FR2834118A1

FR2834118A1 - Actionneur electromagnetique a deux positions stables de fin de course, notamment pour la commande de vannes de conduits d'admission d'air pour moteurs a combustion interne

Info

Publication number: FR2834118A1
Application number: FR0111245A
Authority: FR
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-06-27

Abstract

L'invention concerne un actionneur électromagnétique comportant une structure statorique (2) constituée de deux circuits ferromagnétiques (3, 4) pourvue d'au moins une bobine d'excitation électrique (5, 5A ¡ 6, 6A) et entre lesquels est montée mobile, entre deux positions stables de fin de course (8, 9) et contre l'action de moyens de rappel élastiques (10), une armature (7) en matériau ferromagnétique doux relié à une charge à commander.Cet actionneur est caractérisé par le fait que l'armature (7) et la structure statorique (2) sont symétriques par rapport à un axe (12) correspondant, par ailleurs, à l'axe de rotation de l'armature (7) -La présente invention trouvera une application tout particulièrement dans le cadre de la commande de vanne de conduit d'admission d'air comburant de moteur à combustion interne.

Description

L'invention concerne un actionneur électromagnétique comportant une structure statorique constituée de deux circuits ferromagnétiques pourvus d'au moins une bobine d'excitation électrique et entre lesquelles est montée mobile, entre deux positions stables de fin de course et contre l'action de moyens de rappel élastiques une armature en matériau ferromagnétique doux reliée à une charge à commander.

La présente invention trouvera son application dans le domaine des actionneurs électromagnétiques plus particulièrement destinés à amener une charge, simplement, depuis une première dans une seconde position et inversement.

Dans de nombreux domaines d'application se pose le problème d'amener une charge, très souvent sous forme d'un volet ou clapet, dans deux positions stables de fin de course, l'une d'ouverture et l'autre de fermeture. Il en est, notamment, ainsi dans le cas d'un moteur à combustion interne comportant une conduite d'admission d'air comburant qui, dans certaines conditions, doit être obturée pour empêcher l'arrivée d'air au niveau du moteur ou, au contraire, totalement ouverte pour permettre le libre passage du flux d'air.

En fait, cette gestion de l'arrivée d'air comburant s'effectue, généralement, au travers de la commande des soupapes d'admission que comporte un tel moteur et il est connu, pour ces applications particulières, des actionneurs électromagnétiques à solénoïde ou à palette. Ces solutions restent toutefois très complexes et ont une implication directe sur les éléments constitutifs d'un tel moteur à combustion interne.

S'il existe, par ailleurs, des actionneurs électromagnétiques de type rotatif pour ces mêmes applications, ceux-ci sont considérés, le plus souvent, comme particulièrement encombrants et/ou s'avèrent complexes par rapport à la fonction qu'il leur est demandé d'assurer. De plus, ils sont à l'origine d'efforts parasites au niveau de la charge commandée.

Il est encore connu, par le document US-A. 6.262. 498, un actionneur électromagnétique comportant deux électroaimants disposés en opposition l'un par rapport à l'autre et entre lesquels est à même de se déplacer une armature en matériau ferromagnétique

maintenue dans une position intermédiaire à l'aide de moyens de rappels élastiques, plus particulièrement sous forme d'un ressort de torsion. Ainsi, selon l'électroaimant qui est alimenté, l'armature est tirée dans l'une ou l'autre de ses positions stables de fin de course contre l'action de ces moyens de rappel élastiques. A cette armature est reliée une tige de transmission se situant dans le prolongement axial d'une soupape d'un moteur à combustion interne, soupape dont elle est rendue solidaire.

Pour en revenir aux électroaimants, ceux-ci comportent un circuit ferromagnétique sensiblement en forme de U sur lequel est montée une bobine d'excitation électrique, ce circuit définissant deux pôles statoriques contre lesquels est à même d'être appliqué par collage électromagnétique ladite armature.

Dans le cadre d'une première démarche inventive, l'on a pu constater que la commande en déplacement de l'armature sous l'impulsion de l'un ou l'autre électroaimant, génère des efforts parasites sur cette armature et en particulier des efforts radiaux qui détériorent le rendement de cet actionneur, en ce sens qu'ils ne permettent pas d'optimiser le rapport couple/inertie motrice.

