FR2873232A1 - Dispositif de commande electromagnetique fonctionnant en basculement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de commande électromagnétique de l'ouverture et de la fermeture d'un élément mécanique, notamment d'une soupape de moteur à combustion interne. Le positionnement de l'élément mécanique en au moins une position (ouverte ou fermée) est obtenu par l'action d'au moins un électroaimant (30) agissant sur un plateau (33) commandant le positionnement de l'élément mécanique.Le dispositif présente au moins deux entrefers (34a, 34b) destinés à être fermés par le plateau (33) lors du positionnement de l'élément mécanique en au moins une position, le plateau (33) étant monté en rotation de manière à ce que l'axe de rotation du plateau (33) soit entre les deux entrefers (34a, 34b).L'invention permet de réduire l'inertie et donc la taille du dispositif.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE ELECTROMAGNETIQUE

FONCTIONNANT EN BASCULEMENT

La présente invention concerne un dispositif de commande électromagnétique de l'ouverture et de la fermeture d'un élément mécanique, notamment d'une soupape de moteur à combustion interne. Dans un tel dispositif appelé aussi actionneur, le positionnement de l'élément mécanique en au moins une position (ouverte ou fermée) est obtenu par l'action d'un électroaimant agissant sur un plateau, incluant un matériau magnétique, et commandant le positionnement de l'élément mécanique.

Les dispositifs connus de ce type fonctionnent de façon telle que le plateau se déplace en translation ou en rotation autour d'un axe de rotation situé en dehors de la zone des entrefers des électroaimants et donc assimilable à un mouvement en translation du plateau.

Le dimensionnement électromagnétique d'un actionneur est conditionné par la force qu'il doit exercer. Cette force est liée à la course du plateau et à la masse de ce dernier. En effet, la masse du plateau conditionne son temps de déplacement et impose donc la raideur des ressorts de rappel destinés à participer à l'actionnement du plateau. La force du dispositif de commande électromagnétique est directement couplée avec la force des ressorts de rappel puisque l'actionneur doit être capable d'exercer une force supérieure à celle des ressorts pour maintenir le plateau en position.

On observe que plus la raideur des ressorts permettant d'obtenir une course de plateau imposée et un temps de déplacement imposé sera importante, plus la taille de l'actionneur sera importante.

La présente invention résulte de la constatation que plus les performances mécaniques d'un dispositif de commande électromagnétique connu sont importantes, plus ce dispositif est encombrant.

Elle concerne un dispositif présentant au moins un premier et un second entrefer d'épaisseur variable destinés à être fermés par le plateau lors du positionnement de l'élément mécanique en au moins une position, le plateau étant monté en rotation de manière à ce que l'axe de rotation du plateau passe entre les premier et second entrefers.

Dans une telle configuration, on note qu'à force exercée comparable, l'inertie du plateau est plus réduite que pour un dispositif fonctionnant en translation. En effet, dans les dispositifs en translation, l'ensemble du plateau se déplace de la totalité de la course. Au lieu de cela, dans un dispositif où le plateau est monté en rotation autour d'un axe positionné entre les deux entrefers, les deux extrémités du plateau se déplacent de la totalité de la course mais les points du plateau situés sur l'axe de rotation sont immobiles. Le déplacement moyen est alors de la moitié de celui observé dans un dispositif en translation.

Cette réduction d'inertie se traduit par une réduction de la raideur des ressorts et par conséquent, de la taille du dispositif.

La seconde position de l'élément mécanique est telle 5 que les entrefers sont ouverts ou dits grands entrefers. Un entrefer fermé est aussi dit faible entrefer.

Dans une mise en oeuvre de l'invention, le dispositif inclut un troisième et un quatrième entrefer d'épaisseur variable destinés à être fermés par le plateau lors du positionnement de l'élément mécanique en la seconde position, l'axe de rotation du plateau passant entre les premier, deuxième, troisième et quatrième entrefers.

Dans cette mise en oeuvre, les deux positions de la soupape sont commandées par le plateau qui oscille angulairement entre deux positions commandées par des moyens similaires.

Avantageusement, la seconde position de l'élément mécanique est obtenue par l'action d'un second électroaimant agissant sur le plateau. Ce premier mode de réalisation, sans aimant permanent, est appelé actionneur non polarisé.

Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un aimant permanent destiné à polariser le dispositif en l'absence de courant dans l'électroaimant et à linéariser le fonctionnement du système.

Dans ce mode de réalisation dit polarisé, le maintien de l'élément mécanique dans une position ouverte ou fermée est assurée par la polarisation permanente générée par l'aimant permanent même en l'absence d'un courant circulant dans la bobine. Dans ce cas, l'actionneur est dénommé polarisé.

Dans un mode de réalisation polarisé, le flux magnétique généré par l'électroaimant traverse l'aimant permanent. Ce mode de réalisation est appelé polarisation série.

Avantageusement, l'aimant permanent est mince.

Dans un autre mode de réalisation polarisé, le flux magnétique généré par l'électroaimant ne traverse pas directement l'aimant permanent. Ce mode de réalisation est appelé polarisation parallèle.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'aimant permanent, bien que placé hors du circuit magnétique de l'électroaimant, est traversé par le flux magnétique généré par l'électroaimant de manière à ce que ledit flux traverse deux entrefers fermés.

Enfin, le matériau magnétique inclus dans le plateau est avantageusement un matériau ferromagnétique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description faite ci-dessous, cette dernière étant effectuée à titre descriptif et non limitatif en faisant référence aux dessins ci-après sur lesquels: La figure 1 illustre le fonctionnement d'un dispositif 15 de commande électromagnétique selon l'invention; Les figures 2a et 2b visent à illustrer l'avantage produit par l'invention par rapport à un dispositif fonctionnant en translation; Les figures 3 à 9 représentent sept exemples de 20 réalisation de l'invention; La figure 10 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation de l'invention.

Sur les figures, les circuits magnétiques et les flux magnétiques sont représentés par une courbe fermée référencée pour des raisons de clarté par une même référence. En effet, le circuit magnétique est un circuit qui permet de canaliser un flux magnétique. La flèche portée sur une telle courbe fermée indique le sens du flux magnétique de polarisation. Les flux magnétiques sont représentés dans le plan de coupe du plateau.

Les symboles utilisés sont identiques pour l'ensemble des figures. Les flèches doubles représentent les directions des flux de polarisation dans les aimants permanents et les directions des flux d'induction créés par ces aimants permanents dans les entrefers. Les flèches simples représentent les directions des flux d'induction générés par les bobines dans les entrefers.

Les dispositifs décrits ont de préférence un comportement linéaire et fonctionnent de préférence sans saturation magnétique afin de permettre une grande commandabilité du dispositif. Des dimensionnements corrects des différents éléments des dispositifs permettent de tels comportements.

La figure 1 présente la réalisation la plus simple de l'invention dans laquelle un positionnement de l'élément mécanique 17 en une position (ouverte ou fermée) est obtenu par l'action d'un électroaimant 10 incluant une première bobine 11 et un premier circuit magnétique 12. L'électroaimant 10 agit sur un plateau 13 incluant un matériau magnétique, avantageusement un matériau ferro-magnétique. Un aimant permanent peut aussi éventuellement être inclus dans le plateau. Les positions 131 et 132 de ce plateau 13 commandent le positionnement de l'élément mécanique 17. Le dispositif présente deux entrefers dits premier 14a et second 14b entrefers. Ces entrefers 14a et 14b sont destinés à être fermés par le plateau 13 lors du positionnement de l'élément mécanique en position ouverte ou fermée qui correspond sur la figure à la position 131 du plateau 13. Le plateau 13 est monté en rotation pour passer d'une position 131 à l'autre 132 de manière à ce que l'axe de rotation 15 du plateau 13 soit entre le premier et le second entrefer 14a et 14b.

Dans le cas où l'élément mécanique 17 est une soupape 17, ainsi que représenté sur la figure 1, la liaison du plateau 13 avec la soupape 17 est réalisée à l'aide d'une articulation 16 entre une tige de soupape 17a et le plateau 13.

L'articulation 16 est placée à une des extrémités du plateau 13.

