits circuits magnétiques définissant entre eux un entrefer mince dans lequel se déplace ledit organe mobile, la lame mince aimantée (3) étant fixée sur un axe (14) unique disposé parallèlement à la direction de tra@@@lation de l'organe mobile (3), ledit axe (14) coopérant avec au moins un élément de guidage, la liaison entre ledit axe (14) et ladite lame min@e (23) se faisant le long d'une zone de raccordement unique de faible largeur. 1 - Single-phase linear actuator of the type comprising a movable member comprising a thin blade having at the mcir.s a transversely magnetized part, perpendicular to the direction of translation of said movable member, means for guiding said member, as well as a stator structure constituted by a first magnetic circuit of very high permeability comprising at least one electric excitation coil and by a second magnetic circuit of very high permeability, said magnetic circuits defining between them a thin air gap in which said movable member moves, the thin magnetic blade ( 3) being fixed on a single axis (14) arranged parallel to the direction of travel of the movable member (3), said axis (14) cooperating with at least one guide element, the connection between said axis (14) and said min @ e blade (23) being made along a single connection area of small width. 2 - Actionneur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en se que la lame mince (3) est collée sur ledit axe (14). 2 - Linear actuator according to claim 1, characterized in that the thin blade (3) is bonded to said axis (14). 3 - Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la lame mince (3) est appliquée sur l'axe (14) par une lame (35) flexible sous tension présentant une section transversale axiale concave. 3 - Linear actuator according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the thin blade (3) is applied to the axis (14) by a flexible blade (35) under tension having a concave axial cross section. 4 - Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caracterisé en ce que la structure statorique est constituée par deux circuits magnétiques (1, 2) identiques disposés symétriquement par rapport au plan médian de l'actionneur. 4 - Linear actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that the stator structure consists of two identical magnetic circuits (1, 2) arranged symmetrically with respect to the median plane of the actuator. 5 - Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des circuits magnétiques (1, 2) présente une cavité longitudinale (21) d'une section supérieure à la section de l'axe (14).  5 - Linear actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the magnetic circuits (1, 2) has a longitudinal cavity (21) of a section greater than the section of the axis ( 14). 6 - Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des circuits magnétique (1, 2) comprend une bobine électrique auxiliaire (8) 6 - Linear actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the magnetic circuits (1, 2) comprises an auxiliary electric coil (8) 7 - Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'entrefer est déterminée par une entretoise (23) rigide disposée entre le premier circuit magnétique (1) et le second circuit magnétique (2), à l'extérieur de la zone parcourue par l'organe mobile (3). 7 - Actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the air gap is determined by a rigid spacer (23) disposed between the first magnetic circuit (1) and the second magnetic circuit (2), outside the area traversed by the movable member (3). 8 - Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la lame mince (3) est réalisée en un matériau aimanté revetu d'une couche de protection anti-oxydante et anti-adhésive. 8 - Linear actuator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the thin blade (3) is made of a magnetic material coated with an anti-oxidant and anti-adhesive protective layer. 9 - Actionneur linéaire selon la revendication 8, caractérisé er. ce que la lame mince (3) e ouverte d'une couche de paryléne.  9 - Linear actuator according to claim 8, characterized er. what the thin blade (3) is open with a layer of parylene.
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