De plus, de tels efforts parasites rendent quelque peu plus complexe la gestion du fonctionnement de l'actionneur, tenant compte que selon les applications visées, telles que la commande d'une vanne d'admission d'air pour moteur à combustion interne, l'on cherche souvent à obtenir un déplacement très rapide de la charge commandée et il est donc nécessaire de gérer l'inertie de cette charge, que ce soit en début de commande ou en fin de course où il y a lieu, tout particulièrement, de contrôler la vitesse d'impact de l'armature au collage.

En fin de compte et dans une seconde démarche inventive, l'on a pensé remédier à ce problème des efforts parasites au niveau d'un tel actionneur en le rendant symétrique par rapport à l'axe de pivotement de l'armature laquelle est elle-même symétrique par rapport à cet axe.

A cet effet, l'invention concerne un actionneur électromagnétique comportant une structure statorique constituée de deux circuits ferromagnétiques pourvus d'au moins une bobine

d'excitation électrique et entre lesquelles est montée mobile, entre deux positions stables de fin de course et contre l'action de moyens de rappel élastiques, une armature en matériau ferromagnétique doux reliée à une charge à commander, caractérisé par le fait que l'armature et la structure statorique sont symétriques par rapport à un axe correspondant, par ailleurs, à l'axe de rotation de l'armature
Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens de rappel élastiques sont conçus aptes à agir sur l'axe de rotation de l'armature.

Tout particulièrement, les moyens de rappel élastiques sont définis par un ressort spiral agissant sur l'axe de rotation de l'armature et monté dans un plan parallèle à la structure statorique.

Les avantages qui découlent de la présente invention consistent en ce qu'au travers de la symétrie de la structure statorique il en résulte un équilibre des efforts parasites lors de la commande de l'actionneur, sans compter qu'une telle configuration permet d'optimiser le rapport couple/inertie motrice. Par ailleurs, cette conception, en association avec des moyens de rappel élastiques adaptés, permet d'aboutir à un actionneur compact, donc d'encombrement réduit pour une meilleure intégration dans le milieu où se situe la charge à commander.

D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre se rapportant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs.

La compréhension de cette description sera facilitée en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématisée et vue en plan d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention ; la figure 2 est une représentation similaire à la figure 1 illustrant ce même actionneur équipé de moyens de rappel élastiques sous forme d'un ressort spiral ; : la figure 3 est une représentation schématisée et en perspective de ce ressort en spiral ;

la figure 4 est une représentation schématisée et en plan de l'actionneur dépourvu de sa structure support ; la figure 5 est une représentation schématisée et en plan d'un actionneur conforme à un second mode de réalisation ; la figure 6 est une représentation schématisée et en élévation d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention auquel est associé un capteur de position de l'armature ; les figures 7 et 8 illustrent, de manière schématisée, deux types de clapets de vanne prévus aptes à être commandés au travers d'un actionneur électromagnétique, conforme à l'invention.

La présente invention concerne un actionneur électromagnétique 1 dont un premier mode de réalisation est illustré dans les figures 1 à 4 et un second dans la figure 5.

Plus particulièrement, cet actionneur 1 comporte une structure statorique 2 constituée de deux circuits ferromagnétiques 3,4, comportant, chacun, au moins une bobine d'excitation électrique 5, 5A ; 6,6A.

Entre ces deux circuits ferromagnétiques, disposés l'un en face de l'autre, est montée mobile une armature 7 en matériau ferromagnétique doux. Celle-ci est amenée à se déplacer entre deux positions stables de fin de course 8,9, sous l'impulsion des flux magnétiques générés au travers de l'un et/ou l'autre des circuits ferromagnétiques 3,4.

En fin de compte, cette armature 7 se déplace dans cette position 8 ou 9 contre l'action de moyens de rappels élastiques 10 ayant tendance, en l'absence de flux magnétique, à la maintenir dans une position intermédiaire, entre ces positions de fins de course 8, 9.

Selon l'invention, ladite armature 7 est montée en rotation autour d'un axe 12 correspondant à son axe de symétrie, sachant, par ailleurs, que la structure statorique 2 et, en particulier, les circuits ferromagnétiques 3,4 adoptent, eux-mêmes, une disposition symétrique par rapport à cet axe 12.

Ainsi, chacun de ces circuits ferromagnétiques 3 ; 4 comportent quatre pôles statoriques PI, P2, P3, P4 ; P'1, P'2, P'3, P'4 avec lesquels vient coopérer deux à deux (PI, P2, P'3, P'4 ; P'1, P'2, P3, P4) l'armature 7 dans l'une ou l'autre de ses positions stables de fin de course 8,9.