Lorsque le plateau passe d'une position à l'autre, la tige de soupape 17a a un mouvement linéaire de va-et-vient et entraîne la tête de soupape 17b. Des ressorts 18a et 18b et une fixation des ressorts 19 permettent le mouvement de rappel de la soupape 17.

La mise en position 131 est réalisée lorsqu'un courant circule dans la première bobine 11. Le maintien en position peut être réalisé grâce à la circulation d'un tel courant ou, ainsi que décrit par la suite, à l'aide d'une polarisation réalisée à l'aide d'un aimant permanent inséré dans le circuit magnétique 12 de l'électroaimant 10 ou dans son voisinage. La mise en position 132 peut être réalisée par un moyen d'une autre nature qu'électromagnétique, par exemple, mécanique ou par un moyen électromagnétique différent de, ou similaire à, celui présenté sur la figure 1.

Pour mettre en évidence les avantages que procure un dispositif selon l'invention, on remarque tout d'abord que le dimensionnement des dispositifs de commande de soupape est complètement déterminé avec deux paramètres extérieurs: la course et la demi période (c'est-à-dire le temps mis par la soupape pour aller d'une position à l'autre).

La course de la soupape est définie par le 20 fonctionnement du moteur thermique. Cette course 2zo (voir figure 2a et 2b) est imposée.

Connaissant la raideur k des ressorts et la course, on obtient directement la force que ces ressorts exercent. F=kzo Le dispositif électromagnétique doit être capable d'exercer une force supérieure à celle des ressorts pour maintenir le plateau dans une des deux positions. Cette force électromagnétique est directement proportionnelle à la section S des entrefers. S=F/a

Le coefficient a est classiquement de l'ordre de 100N/cm2, 160 au grand maximum.

La masse du plateau est directement fonction de cette section des entrefers électromagnétiques car la section du plateau doit être dimensionnée pour faire passer le flux magnétique.

m=pf3S372 où p est la densité du matériau du plateau, et 0 un 5 coefficient de forme.

Quant à la raideur k des ressorts, elle est directement liée à la demi période et la masse du plateau. k = m ( 2n / T)2 Cette demi période T / 2 est liée au fonctionnement du 10 moteur thermique. Elle est de l'ordre de 3 ms.

Les relations de proportionnalité présentées ne sont qu'une première approximation.

Ces relations montrent surtout que le dimensionnement du dispositif, la masse du plateau et la raideur de ressorts 15 sont directement liées à la course du plateau et à la demi période.

Les figures 2a et 2b illustrent l'avantage que présente une configuration en rotation selon l'invention par rapport à une configuration en translation telle que celles 20 rencontrées dans l'état de la technique et rencontrant les problèmes d'inertie explicités ci-dessus.

On étudiera d'abord le fonctionnement du plateau en translation. Son mouvement est solution de l'équation: md2z / dt2+kz=0 La solution, qui correspond à une oscillation libre du plateau est du type: z = z0 cos O)t avec w2 = k / m Pour la vitesse, on obtient: dz /dt=zo0)coswt L'énergie stockée par le ressort comprimé vaut en bout de course: Er = k z02 Quant à l'énergie cinétique, elle est maximale à mi course: Ect = 3z m v2 = m w2 zo2 L'égalité des deux énergies permet de vérifier qu'un système oscillant fonctionne bien par échange entre l'énergie potentielle stockée dans les ressorts et l'énergie cinétique du plateau.

Dans le cas d'un dispositif en rotation (ou basculement), pour pouvoir faire la comparaison avec le dispositif en translation, on supposera que la soupape est poussée par l'extrémité du plateau, dont le déplacement va donc être entre -zo et +zo.

Pour obtenir le même temps de déplacement de la soupape entre les deux positions, il faut que la vitesse tangentielle de l'extrémité du plateau soit la même que pour les dispositifs en translation. En assimilant l'arc à la corde, ce qui est justifié pour les petits angles de rotation, on obtient en bout de plateau la vitesse de: dz/dt=zowcoswt La comparaison basculement - translation va être effectuée à course identique et à vitesse maximale identique.

Nous allons comparer les énergies cinétiques emmagasinées à mi-course.

