FR2668646A1 - Procede de fabrication d'un actionneur electromagnetique et actionneur ainsi realise. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique du type comportant une structure statorique (1) formée de deux parties (2), (3) définissant entre elles un entrefer (4) cylindrique dans lequel se déplace un aimant mobile mince (5) de forme cylindrique. La structure statorique (1) est couplée à au moins une bobine électrique d'excitation (6). le procédé selon l'invention consiste à réaliser d'une part une structure statorique (1) par empilage de tôles découpées, et d'autre part à former la bobine électrique (6) d'un noyau (7), l'ensemble ainsi réalisé étant ensuite introduit par glissement selon un axe longitudinal dans une cavité (12) s'ouvrant sur l'entrefer (4). Appications: actionneurs pour lecteur de disque dur.

Description

Procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique et actionneur ainsi réalisé.

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique comportant une structure statorique formée de deux parties définissant entre elles un entrefer cylindrique dans lequel se déplace un aimant mobile mince de forme cylindrique. La structure statorique est couplée à au moins une bobine électrique d'excitation. De tels actionneurs sont en particulier décrits dans la demande de brevet PCT/CH/87/00063 ou la demande de brevet PCT 87/07757.

L'invention consiste à préparer d'une part la structure statorique, et d'autre part de former la bobine électrique autour d'un noyau, l'ensemble ainsi réalisé étant ensuite introduit par glissement selon un axe sensiblement longitudinal dans une cavité s'ouvrant sur l'entrefer. La forme de ladite cavité est complémentaire de la forme du noyau muni de sa bobine électrique. Le noyau ainsi bobiné coopère avec l'entrefer, la liaison entre ledit noyau et la structure statorique s'effectuant par la partie du noyau opposée à l'entrefer.

Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux en ce que les différentes étapes sont faciles à mettre en oeuvre par des outillages simples et fiables, ce qui permet de réduire sensiblement le coût de fabrication des actionneurs ainsi réalisés et de se prêter à une fabrication en grande série. En particulier, le bobinage autour d'un noyau libre est nettement plus facile à réaliser que la mise en place d'une bobine à l'intérieur d'une structure statorique ne présentant qu'une fente étroite d'introduction du fil destiné à former le bobinage.

Selon une variante, on réalise une bobine autoporteuse de façon connue, par exemple en bobinant des fils revètue d'une enveloppe thermoadhérante. La bobine ainsi réalisée est ensuite enfilée sur le noyau. A cet effet, le noyau présente trois segments successifs, de dimnsions décroissantes lorsque l'on s'éloigne de l'entrefer. Le premier segment constitue le pôle central de la structure statorique, le deuxième segment de section inférieure ou égale à la section du pôle central constitue le noyau de la bobine et le troisième segment de section inférieure constitue les moyens de liaisons magnétiques et mécanique du noyau avec la structure statorique.

Le procédé de fabrication selon l'invention permet en outre de réduire de façon optimale la distance entre le pôle central de la partie du stator portant la bobine, et les pôles latéraux de la partie statorique complémentaire, ce qui a pour effet de réduire nettement les perturbations du champ magnétique se produisant au niveau de ces zones. Enfin, le les moyens complémentaires permettent de définir très précisement la largeur de l'entrefer au niveau du pôle central.

Avantageusement, le noyau muni de la bobine est solidarisé par collage avec la structure statorique après mise en place du noyau dans la structure statorique.

De préférence, le noyau et la structure statorique sont formés par empilage de tôles.

La présente invention concerne également un actionneur électromagnétique réalisé conformément au procédé faisant l'objet de la présente invention.