En somme, chaque circuit ferromagnétique 3,4 est par ailleurs symétrique par rapport à un plan médian 13 passant par l'axe 12.

Plus particulièrement, un circuit ferromagnétique 3,4 emprunte une configuration en forme de W dont, selon le mode de réalisation correspondant aux figures 1 à 4, les deux branches latérales 14,15, définissant les pôles statoriques d'extrémités Pi, P4 ; P'1, P'4 portent, chacune, une bobine d'excitation électrique 5, 5A ; 6,6A.

Tandis que la branche médiane 16 de cette structure en W, elle définit les deux pôles statoriques centraux P2, P3 ; P'2, P'3 respectant, entre eux, un angle a au moins égal à l'amplitude de rotation de l'armature 7, plus 180 . Finalement, cet angle a est celui respecté par les deux plans dans lesquels s'inscrivent les pôles statoriques, respectivement, PI, P2 ; P'l, P'2 et P3, P4 ; P'3, P'4 de ces circuits ferromagnétiques 3,4.

On remarquera que, pour une meilleure circulation des flux magnétiques, la branche médiane 16 adopte une structure en forme de V et, par conséquent, se subdivise elle-même en deux branches 16', 16"pour la définition des pôles P2, P3 ; P'2, P'3.

Quant à l'armature 7, sous forme d'une lame, elle comporte, au niveau de son axe de rotation 12, une boursouflure cylindrique 17 à la manière d'une douille pour le passage d'un axe 18, pouvant être ou non en un matériau ferromagnétique, dont les extrémités 19,20 sont maintenues en rotation au travers d'une structure support 21, avantageusement amagnétique. Ceci est, plus particulièrement, visible dans la figure 6.

Sur cette structure 21 sont encore fixés les circuits ferromagnétiques 3,4 par l'intermédiaire de moyens appropriés.

Les moyens de rappel élastiques 10 sont constitués, préférentiellement, par au moins un ressort spiral 22, 22'monté sur l'une au moins des extrémités 19,20 de l'axe 18 correspondant à l'armature 7.

Ainsi, comme visible dans la figure 3, ce ressort spiral 22, 22'peut être pourvu d'un ou plusieurs bras en forme de spire, ceci selon la raideur recherchée et/ou la place disponible, donc la section de ce ressort 22, 22'.

Si l'on se reporte, à présent, à la figure 5, il y est représenté un second mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique 1 conforme à l'invention. En fait, celui-ci se distingue du mode de réalisation décrit précédemment en ce que les circuits ferromagnétiques 3,4, tout en étant disposés symétriquement autour de l'axe de rotation 12 de l'armature 7 et tout en présentant, par ailleurs, une symétrie par rapport à un plan médian transversal passant par cet axe 12, ne comporte, chacun, qu'une seule bobine d'excitation électrique 5,6. Celle-ci est montée sur la branche médiane 16 de ces circuits ferromagnétiques 3, 4 en forme de W.

Toutefois, on observera que dans ce cas d'espèce cette branche médiane 16 se termine en pointe au travers de deux plans inclinés correspondants aux pôles centraux P2, P3 ; P'2, P'3 et respectant entre eux un angle < x au moins égal à l'amplitude de rotation de l'armature 7, plus 180 . Dans ces conditions et pour garantir une circulation convenable du flux magnétique au travers de l'armature 7, celle-ci est monté sur un axe 18 en matériau ferromagnétique. Par exemple, de part et d'autre de la lame, définissant cette armature 7, peuvent s'étendre des tronçons d'axe maintenus en rotation au travers de la structure support 21 en matériau amagnétique de l'actionneur 1.

La figure 6 a pour but d'illustrer que sur l'une des extrémités 19 de l'axe de rotation 18 correspondant à l'armature 7 peut être monté un capteur de position 23, préférentiellement un capteur sans contact à effet hall ou encore du type potentiomètre ou autre, permettant de connaître la position de cette armature 7 à tout instant, afin de piloter, via une unité de contrôle de commande électronique 24, l'enclenchement du courant dans les bobines et de minimiser la vitesse d'impact en fin de course de cette armature 7.

A ce propos, si l'on en revient au mode de réalisation correspondant aux figures 1 à 4, les bobines 5 et 6A, ainsi que SA

et 6, des circuits ferromagnétiques 3 et 4 sont reliés en série ou en parallèle, permettant lorsque le collage de l'armature 7 est effectué, c'est à dire lorsque cette armature 7 est appelée dans l'une ou l'autre de ses positions de fin de course 8,9, de symétriser les efforts radiaux appliqués sur l'axe de rotation 18.