Si le plateau a une section uniforme S et une longueur 2L (figure 9), si on paramètre la position de l'élément dx par sa position x (x est compris entre -1 et +1), la vitesse de cet élément dx est donnée par: V (x) = dz / dt (x) = zo x w cos w t En milieu de course, l'énergie cinétique maximale de cet élément dx est donnée par: dEd, = (p S L dx) (zo x w) 2 = p s L z02 w2 x2 dx En intégrant r3Fc pour x variant de -1 à +1, on obtient la valeur de l'énergie cinétique maximale: Ecb = (p S 2 L) zo2 w2 (1/3) Le terme (p S 2 L) représente la masse m du plateau, d'où : Eb = (m / 3) z02 w2 En comparaison avec le système en translation, la masse équivalente du plateau est divisée par 3. L'inertie est donc divisée par 3.

Avec le même plateau, pour avoir la même vitesse, il faut donc que la raideur des ressorts soit divisée par 3.

Et si on considère la dépendance entre la force des ressorts, la surface d'attraction des dispositifs, la masse du plateau, la raideur des ressorts, l'introduction dans la boucle d'un facteur 1/3 conduit à une diminution très notable de la taille du dispositif.

Le facteur 3 sur la masse doit toutefois être réduit par un coefficient d'efficacité de la force du dispositif.

En effet, sur un dispositif de commande en translation, la force de chaque entrefer est une force axiale pleinement utilisable. Il n'en est pas de même pour un dispositif en basculement. Si on veut comparer les forces, il faut ramener la force exercée à l'extrémité du plateau, à couple équivalent.

La force d'attraction du dispositif s'exerce sur la surface de contact entre le plateau 13 et la partie du circuit magnétique qui entre en contact avec le plateau à faible entrefer.

Selon la figure 1, la surface en contact varie de xoL à L. La force équivalente ramenée à l'extrémité est alors à multiplier par un coefficient d'efficacité y = (1 + xo).

Pour un système réel, le paramètre xo devrait se situer autour de 0,3, qui correspond à 0,65 pour le coefficient y.

Le gain réel n'est donc que de 2/3 du gain de 3 obtenu sur la masse équivalente du plateau. Il en résulte globalement un gain de l'ordre d'un facteur 2.

Dans le pire des cas, quand xo est très réduit, ce coefficient y reste supérieur à 0,5. Le gain global est donc 35 toujours supérieur à 1,5.

Ainsi que présenté sur la figure 1, dans un dispositif en basculement selon l'invention, la soupape est, par exemple, raccordée par un système de type bielle à l'extrémité du plateau. Les ressorts de rappel sont alors disposés le long de l'axe de la soupape.

Dans les exemples de réalisation décrits ci-après, des moyens électromagnétiques conformes à l'invention sont utilisés pour le positionnement dans les deux positions de la soupape. Dans ce cas, le plateau fonctionne entre quatre entrefers qui fonctionnent en attraction deux par deux et en alternance.

Les exemples de réalisation sont basés sur les différentes possibilités de circulation de flux de polarisation dans les entrefers, les différentes possibilités de circulation de flux d'excitation générés par les bobines dans les entrefers quand la polarisation a été définie, la disposition des bobines par rapport au dispositif et la disposition des aimants permanents de polarisation du dispositif.

Sur les figures 3, 4 et 5, on représente trois dispositifs fonctionnant sur un principe proche de celui 20 présenté sur la figure 1.

La figure 3 présente un cas de dispositif non polarisé à quatre entrefers où les deux positions du plateau 33 sont commandées par deux électroaimants 30 et 36, comprenant respectivement une première et une deuxième bobine 31 et 37 et un premier et second circuit magnétique 32 et 38. Quatre entrefers 34a, 34b et 34c, 34d sont donc présents dans les deux circuits magnétiques 32 et 38 et destinés à être fermés en alternance, deux par deux, en fonction de la position du plateau 33 et donc de la soupape. Cette configuration non polarisée est en fait un double système de base similaire à celui décrit sur la figure 1.

Sur l'exemple de la figure 4, des aimants permanents 49a et 49b ont été ajoutés sur un dispositif tel que présenté sur la figure 3. Ils permettent une polarisation des circuits magnétiques 42 et 48 des électroaimants 40 et 46 en l'absence de courant circulant dans les bobines 41 et 47. Une telle polarisation permet un maintien en position du plateau 43 sans consommation d'énergie supplémentaire ou à consommation d'énergie réduite. En effet, grâce à la polarisation, la circulation de courant dans les bobines n'est pas nécessaire pendant le maintien en position.