L'actionneur ainsi réalisé est caractéristique en ce que le noyau présente à sa face arrière opposée à l'entrefer des moyens de liaison complémentaires avec des moyens prévus dans la structure statorique, lesdits moyens permettant un déplacement selon un axe longitudinal seulement. L'axe longitudinal est défini dans le cadre du présent brevet comme l'axe perpendiculaire au plan des tôles. Les moyens complémentaires précités assurent d'une part le joint magnétique entre le noyau et la structure statorique, et d'autre part la solidarisation mécanique du noyau avec la structure statorique permettant entre autre de définir de façon rigide l'entrefer au niveau du pôle central. De préférence, la face arrière du noyau présente une protubérance cylindrique présentant au moins une zone divergente par rapport à un plan de symétrie médian.

Par "cylindrique" au sens du présent brevet, il faut entendre toute forme engendrée par le déplacement d'une génératrice selon un chemin continu quelconque, ledit chemin pouvant présenter des changements d'orientation non continus. Ainsi, une protubérance dont la section est de forme trapézoidale sera considérée comme cylindrique. De même un parallélépipède est considéré comme cylindrique.

Selon un mode de réalisation avantageux, les deux parties de la structure statorique disposées de part et d'autre de la fente correspondant à l'entrefer ne sont reliées que par deux zones disposées de part et d'autre de ladite fente, la longueur desdites zones étant inférieure à 0,5 E, E désignant la largeur de l'entrefer.

De préférence, la longueur des zones disposées aux extrémités de ladite fente est inférieure à 1 millimètre, de 1 l'ordre de 0,5 millimètres. Ce mode de réalisation permet de maintenir le champ engendré par la bobine dans l'entrefer, en l'absence d'aimant, constant très près de l'extrémité de l'entrefer, et donc d'augmenter la course à couple constant de l'organe mobile
Avantageusement, l'extrémité de la fente est arrondie.

Selon une variante préférée, l'entrefer présente au niveau de la fente séparant un des bords latéraux du noyau et le bord correspondant de la structure statorique une zone dans laquelle la distance entre les deux bords opposés de l'entrefer est minimale.

Avantageusement, le bord de l'entrefer opposé à la fente séparant un des bords latéraux du noyau et le bord correspondant de la structure statorique présente une protubérance sensiblement symétrique par rapport au plan longitudinal passant par la dite fente, ladite protubérance ayant une longueur sensiblement égale à E et une largeur maximale au plus égale à 0,1 E, E désignant la largeur de l'entrefer.

Outre la facilité de fabrication de tels actionneurs et leur coût de fabrication réduit exposés précédemment, les actionneurs selon certains modes de réalisation particuliers présentent des performances avantageuses.

Les actionneurs selon l'invention permettent notamment d'obtenir une course maximale avec un encombrement minimal dans la direction de déplacement de l'organe mobile. Cet encombrement réduit peut être obtenu même lorsque le procédé de fabrication de l'aimant impose une épaisseur d'aimant et d'entrefer non optimale. De telles conditions se présentent par exemple pour des applications telles que des moteurs de bras porte-tête pour lecteur de disque dur pour ordinateur.

Dans les actionneurs connus dans l'état de l'art, notamment décrit par les brevets PCT susmentionnés, la course à couple constant restait nettement inférieure à la largeur des pôles, et au mieux se rapprochait de la largeur des pôles lorsque la largeur de l'entrefer était très faible, condition qu'il n'est pas toujours facile de vérifier pour des problème de procédé de fabrication de l'aimant mince. Dans tous les cas connus dans l'art antérieur, la course est limité à la largeur des pôles réduite de la moitié de la largeur de l'entrefer. Le couple cesse toutefois d'être constant à l'extrémité du chemin parcouru par l'aimant mobile. En pratique, la course de l'aimant mobile correspondant à une caractéristique de couple constant est limité à la largeur des pôles réduites du double de la largeur de l'entrefer, ce qui conduisait dans l'art antérieur à des encombrement rédhibitoires pour une course utile imposée.

La présence des zones faisant l'objet du présent mode de réalisation permet d'augmenter de façon significative la course utile et par conséquence de réduire l'encombrement de l'actionneur selon la présente invention.

