FR2989511A1 - Actionneur electromagnetique a aimant permanent. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un actionneur électromagnétique (100) comprenant un corps creux (101) doté d'un fond (102), une avancée centrale (103) située dans ledit corps (101), une bobine (104) de fil conducteur enroulée entre l'avancée centrale (103) et ledit corps (101), au moins deux aimants (105) permanents et un plateau mobile (106). La principale caractéristique d'un actionneur électromagnétique (100) selon l'invention, est que l'avancée centrale (103) présente une base (107) de largeur constante prolongée par une tête (108) élargie, et en ce que ladite base (107) est insérée dans la bobine (104) de sorte que la tête élargie (108) saille de ladite bobine (104) vers le fond (102) du corps (101), les deux aimants (105) étant insérés entre ladite tête (108) et ledit fond (102) en étant inclinés par rapport à l'axe longitudinal de l'avancée centrale (103).

Description

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE A AIMANT PERMANENT L'invention se rapporte à un actionneur électromagnétique à aimants permanents. De tels actionneurs sont avantageusement utilisés pour déplacer 5 des soupapes dans un moteur thermique de véhicule automobile, pour ouvrir ou fermer des conduits d'admission d'air ou des circuits d'échappement de gaz brûlés. La mise en oeuvre de ces actionneurs électromagnétiques a été instituée pour notamment remplacer un arbre à cames couramment utilisé pour déplacer l'ensemble des soupapes présentes dans un moteur. A chaque 10 soupape est associé un actionneur électromagnétique qui lui est propre, et toutes les soupapes peuvent donc être pilotées avec précision, indépendamment les unes des autres. Un dispositif d'actionnement d'une soupape, faisant intervenir un actionneur électromagnétique, est déjà connu. En effet, en se référant à la figure 1, un premier mode de réalisation 15 d'un tel dispositif de l'état de la technique comprend un premier ressort 20 hélicoïdal entourant une première tige 3 solidaire d'une soupape 1 et s'appuyant, d'un côté, contre une butée 22 solidaire de cette tige 3 et, d'un autre côté, contre une butée solidaire du corps du cylindre 21 correspondant. Cette première tige 3 est solidaire d'une deuxième tige 9 portant un 20 plateau 12 en matériau magnétique. Entre les tiges 3 et 9, on prévoit un jeu « j » permettant à la deuxième tige 9 de coulisser alors même que la première tige 3 reste immobile. Le plateau 12 est installé entre deux électroaimants 14 et 15 traversé par la deuxième tige 9. L'extrémité 19 de la deuxième tige 9 coopère avec l'extrémité d'un deuxième ressort 17. La seconde extrémité de 25 ce deuxième ressort 17 est solidaire d'un appui 18. Les deux ressorts 20 et 17 maintiennent le plateau 12 équidistant des deux électroaimants 14 et 15 lorsque ces derniers ne génèrent pas de champ magnétique. Cette position peut être réglée en faisant varier la position de l'appui 18. Lorsque l'électroaimant 14 est activé, il attire le plateau 12 et ce dernier vient au 30 contact d'une partie du circuit magnétique de cet électroaimant 14. Ce déplacement entraîne un coulissement des tiges 3 et 9, qui est tel que la tête de la soupape 1 est amenée à reposer sur son siège 5. La soupape 1 est alors fermée. Pour une valeur d'entrefer telle que la queue de soupape 1 est distante de l'extrémité de la tige 9 du plateau 12 magnétique, la force exercée par l'électroaimant ne doit égaler que l'action mécanique exercée par le ressort 17 de rappel solidaire du plateau 12, le ressort 20 solidaire de la queue de soupape étant bloqué par la position commutée de cette dernière. Lorsque l'électroaimant 15 est actif, ce dernier attire le plateau 12 qui vient au contact d'une partie du circuit magnétique de ce second électroaimant 15, entraînant les tiges 3 et 9, la tête de la soupape 1 s'éloignant par conséquent de son siège 5. La soupape 1 est alors en position ouverte. Les ressorts 17 et 20 sont associés au mouvement des tiges 9 et 3 en se comprimant ou en se détendant, suivant les mouvements de ces dernières, un système électromécanique résonnant étant ainsi formé. Un tel dispositif d'actionnement de soupape nécessite le passage d'un courant électrique permanent pour pouvoir fonctionner. La soupape 1 et le plateau 12 alternent ainsi des positions fixes, dites commutées, avec des déplacements transitoires entre ces deux positions. Par ailleurs, l'actionneur peut être muni d'aimants destinés à réduire l'énergie nécessaire au maintien du plateau 12 dans une position commutée, c'est-à-dire en contact contre un des électroaimants 14,15. De tels électroaimants sont dénommés électroaimants polarisés.