Les dispositifs de commande polarisés permettent ainsi un contrôle aisé de l'intensité des courants, en particulier à faible entrefer (ou entrefer fermé) où le plateau peut être maintenu sans effort.

La polarisation est dite série lorsque le flux d'un aimant de polarisation est en série avec le flux de la bobine destinée à réaliser l'actionnement du dispositif. On a alors affaire à une configuration série. Les configurations représentées sur la figure 4 et sur la figure 5 sont des exemples d'une telle polarisation. Ces exemples présentent l'avantage d'être des configurations simples de construction même si les circuits magnétiques qui portent les bobines sont assez complexes, car entrecroisés.

Dans le cas des configurations série, il est avantageux que les aimants soient aussi minces que possible pour conserver une bonne efficacité des ampères tours des bobines. En effet les aimants constituent un entrefer supplémentaire pour les ampères tours générés par les bobines. Par ailleurs, les aimants sont soumis à des champs démagnétisants qui peuvent être importants quand les champs des bobines sont en opposition avec leur aimantation.

La polarisation est dite parallèle lorsque le flux magnétique engendré par la bobine ne traverse pas ou ne traverse qu'en faible partie un aimant de polarisation. Les exemples représentés sur les figures 6 à 9 sont des exemples d'une telle polarisation. La configuration est alors dénommée parallèle.

Dans les figures 8 et 9, on obtient une optimisation de la polarisation grâce à une configuration appelée série parallèle.

Sur la figure 4, les aimants permanents sont tels que les flux générés par leur présence dans les circuits magnétiques 42 et 48 tournent dans le même sens.

On suppose, ainsi que représenté sur la figure 4, que les entrefers 44a et 44b sont quasi fermés et que la position du plateau est telle que les entrefers 44c et 44d sont pratiquement égaux à la course en extrémité de plateau, c'est-à-dire de l'ordre de 8 mm.

L'aimant permanent de polarisation 49a crée un flux magnétique 42 circulant en circuit fermé. Les inductions de polarisation Bpa et Bpb sont donc élevées dans les entrefers 44a et 44b.

Dans les entrefers 44c et 44d, l'induction Bpc et Bpd est plus faible car l'aimant 49b voit un entrefer relativement grand, mais elle n'est pas nulle. Cette induction génère une force assez faible qui réduit légèrement la force d'attraction principale engendrée par l'aimant 49a. L'utilisation d'aimants assez minces permet que cette force soit très réduite.

Lorsque la bobine 41 est alimentée, les inductions Bba et Bbb dans les entrefers 44a et 44b s'ajoutent (ou se retranchent selon le sens du courant) à l'induction due à la polarisation. Le flux magnétique engendré par le courant dans la bobine 41 peut être dans les deux sens giratoires et suit le même circuit 42 que le flux magnétique de polarisation. La bobine 41 voit alors un entrefer équivalent à l'épaisseur de l'aimant 49a. L'épaisseur de cet aimant est donc avantageusement réduite pour obtenir une grande efficacité d'actionnement par la bobine 41.

Dans le plateau 43, tous les flux s'ajoutent. En particulier, le flux généré par l'aimant 49a s'ajoute à celui généré par l'aimant 49b. Le flux engendré par un courant dans la bobine s'ajoute ou se retranche à cette somme des flux de polarisation.

La figure 5 présente une configuration proche de celle 35 présentée sur la figure 4. Ces deux exemples de configuration diffèrent par la direction de polarisation des aimants permanents 59a et 59b dans la figure 5 qui sont antiparallèles. Ainsi les aimants sont disposés de telle façon que les flux de polarisation générés par leur présence dans les circuits magnétiques 52 et 58 tournent dans des sens opposés. L'inversion du flux de l'aimant 59b conduit au retournement des inductions dans les entrefers 54c et 54d. Cela ne modifie pas les forces dans les entrefers. En revanche, dans le plateau, les deux inductions de polarisation sont en sens inverse et le flux total de polarisation est plus réduit par rapport à la configuration de la figure 4.