Selon une autre variante, le bord de l'entrefer présente au niveau de la fente séparant un des bords latéraux du noyau et le bord correspondant de la structure statorique au moins une corne polaire d'une largeur au plus égale à 0,1 E et d'une longueur sensiblement égale à (E-W)/2, W désignant la longueur de ladite fente. Ces modes de réalisation permettent d'augmenter la course utile de l'organe mobile en compensant les perturbations du champ magnétique provoquées par la fente séparant le noyau de la structure statorique.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, s'appuyant sur les dessins où:
- la figure 1 représente une vue de l'actionneur en coupe transversale
- la figure 2 représente une vue de l'actionneur en coupe longitudinale
- la figure 3 représente une vue d'un détail de la figure 1.

L'actionneur représenté en figure 1 est constitué par une structure statorique (1) formé de deux parties (2) et (3) complémentaires définissant entre elles un entrefer (4). Un aimant mince (5) en forme de tuile est mobile à l'intérieur de l'entrefer (4). Une bobine d'excitation (6) entoure un noyau (7) solidaire de l'une des parties (2) de la structure statorique (1).

La structure statorique est constituée par un empilement de tôles en alliage de fer-silicium à faible perte. Ces tôles sont solidarisées selon des techniques connues par collage, rivetage ou soudure le long de lignes longitudinales. Elles sont découpées de façon connue afin de présenter des ouvertures (8 à 11) pour le passage des rivets, de goupilles de centrage et/ou éventuellement des vis de fixation de l'actionneur sur un support. Une autre découpe (12) correspond à l'emplacement du noyau (7) muni de sa bobine (6). Cette découpe (12) s'ouvre sur la découpe correspondant à l'entrefer (4) . Toutes les tôles d'un actionneur présentent les mêmes découpes, et peuvent en conséquence être produites de façon industrielle à un coût réduit.En outre, les techniques de découpe assurent une grande précision permettant de réaliser des actionneurs miniaturisés de grande qualité.

Le noyau (7) est également réalisé en tôles de fer-silicium à faibles pertes empilées et solidarisées par collage ou toute autre technique connue.

Il est bien sur possible, sans sortir d cadre de la présente invention, de réaliser une structure statorique et un noyau massifs, par exemple en un alliage fer-nickel commercialisé par la société CREUSOT LOIRE sous la dénomination "ANHYSTER D". Ce choix sera généralement réservé à des actionneurs de grande dimension plutôt que pour des actionneurs très miniaturisés.

Le noyau (7) présente une face avant (13) dont la longueur développée correspond approximativement à la course de l'aimant mobile. Dans le cadre du présent brevet, on entendra par "longueur" une dimension mesurée le long du chemin de déplacement de l'aimant mobile et par une "largeur" une dimension mesurée selon un axe perpendiculaire au plan de déplacement de l'aimant mobile.

La forme de la face avant (13) du noyau (7) correspond à la forme de l'entrefer (4).

On peut distinguer trois segments successifs: le premier segment (46) constitue le pôle central de la structure statorique. Le deuxième segment (47) dont la section est, dans l'exemple décrit, identique à la section du premier segment (46), constitue le noyau et le support de la bobine (6). Le troisième segment (48), d'une section inférieure, présete les moyens de solidarisation permettant l'accrochage du noyau (7) sur la deuxième partie (2) de la structure statorique (1).

Les deux faces latérales (14), (15) du noyau (7) sont sensiblement parallèles au plan de symétrie longitudinal (16) de l'actionneur. La face arrière (18) présente deux secteurs latéraux (19, 20) sensiblement parallèles à la face avant (13), ou au moins parallèles à une tangente à ladite face avant (13). La face arrière (18) présente en outre une protubérance (21) permettant un ajustement glissant du noyau (7) dans la partie (2) de la structure statorique (1), et en particulier permet d'introduire le noyau (7) au moment de l'assemblage de l'actionneur par une translation selon un axe longitudinal, et de limiter voire d'empêcher le jeu selon des axes différents. Cette protubérance (21) vue en section présente une forme de trapèze, la petite base du trapèze étant dans le-prolongement des secteurs latéraux (19, 20) de la face arrière (18).Les deux bords latéraux (22, 23) de la protubérance (21) divergent et constituent une sorte de "queue d'aronde".