Ainsi, le bilan des forces appliquées à cet axe est nul.

D'ailleurs, on remarquera que cet axe de rotation 18 correspondant à l'armature 7 est maintenu à ses extrémités 19,20 par des paliers ou, idéalement, par des roulements à billes ou à aiguilles que comporte la structure support 21 pour limiter les frottements.

Pour en revenir à l'alimentation des bobines d'excitation électriques dans le mode de réalisation correspondant à ces figures 1 à 4 et partant de la position intermédiaire 11 qu'occupe l'armature 7 de l'actionneur 1 au repos, l'activation alternative des deux jeux de bobines respectivement 5,6A et 5A, 6 permet, dans un premier temps, d'amener l'armature 7 en un matériau

ferromagnétique au collage avec les pôles statoriques PI, P2, P'3, P'4 ; P'1, P'2, P3, P4 dans une position de fin de course 8, 9 prédéterminée par la commande électrique choisie. A noter que l'activation alternative des bobines suivant le mode de raisonnance du système permet d'effectuer cette opération en un temps dépendant du courant utilisé.

Dans un second temps, cette activation alternative des deux jeux de bobines 5,6A ; 5A, 6 permet le passage d'une position de fin de course à une autre.

Il convient d'observer que dans ces positions de fin de course 8,9 l'armature 7 ne vient pas nécessairement au collage physique sur les pôles statoriques, selon le cas, PI, P2, P'3, P'4 ou P'l, P'2, P3, P4, notamment en présence de butées mécaniques externes.

Ces butées peuvent correspondre, par exemple, à l'arrivée en fin de course mécanique de la charge commandée. En évitant, ainsi, les impacts de l'armature 7 sur ces pôles statoriques on limite l'usure de l'actionneur électromagnétique 1, sans compter que l'on évite le bruit résultant de tels impacts. De plus des moyens amortisseurs

peuvent être associés à la charge elle-même pour limiter le bruit résultant des butées mécaniques.

Dans le cadre du mode de réalisation correspondant à la figure 5, c'est à dire lorsque l'actionneur électromagnétique ne comporte que deux bobines 5,6, celles-ci sont reliées en série ou en parallèle et leur activation suivant la position de l'armature 7 permet le passage d'une position stable de fin de course à une autre suivant la commande électrique envisagée. A noter, cependant, que dans une position intermédiaire de l'armature 7 aucun circuit magnétique n'est privilégié de sorte que cette armature 7 ne peut être entraînée. Aussi et selon l'invention, il est introduit une dissymétrie au niveau de l'actionneur résultant, selon un premier exemple de réalisation, d'une forme dissymétrique de l'armature 7 ou bien encore par une précontrainte adaptée du ou des ressorts définissant les moyens de rappel élastiques 10 de sorte que cette armature 7, dans la position de repos de ces moyens de rappel élastiques 10 et en l'absence d'alimentation des bobines 5,6, occupent une position d'équilibre intermédiaire 11 qui est dissymétrique par rapport au plan médian 25 de la structure statorique de cet actionneur électromagnétique 1.

Les figures 7 et 8 illustrent de manière schématisée, deux types de clapets ou volets 26,26A correspondant à des charges susceptibles d'êtres commandées par l'actionneur électromagnétique 1 conforme à l'invention. En fait, celui-ci trouvera une application toute particulière pour la commande d'ouverture et de fermeture du clapet d'une vanne, telle une vanne pour conduit d'admission d'air comburant dans un moteur à combustion interne. Ainsi, la figure 7 montre une première variante présentant un axe de rotation 27 de ce clapet 26 qui est déporté par rapport à son plan. Ceci a pour conséquence d'augmenter sensiblement l'inertie de la charge à actionner par rapport à toute autre vanne, notamment de type papillon correspondant à la figure 8, dont l'axe de rotation 28 se situe dans le plan du clapet 26A.

Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de

formes, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention.

Claims

Revendications

1. Actionneur électromagnétique comportant une structure statorique (2) constituée de deux circuits ferromagnétiques (3,4) pourvus d'au moins une bobine d'excitation électrique (5, 5A ; 6, 6A) et entre lesquels est montée mobile, entre deux positions stables de fin de course (8,9) et contre l'action de moyens de rappel élastiques (10), une armature (7) en matériau ferromagnétique doux reliée à une charge à commander, caractérisé par le fait que l'armature (7) et la structure statorique (2) sont symétriques par rapport à un axe (12) correspondant, par ailleurs, à l'axe de rotation de l'armature (7).