En position statique, l'étude du fonctionnement des deux configurations des figures 4 et 5 montre que les forces générées sont identiques dans les deux cas. La seule différence apparaît au niveau de la polarisation. Avec un modèle très simplifié de calcul d'induction à flux uniforme, on peut montrer que l'induction dans les entrefers c et d est de l'ordre du dixième de celle existant dans les entrefers a et b. Au niveau des forces, la contribution des entrefers c et d est donc de l'ordre du centième de celle des entrefers a et b. Au niveau du flux dans le plateau, la contribution de l'aimant b serait donc de l'ordre du dixième de celle de l'aimant a. Avec ce flux de polarisation, si on veut pouvoir faire circuler le flux de la bobine sans saturer, il est possible d'utiliser un plateau légèrement plus épais que pour la configuration de la figure 2b puisque l'induction de polarisation totale y est plus forte.

En fonctionnement dynamique, le flux dans le plateau créé par la polarisation reste toujours dans le même sens dans la configuration de la figure 4, alors qu'il s'inverse dans la configuration de la figure 5. Cela signifie que les courants induits dans le plateau sont plus importants dans la configuration de la figure 5 que dans la configuration de la figure 4. Pour le reste du circuit magnétique, le fonctionnement dynamique reste inchangé.

Sur la figure 6, représentant un cas de polarisation parallèle. Le circuit magnétique 68 dans lequel circule le flux magnétique engendré par la bobine 67 de l'électroaimant 66 lorsqu'elle est parcourue par un courant n'inclut pas un aimant permanent de polarisation. Il en est de même pour le circuit magnétique 62 dans lequel circule le flux magnétique engendré par un courant dans la bobine 61. Un seul aimant a été représenté sur la figure 6, mais le système fonctionne de la même façon avec un deuxième aimant comme pour la figure 8.

Sur la figure 7, le circuit magnétique 72 dans lequel circule le flux magnétique engendré par la bobine 71 n'inclut pas d'aimant permanent de polarisation. Il en est de même pour le circuit magnétique 78 dans lequel circule le flux magnétique engendré par la bobine 77 de l'électroaimant 76 lorsqu'elle est parcourue par un courant. L'aimant de polarisation 79 génère un flux 72'. Un seul aimant a été représenté sur la figure 7, mais le système fonctionne de la même façon avec un deuxième aimant (représenté en pointillés) comme pour la figure 9.

Dans les configurations parallèles présentées sur les figures 6 et 7, les entrefers vus par le circuit magnétique des bobines restent relativement grands, ce qui fait que les ampères tours perdent en efficacité.

Globalement, le dispositif de commande a besoin d'une très grande efficacité à faible entrefer. Cette efficacité est à considérer en terme de rendement mais aussi en terme d'aptitude à créer des forces importantes.

Les quatre exemples montrés sur les figures 3 à 7 fonctionnent bien à faible entrefer (appelé aussi entrefer fermé). Les différences de fonctionnement se situent uniquement au niveau de paramètres complémentaires comme les sections du plateau ou les courants induits.

Les configurations parallèles avec des aimants courts permettent avantageusement un fonctionnement de type parallèle à grand entrefer (c'est-à-dire entrefer ouvert) et de type série à petit entrefer (c'est-àdire à entrefer fermé). De telles configurations, appelées configurations série parallèle, sont décrites dans la suite. Elles sont telles que l'aimant permanent, bien que placé hors du circuit magnétique le plus court pour l'électroaimant, est traversé par une partie du flux magnétique généré par l'électroaimant de manière à ce que ledit flux traverse deux entrefers fermés.

La figure 8 et la figure 9 présentent respectivement deux configurations améliorées des configurations représentées sur les figures 6 et 7. Les aimants permanents implémentés sont en effet de taille réduite de manière à permettre aux flux engendrés par les bobines de les traverser plutôt que de parcourir un grand entrefer, c ou d. Les figures 8 et 9 ont été représentées avec deux aimants, mais un seul aimant suffit pour assurer leur fonctionnement.