Le bobinage (6) entoure les faces latérales (14, 15) du noyau (7), la face inférieure (24) et la face supérieure (25) dudit noyau (7). Le bobinage (6) forme un cadre rectangulaire, ou légèrement cambré en forme de tuile de façon à optimiser le volume occupé par le noyau muni de sa bobine et à garder la partie du cuivre parallèle à l'axe plus près de l'entrefer, ce qui est préférable pour éviter le flux de fuite. La réalisation de la bobine sous forme de cadre cambré permet également d'augmenter la section de cuivre sans changer l'encombrement suivant le plan de symétrie passant par l'axe de rotation.

Lorsque le noyau (7) est mis en place dans la structure statorique (1), la face avant (13) du noyau (7) et les bords (26, 27) de l'entrefer sont séparés par deux fentes respectivement (28, 29) d'une longueur W choisie la plus petite possible, de préférence inférieure à 0,5 E et de l'ordre de quelques dizièmes de millimètres. A titre d'exemple, la largeur E de l'entrefer est de l'ordre de 2,6 millimètres, l'épaisseur de l'aimant étant de l'ordre de 1,6 millimètres et la longueur déroulée de de chaque pôle de l'ordre de 18 millimètres.

L'aimant mobile (5) est constitué de deux parties (30) et (31) en forme de tuile, aimantées transversalement en sens opposé. Cet aimant peut être constitué de deux aimants accolés, ou par une pièce unique dont deux zones symétriques par rapport à un plan médian sont aimantées de façon opposée.

Comme représenté en figure 2, l'aimant mobile (5) est solidaire d'un organe mobile (32) pivotant autour d'un axe (17). Cet organe mobile est par exemple constitué par le bras d'un lecteur de mémoire magnétique rotative à disque dur. L'organe mobile (32) présente une rainure (33) dans laquelle est encastré l'aimant mobile (5) . La solidarisation de l'aimant est complétée par collage. Le bras est réalisé en un alliage léger ou en un matériau composite de façon à présenter une inertie faible et une grande rigidité.

Les deux parties (2 et 3) de la structure statorique (1) sont réunies par deux zones (34, 35) disposées aux deux extrémités de l'entrefer (4). Ces zones ont une longueur L inférieure à un millimètre de façon à être saturées par une très faible partie du flux de l'aimant et à créer une transition brusque entre le domaine de champ magnétique constant dû au courant (sans aimant) dans l'entrefer et le milieu extérieur. La longueur de ces zones (34, 35) est réduite au minimum compatible avec les tolérances de fabrication, soit une longueur correspondant sensiblement à l'épaisseur des tôles, environ 0,5 millimètre. De ce fait l'aimant mobile parcourt un chemin représentant la quasi-totalité de la course avec un couple constant dans la mesure où seule l'extrémité de la course présente une transition brusque provoquant un verrouillage de l'organe mobile. Ce phénomène de verrouillage peut être mis à profit pour assurer un positionnement stable de l'organe mobile en l'absence de courant, ou peut également être évité en prévoyant une butée de blocage réduisant mécaniquement la course de l'organe mobile et empêchant la venue de l'aimant dans la zone dans laquelle se produit la perturbation du champ magnétique précédemment exposée.

Cette butée peut être réalisée sous la forme d'un mince coussin de matière souple prolongeant l'un et/ou l'autre des zones (34, 35).