Certaines catégories de ce type d'actionneur, dites « polarisées », intègrent des aimants permanents, l'intérêt de telles structures étant d'obtenir des forces importantes sans apport de courant. Différentes géométrie d'intégration de ces aimants permanents dans un actionneur électromagnétique ont déjà été développées afin d'utiliser de façon optimisée et performante lesdits aimants en vue de maitriser le déplacement d'un objet, pouvant par exemple être une soupape. En se référant à la figure 2a, selon une deuxième configuration connue d'implantation de ces aimants permanents, l'actionneur électromagnétique 30 comprend un corps 31 parallélépipédique en acier présentant deux bords périphériques 32 parallèles, ainsi qu'une avancée centrale 33 parallélépipédique située au milieu desdits bords 32, l'avancée 33 et lesdits bords 32 ménageant entre eux un espace 34 dans lequel est logée une bobine 35 parallélépipédique d'un fil conducteur. Le corps 31 comporte une embase 36 permettant de relier rigidement l'avancée centrale 33 et les deux bords périphériques 32, une face 37 de cette embase 36 matérialisant le fond de l'espace 34 dans lequel est placée la bobine 35. Un aimant permanent 38 est placé au niveau d'une extrémité libre de l'avancée centrale 33, de façon à s'étendre perpendiculairement à l'axe de symétrie central de la bobine 35 et de ladite avancée 33. Ce corps cylindrique 31 muni de tous ses éléments permet de déplacer un plateau 39 magnétique dans le sens indiqué par la flèche 40 et qui est parallèle à l'axe de la bobine 35, le déplacement dudit plateau 39 contribuant à déplacer, par exemple, une soupape.

En se référant à la figure 2b, une troisième configuration connue diffère de la configuration précédemment décrite en ce que l'aimant permanent 38 est inséré an milieu de l'avancée centrale 33 considéré par rapport à son axe longitudinal. Cette configuration est sensiblement équivalente à la précédente d'un point de vue performance.

En se référant à la figure 3, selon une quatrième configuration connue, au moins deux aimants permanents 38 sont placés à l'arrière de la bobine 35, dans l'embase 36 du corps 31, en s'étendant selon l'épaisseur de ladite embase 36, et débouchant chacun au niveau du fond 37 de l'espace dans lequel se situe la bobine 35. Cette configuration n'est qu'une simple alternative des configurations précédentes. Ces configurations ont pour inconvénient de ne pas être géométriquement optimisées, les performances magnétiques de ces aimants permanents 38, en particulier les forces qu'ils délivrent, étant insuffisantes. En se référant à la figure 4, une cinquième configuration de l'état de la technique, améliorée par rapport aux trois précédentes, a été développée dans le but d'accroître l'efficacité de ces aimants permanents en les repositionnant dans l'actionneur 30. Deux aimants parallélépipédiques 38 sont insérés dans l'avancée centrale 33 en étant disposés en V et en se retrouvant au moins partiellement à l'intérieur de la bobine 35. Autrement dit, les deux aimants 38 divergent progressivement le long de l'axe longitudinal de l'avancée centrale 33, en s'éloignant du fond 37 de l'espace 34 logeant la bobine 35. Or, une telle configuration demeure assez encombrante, dans la mesure où l'avancée centrale a du être réajustée pour présenter une section profilée complexe, et a du être élargie pour supporter les aimants permanents 38 avec leur agencement spécifique. Un autre inconvénient de cette configuration, est que cette avancée centrale 33 doit impérativement être maintenue mécaniquement, car elle risque d'être attirée par le plateau 39, et 5 donc de sortir de l'actionneur 30. Ce maintien est habituellement réalisé au moyen de pièces ajoutées ou d'espaces spécialement conçus dans l'actionneur 30 pour assurer cette fonction spécifique de retenue, lesdits espaces et pièces complexifiant la géométrie dudit actionneur 30, sans remplir de fonction motrice majeure au sein de celui-ci. Enfin, l'angle aigu entre les aimants 10 permanents 38 ne facilite pas l'aimantation des éléments présents dans le corps 31, lors de la fabrication de l'actionneur 30. Les actionneurs électromagnétiques selon l'invention ont été conçus de manière à résoudre l'ensemble de problèmes rencontrés avec les actionneurs électromagnétiques de l'état de la technique mentionnés ci-dessus. 15 L'invention a pour objet un actionneur électromagnétique comprenant un corps creux doté d'un fond, une avancée centrale située dans ledit corps, une bobine de fil conducteur enroulée entre l'avancée centrale et ledit corps, au moins deux aimants permanents et un plateau mobile. La principale caractéristique d'un actionneur électromagnétique selon 20 l'invention, est que l'avancée centrale présente une base de largeur constante prolongée par une tête élargie, ladite base étant insérée dans la bobine de sorte que la tête élargie saille de ladite bobine vers le fond du corps, les deux aimants étant insérés entre ladite tête et ledit fond en étant inclinés par rapport à l'axe longitudinal de l'avancée centrale. 25 Autrement dit, les deux aimants se retrouvent dans une position, qui n'est ni parallèle ni perpendiculaire à l'axe de symétrie de la bobine, lesdits aimants introduisant un angle avec le chemin magnétique, étranglant ainsi le flux dans l'avancée centrale. Avec cette configuration, la bobine est moins haute et plus large que celles déjà existantes, cette géométrie favorisant une 30 diminution des courants de fuite, notamment entre l'avancée centrale et le corps cylindrique. En étant placé à l'extérieur de la bobine, et en position inclinée, les aimants demeurent particulièrement efficaces au niveau de la force magnétique qu'ils génèrent. La tête élargie bloque l'avancée centrale contre la bobine, dans les cas où elle serait attirée par le plateau et risquerait de sortir dudit actionneur. Le plateau est conformé pour être particulièrement sensible à l'influence de l'aimant permanent, et est donc amené à bouger pour contribuer ainsi à déplacer un objet qui lui serait solidaire, comme par exemple une soupape d'un moteur thermique de véhicule. Il est supposé que chaque aimant a une forme parallélépipédique et peut être assimilé à une plaque.