Sur la figure 8, par rapport à la configuration de la figure 6, la circulation du flux de polarisation est inchangée. Le plateau referme complètement le circuit magnétique des aimants. La différence concerne la circulation du flux créé par les bobines. Si on suit une ligne de flux 82 généré par la bobine 81, elle traverse l'entrefer 84a créant le champ induit Bba, puis le plateau 83, puis l'entrefer 84b créant le champ induit Bba, puis l'aimant 89b créant le champ induit Bb9b, puis revient à la bobine 81. La ligne de flux évite donc en partie le grand entrefer c. En principe ce flux ne traverse pas l'aimant 89a car la réluctance offerte par le plateau 83 et les deux entrefers fermés 84a et 84b est pratiquement nulle. Ainsi le flux engendré par un courant dans la bobine 81 emprunte un circuit magnétique commun au flux de polarisation de l'aimant 89b. Quant à la bobine 87, son flux joue un role symétrique en traversant l'aimant 89a, puis l'entrefer 84a, le plateau 83, puis l'entrefer 84b. Le système peut donc fonctionner avec une seule bobine, 81 ou 87, ou avec les deux bobines alimentées simultanément.

Si le plateau est en position médiane, position stable 35 généralement obtenue grâce à des ressorts, pour laquelle les quatre entrefers sont identiques, le dispositif peut démarrer seul. En effet, dans ce cas non représenté, les quatre inductions de polarisation Bpa, Bpb, Bpc et Bpd sont identiques, mais l'induction créée par les bobines 81 ou 87 augmente les champs dans les entrefers 84a et 84b et réduit les champs dans les entrefers 84c et 84d, déclenchant le démarrage du dispositif.

Par rapport à la configuration de la figure 8, la configuration de la figure 9 est telle que la circulation du flux de polarisation est voisine. Pour la circulation des flux des bobines, la situation reste inchangée avec les ampères tours des deux bobines qui s'ajoutent et qui ne voient comme entrefer que l'épaisseur d'un seul aimant. Si on suit une ligne de flux généré par la bobine 91, cette ligne traverse l'entrefer 94a créant le champ induit Bba, puis le plateau 93, puis l'entrefer 94b créant lechamp induit Bbb, puis l'aimant 99b créant le champ induit Bb9b, puis revient à la bobine 91. La ligne de flux évite donc en partie le grand entrefer d. En principe ce flux ne traverse pas l'aimant 99a car la réluctance offerte par le plateau 93 et les deux entrefers fermés 94a et 94b est pratiquement nulle. En conséquence, il est possible de n'utiliser qu'une seule bobine à la fois pour le contrôle du dispositif. Comme pour le dispositif précédent, si le plateau est en position médiane, position stable généralement donnée par des ressorts pour laquelle les quatre entrefers sont identiques, le dispositif peut démarrer seul pour les mêmes raisons que ci-dessus.

Dans les deux configurations présentées sur les figures 8 et 9, le flux des bobines traverse un aimant mince pour la simplicité de l'explication. Un simple petit entrefer dépourvu d'aimant et traversé par les ampères tours en parallèle avec l'entrefer qui contient les aimants ainsi que représenté dans un cercle en pointillés sur la figure 9, ne changerait pas le fonctionnement du point de vue de la bobine. Ceci permet d'utiliser des sections relativement grandes pour les aimants permanents. De plus, ces aimants peuvent ne pas être soumis à des champs démagnétisants importants, ce qui permet d'utiliser des aimants bas de gamme et de grande section.

En fonctionnement statique, dans le plateau pour les configurations des figures 8 et 9, les bobines peuvent fonctionner séparément, chaque bobine contrôlant une des deux positions fermées. En fonctionnement dynamique, le flux de polarisation s'inverse dans la configuration de la figure 9 alors qu'il reste de même sens dans la configuration de la figure 8. Ceci peut conduire à des courants induits plus importants dans la configuration de la figure 9. Etant donné les sens des flux créés par les bobines, il est possible de n'utiliser qu'une seule bobine qui entoure les deux circuits magnétiques.

Le circuit magnétique des configurations dites série parallèle des figures 8 et 9 est assez simple, et il permet une grande variété de réalisations. Il est possible d'utiliser des entrefers vus par les bobines relativement petits, et donc de rendre la contribution des bobines plus efficace que pour les polarisations série.