Pour améliorer les performances de l'actionneur, les extrémités de l'entrefer (4) présentent une zone dans laquelle la largeur de l'entrefer diminue progressivement. Dans l'exemple décrit et illustré par la figure 1, les extrémités de l'entrefer (36, 37) sont arrondies. On pourrait également prévoir des extrémités en forme de trapèze, avec une première zone de réduction linéaire de la largeur de l'entrefer, et une fermeture de l'entrefer selon un plan perpendiculaire à la ligne médiane de l'entrefer.

Des perturbations du champ magnétique engendrées par l'aimant (30,31) se produisent au niveau des fentes (28, 29). Pour compenser les perturbations créées par la présence de ces fentes (28, 29), les bords de l'entrefer (4) présentent des particularités visibles sur la figure 3 représentant une vue en coupe transversale à une échelle 10 fois supérieure à l'échelle utilisée pour les figures 1 et 2.

Le bord (38) opposé à la fente (28) présente une protubérance (39) centrée par rapport au plan longitudinal (40) passant par l'axe de rotation (17) et le centre (41) de la fente (28). La longueur L de cette protubérance est sensiblement égale à la largeur E de l'entrefer. La largeur maximale 1 de la protubérance (39) est sensiblement égale à 0,1 E. Cette largeur varie régulièrement depuis une valeur nulle aux extrémités jusqu'à une valeur maximale au centre de la protubérance (39). Sur le bord opposé (41), la partie (2) de la structure statorique (1) présente deux cornes polaires (42 et 43) disposées de part et d'autre de la fente (28). L longueur P de chacune des cornes polaires est sensiblement égale à (E-W) /2 et la largeur maximale p de l'ordre de 0,1
E.Leur forme correspond sensiblement à la forme des parties latérales de la protubérance (39) disposée de façon symétriquement opposée.

La figure 4 représente une variante de réalisation dans laquelle la section du noyau de la bobine est inférieure à la section définie par le produit de la largeur du pôle central par l'épaisseur dudit pôle central.

Comme le noyau de la bobine atteint très rarement la saturation, il est possible de réduire la largeur du noyau (7) au niveau du bobinage (6) afin de disposer une bobine présentant une plus grande section de cuivre procurant plus d'ampères-tour pour une même puissance appliquée, ou de réduire la puissance dissipée pour le un nombre d'ampèrestour donné. Le noyau (7) présente dans l'exemple de réalisation présentement décrit un premier segment (46) dont la section correspond comme précedemment à la section du pôle central, un deuxième segment (47) de section inférieure destiné à recevoir la bobine (6) et une troisième section (48) de section inférieur comportant les moyens d'accrochage mécanique et de joint magnétique. Dans le premier cas, on augmente le couple et le rendement de l'actionneur, et dans le second cas on réduit sa consommation électrique.Ce dernier cas est particulièrement avantageux pour des actionneurs destinés à des lecteurs de disques durs implantés dans des ordinateurs portables alimentés par des accumulateurs.

L'actionneur représenté en figure 4 diffère de l'actionneur précédemment décrit par le fait que la bobine (6) est formée dans une rainure (44). Ce mode de réalisation diffère en outre de l'actionneur décrit précédemment par la présence d'une bague (44) en cuivre découpé, et dans le cas décrit cambré comme la bobine (6).

Cette bague (44) est démontable et est positionnée sur le noyau (7) au moment de l'assemblage, avant le bobinage de la bobine (6). Cette bague (44) confère au circuit électrique une constante de temps électrique réduite.

La présente invention n'est bien entendu pas limitée au mode de réalisation qui précède. Bien au contraire, l'homme de métier sera à même de réaliser l'invention sous diverses formes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. En particulier, l'organe mobile pourra être du type à déplacement linéaire, l'entrefer et l'aimant étant dans ce cas à symétrie plane.

Les dimensions, mode de réalisations des différents constituants de l'actionneur de l'aimant ainsi que le choix des matériaux peuvent également faire l'objet de nombreuses variantes.