Préférentiellement, la tête élargie présente deux parois planes inclinées se rejoignant pour former une arête distale, un aimant étant placé contre chacune desdites parois inclinées. De cette manière, les deux aimants présentent une section globale en forme de V. Avantageusement, la base et la tête élargie définissent un épaulement plan, l'avancée centrale étant en appui contre la bobine au niveau dudit épaulement. De cette manière, l'avancée centrale est en appui plan contre la bobine et se retrouve ainsi bloquée avec une efficacité accrue contre ladite bobine. De façon préférentielle, chaque aimant vient en appui à la fois contre 20 le fond du corps et contre une paroi inclinée de la tête élargie. Ainsi, chaque aimant est bloqué derrière l'avancée centrale par rapport au plateau mobile, et se retrouve protégé de toute sollicitation externe, en étant isolé. De façon avantageuse, le fond du corps comprend deux parois inclinées qui sont parallèles aux parois inclinées de la tête élargie, chaque 25 aimant étant inséré entre lesdites parois. L'espace libre ménagé entre le fond du corps et la surface externe de la tête élargie est ainsi délimité par deux surfaces parallèles, permettant à l'aimant, qui est destiné à venir occuper cet espace, d'avoir une épaisseur constante. De cette manière, l'aimant et rapide et facile à fabriquer. 30 Préférentiellement, chaque aimant est incliné d'un angle e avec l'axe de symétrie central de l'avancée, ledit angle étant compris entre 10° et 60°.

De cette manière, les aimants peuvent se retrouver dans une position très ouverte par rapport à l'axe de rotation de l'avancée, notamment lorsque l'angle e se situe aux alentours de 20°, facilitant grandement la magnétisation des différents sous-ensembles de l'actionneur électromagnétique.

Avantageusement, l'angle e est compris entre 20° et 50°. De façon préférentielle, le corps et l'avancée centrale sont en acier. De façon avantageuse, les deux aimants sont aptes à déplacer le plateau en translation. En effet, la force engendrée par les aimants va servir à déplacer le plateau afin de manoeuvrer un objet qui est solidaire dudit plateau.