On a donc montré qu'il est avantageux d'utiliser des dispositifs à faible épaisseur d'aimant pour obtenir un comportement série pour des petits entrefers et parallèle pour des grands entrefers.

Toutefois, il faut faire attention à l'utilisation de ces aimants minces, qui sont relativement fragiles, et qu'il faut protéger contre les chocs.

L'ensemble des configurations présentées à plat dans les figures 1 et 3 à 9 peuvent être réalisées en 3 dimensions d'une manière similaire à celle présentée en perspective sur la figure 10. La configuration plus précisément présentée repliée sur la figure 10 est similaire à la configuration présentée sur la figure 8. Cette configuration fonctionne avantageusement avec un seul aimant 109 de grande section et relativement mince, et avec un seul électroaimant 100 incluant une bobine 101, représentée en pointillés. Un plateau 103 est monté en rotation autour d'un axe 105 et destiné à être placé entre deux branches de l'électroaimant pour constituer les quatre entrefers.

Il existe de nombreuses possibilités de réaliser des variantes de l'invention. Notamment il existe des alternatives diverses pour l'alimentation commune ou successive des bobines, la structure géométrique du dispositif, etc. Quelques exemples de réalisation ont été décrits, d'autres sont succinctement évoqués ci-après.

Dans l'ensemble des figures, le plateau est situé au milieu des entrefers pour des raisons de simplicité au niveau des variations des forces de chaque côté du plateau. Cependant toute autre position du plateau telle que ce dernier est monté en rotation autour d'un axe situé entre les entrefers est concernée par l'invention.

En ce qui concerne les configurations de type série parallèle, les deux bobines peuvent aussi être alimentées simultanément.

On remarque également que les applications de l'invention peuvent être diverses. L'invention et ses modes de réalisation présentés peuvent être également appliqués dans des dispositifs de commande dans lequel les forces sont utilisées pour stabiliser la partie mobile au centre de l'entrefer ( palier magnétique ), et également dans des secteurs d'activité différents tels les disjoncteurs à commande électromagnétique.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commande électromagnétique de l'ouverture et de la fermeture d'un élément mécanique (17), le positionnement de l'élément mécanique (17) en au moins une position (ouverte ou fermée) étant obtenu par l'action d'au moins un électroaimant (10) agissant sur un plateau (13) incluant un matériau magnétique et commandant le positionnement de l'élément mécanique (17), caractérisé en ce que le dispositif présente au moins un premier (14a) et un second (14b) entrefer d'épaisseur variable destinés à être fermés par le plateau (13) lors du positionnement de l'élément mécanique (17) en au moins une position, le plateau (13) étant monté en rotation de manière à ce que l'axe de rotation (15) du plateau (13) passe entre les premier (14a) et second (14b) entrefers.

2. Dispositif selon la revendication 1, incluant un troisième (34c) et un quatrième (34d) entrefer d'épaisseur variable destinés à être fermés par le plateau (13) lors du positionnement de l'élément mécanique (17) en la seconde position, l'axe de rotation (15) du plateau (13) passant entre les premier, deuxième, troisième et quatrième entrefers.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la seconde position de l'élément mécanique {17) est obtenue par l'action d'un second électroaimant (36) agissant sur le plateau (33).

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif comprend au moins un aimant permanent (49) destiné à polariser le dispositif de manière à maintenir le plateau (43) dans au moins une position en l'absence de courant dans l'électroaimant.

5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le flux magnétique (42) généré par l'électroaimant (40) traverse l'aimant permanent (49a).

6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le flux magnétique principal (68) généré par l'électroaimant (66) ne traverse pas l'aimant permanent (69).

7. Dispositif selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, dans lequel le matériau magnétique inclus dans le plateau (13) est un matériau ferromagnétique.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'électroaimant (10) est constitué d'une bobine (11) et d'un circuit magnétique (12) incluant un noyau magnétique autour duquel s'enroule la bobine et quatre bras dont les quatre extrémités constituent chacune une face d'un entrefer, l'autre face de l'entrefer étant sur le plateau.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément mécanique (17) est une soupape.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'élément mécanique (17) est un disjoncteur à commande électromagnétique.