Claims (12)

REVENDICATIONS.

1 - Procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique du type comportant une structure statorique (1) formée de deux parties (2), (3) définissant entre elles un entrefer (4) cylindrique dans lequel se déplace un aimant mobile mince (5) de forme cylindrique, la structure statorique (1) étant couplée à au moins une bobine électrique d'excitation (6), ledit procédé étant caractérisé en ce que l'on réalise d'une part le circuit statorique (1) et que d'autre part, la bobine électrique (6) mise en place autour d'un noyau (7), l'ensemble ainsi réalisé étant ensuite introduit par glissement selon un axe longitudinal dans une cavité (12) s'ouvrant sur l'entrefer (4), la forme de ladite cavité (12) étant complémentaire de la forme du noyau (7) muni de sa bobine électrique (6), la liaison entre ledit noyau (7) et la structure statorique (1) s'effectuant par la partie du noyau opposée à l'entrefer (4).

2 - Procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le noyau (7) bobiné est solidarisé avec la structure statorique (1) après mise en place par collage.

3 - Procédé de fabrication d'un actionneur électromagnétique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le noyau (7) et la structure statorique (1) sont formés par un empilage de tôles.

4 - Actionneur électromagnétique réalisé conformément au procédé faisant l'objet de l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le noyau (7) présente à sa face arrière (18) opposée à l'entrefer (4) des moyens de liaison complémentaires avec des moyens prévus dans la structure statorique (1), lesdits moyens permettant un déplacement selon un axe longitudinal seulement.

5 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 4 caractérisé en ce que le noyau (7) présente un premier segment (46) dont la section correspond à la section du pôle central, un deuxième segment (47) de section inférieure ou égale à la section dudit premier segment (46) et un troisième segment (48) de section inférieure, présentant les moyens de solidarisation avec la deuième partie (2) de la structure statorique.

6 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que la face arrière (18) du noyau (7) présente une protubérance (21) cylindrique présentant au moins une zone divergente selon un axe perpendiculaire au plan de symétrie (16) de l'entrefer (4).

7 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les tôles formant la structure statorique (1) présentent une fente correspondant à l'entrefer (4), ladite fente (4) séparant les deux parties de la structure statorique (1) qui ne sont reliées que par deux zones (34), (35) disposées de part et d'autre de ladite fente, la longueur desdites zones étant inférieure à 0,5 E.

8 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 7 caractérisé en ce que la longueur des zones (34), (35) disposées aux extrémités de ladite fente est inférieure à 1 millimètre, de préférence inférieure à 0,5 millimètre.

9 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que l'entrefer (4) présente au niveau de la fente (28, 29) séparant un des bords latéraux (14, 15) du noyau (7) et le bord correspondant de la structure statorique (1) une zone dans laquelle la distance entre le deux bords opposés de l'entrefer (4) est réduite.

10 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 9 caractérisé en ce que le bord de l'entrefer (4) opposé à la fente (28, 29) séparant un des bords latéraux (14, 15) du noyau (7) et le bord correspondant de la structure statorique (1) présente une protubérance (39) sensiblement symétrique par rapport au plan longitudinal passant par ladite fente (28, 29), ladite protubérance (39) ayant une longueur sensiblement égale à E et une largeur maximale au plus égale à 0,1 E, E désignant la largeur de l'entrefer (4).

11 - Actionneur électromagnétique selon la revendication 8 ou la revendication 10 caractérisé en ce que le bord de l'entrefer (4) présente au niveau de la fente (28, 29) séparant un des bords latéraux (14, 15) du noyau (7) et le bord correspondant de la structure statorique (1) au moins une corne polaire (42, 43) d'une largeur au plus égale à 0,1 E et d'une longueur sensiblement égale à (E-W)/2, W désignant la longueur de ladite fente (28, 29).

12 - Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que le noyau (7) présente une rainure (44) dans lequel la bobine (6) est au moins partiellement logée.