2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque circuit ferromagnétique (3,4) comporte quatre pôles statoriques (Pi, P2, P3, P4 ; P'l, P'2, P'3, P'4) avec lesquels vient coopérer deux à deux (PI, P2, P'3, P'4 ; P'1, P'2, P3, P4) l'armature (7) dans l'une ou l'autre de ses positions stables de fin de course (8,9).

3. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un circuit ferromagnétique (3,4) est symétrique par rapport à un plan médian (13) passant par l'axe de symétrie (12).

4. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pôles statoriques (Pi, P2 ; P'1, P'2), d'une part, et les pôles statoriques (P3, P4 ; P'3, P'4), d'autre part, s'inscrivent, pour chaque circuit ferromagnétique (3,4), dans des plans respectant entre eux un angle (a) au moins égal à l'amplitude de rotation de l'armature (7) plus 1800.

5. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un circuit ferromagnétique (3,4) emprunte une configuration en forme de W dont les deux branches latérales (14,15), définissant des pôles statoriques d'extrémité (PI, P4 ; P'l, P'4) portent, chacune, une bobine d'excitation électrique (5, 5A ; 6,6A) tandis que la branche

médiane (16) définit deux pôles statoriques centraux (P2, P3 ; P'2, P'3).

6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la branche médiane (16) adopte une structure en forme de V et se subdivise en deux branches (16', 16'') pour la définition des pôles statoriques centraux (P2, P3, P'2, P'3).

7. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que les bobines d'excitation électriques (5,6) ainsi que (5A et 6A) des circuits ferromagnétiques (3,4) sont reliés en série ou en parallèle en vue de symétriser les efforts radio appliqués sur l'axe de rotation de l'armature (7) lorsque cette dernière est appelée dans l'une ou l'autre de ces positions de fins de course (8,9).

8. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un circuit ferromagnétique (3,4) emprunte une configuration en forme de W comportant deux branches latérales (14,15) et une branche médiane (16) portant une bobine d'excitation électrique (5 ; 6), cette branche médiane (16) se terminant en pointe au travers de deux plans inclinés correspondant aux pôles centraux (P2, P3 ; P'2, P'3)

respectant entre eux un angle (a) au moins égal à l'amplitude de rotation de l'armature (7) plus 180 .

9. Actionneur électromagnétique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les bobines d'excitation électriques (5, 6) des circuit ferromagnétique (3,4) sont reliées en série ou en parallèle.

10. Actionneur électromagnétique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que l'armature (7) présente une forme dissymétrique par rapport à son axe de rotation (12) ou les moyens de rappel élastiques (10) présentent une précontrainte adaptée pour conférer à ladite armature (7) une position en d'équilibre intermédiaire (11), en position de repos de ces moyens de rappel élastiques (10) et en l'absence d'alimentation des bobines (5,6),

qui est dissymétrique par rapport au plan médian (25) de la structure statorique (2).

11. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'armature (7) se présente sous forme d'une lame montée en rotation sur un axe (8) en matériau ferromagnétique ou non dont les extrémités (19,20) sont maintenues en rotation au travers d'une structure support (21) amagnétique sur laquelle sont encore fixés les circuits ferromagnétiques (3,4) par l'intermédiaire de moyens appropriés.

12. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de rappels élastiques (10) sont conçus aptes à agir sur l'axe de rotation (12) de l'armature (7).

13. Actionneur électromagnétique selon les revendications 11 et 12, caractérisé par le fait que les moyens de rappel élastiques (10) sont constitués par au moins un ressort spiral (22, 22') monté sur l'une au moins des extrémités (19,20) de l'axe (18) correspondant à l'armature (7).

14. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé par le fait que sur l'une des extrémités (19) de l'axe de rotation (18) correspondant à l'armature (7) est monté un capteur de position (23), plus particulièrement un capteur sans contact à effet hall ou autre, en vue de piloter, via une unité de contrôle de commande électronique (24), l'enclenchement du courant dans les bobines (5,5A ; 6,6A) et minimiser la vitesse d'impact en fin de course de l'armature (7).

15. Application de l'actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, à la commande d'un clapet de vanne de conduit d'admission d'air comburant d'un moteur à combustion interne.