La présence d'un plateau est recommandée, dans la mesure où il offre une surface étendue, qui sera particulièrement sensible à l'influence des aimants. Il suffira de lui adjoindre un objet quelconque, afin de pouvoir déplacer ledit objet sous l'effet de l'aimant. L'invention a pour deuxième objet l'utilisation d'un actionneur électromagnétique selon l'invention pour piloter l'ouverture ou la fermeture d'une soupape d'un moteur thermique de véhicule. En effet, un actionneur électromagnétique selon l'invention est particulièrement adapté au pilotage d'une soupape. Ainsi, dans un moteur équipé de plusieurs soupapes, un actionneur électromagnétique individuel sera couplé à chacune desdites soupapes, afin que les soupapes puissent être déplacées indépendamment les unes des autres. Un actionneur électromagnétique selon l'invention présente l'avantage de posséder une bonne efficacité magnétique et de limiter les courants de fuite, tout en demeurant d'un encombrement réduit. Il a de plus l'avantage de pouvoir être fabriqué avec maîtrise, rapidement et facilement. Il présente enfin l'avantage d'être compatible avec une utilisation dans un espace réduit et peu accessible, comme par exemple un environnement de moteur thermique de véhicule, pour piloter une soupape. On donne ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation 30 préféré d'un actionneur électromagnétique selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 5, - La figure 1 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon l'état de la technique, - La figure 2a est une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon l'état de la technique, - La figure 2b est une vue schématique en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon l'état de la technique, - La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un quatrième mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon l'état de la technique, - La figure 4 est une vue schématique en coupe d'un cinquième mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique selon l'état de la technique, - La figure 5 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation préféré d'un actionneur électromagnétique selon l'invention, - Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites. Pour bien comprendre l'invention, l'axe de symétrie de l'actionneur est un axe qui traverse le plateau, l'avancée centrale et le fond du corps en leur centre.

En se référant à la figure 5, un actionneur électromagnétique 100 selon l'invention comprend un corps 101 creux en acier, possédant un fond 102 plein et une paroi périphérique 115, une avancée centrale 103, une bobine 104 de fil conducteur pouvant par exemple être du cuivre, deux aimants permanents 105 et un plateau 106 mobile.

L'avancée centrale 103 est constituée par une base 107 parallélépipédique pleine de largeur constante, et par une tête élargie 108 présentant deux parois inclinées 113, la section de ladite tête 108 étant supérieure à celle de ladite base 107 au niveau de leur zone de contact, ladite section s'amenuisant progressivement pour se terminer par une arête 109. De façon plus globale, l'avancée centrale 103 présente un axe de symétrie traversant la base 107 et la tête 108 en leur centre, une première extrémité 110 de ladite avancée 110 prise selon cette axe, étant matérialisée par une face d'extrémité rectangulaire de la base 107, et une deuxième extrémité étant constituée par ladite arête 109. Cette avancée centrale 103 présente un épaulement 111 au niveau de la zone de contact entre la base 107 et la tête 108, cet épaulement 111 correspondant à une surface plane appartenant à ladite tête 108. Le fond 102 du corps cylindrique 101 comporte une protubérance externe 112, et la surface interne dudit fond 102 est profilée de manière à définir deux parois inclinées 114, dont l'angle d'inclinaison est égal à l'angle d'inclinaison des deux parois inclinées 113 de la tête élargie 108 de l'avancée centrale 110, si bien que ladite tête 108 pourrait venir s'emboîter idéalement dans le fond du corps 101, sans laisser subsister de jours. Les deux aimants permanents 105 sont deux objets parallélépipédiques, possédant une épaisseur constante, et sont placés entre les parois inclinées 114 du fond 102 du corps 101, et les parois inclinées 113 de la tête élargie 108 de l'avancée centrale 103. Pour résumer la configuration globale de l'actionneur électromagnétique 100 selon l'invention, l'avancée centrale 103 est insérée tête la première dans le corps cylindrique 101, en venant en appui contre un aimant 105 qui a été placé sur chaque paroi inclinée 114 du fond 102 dudit corps 101, la bobine 104 étant alors enroulée dans un espace délimité par la paroi externe de la base cylindrique 107 de l'avancée centrale 103, et par la paroi périphérique 115 dudit corps cylindrique 101 de l'actionneur 100. L'avancée centrale 103 est en appui contre la bobine 104 au niveau de son épaulement 111, si bien que ladite avancée centrale 103 demeure bloquée le long de son axe de symétrie, à l'intérieur de l'actionneur 100, même lorsqu'elle est attirée par le plateau mobile 106. L'actionneur 100 ainsi doté de tous ses éléments, présente un axe de symétrie. Chaque aimant permanent 105 est incliné d'un angle e avec ledit axe de symétrie, qui est préférentiellement compris entre 20° et 50°, chaque aimant 105 se retrouvant à l'extérieur de la bobine 104. Plus précisément, les aimants 105 sont disposés de façon symétriques par rapport à l'axe de symétrie de l'actionneur 30, traversant l'avancée centrale 103 et le fond 102 du corps 101 en leur centre. Le plateau mobile 106 peut être assimilé à une plaque parallélépipédique de faible épaisseur, montée sur le corps 101 de l'actionneur 100, et dont l'axe de symétrie central est confondu avec celui dudit corps 101, ledit plateau 106 étant sensible aux sollicitations magnétiques. Ce plateau 106 s'étend dans une direction qui est perpendiculaire à l'axe de symétrie de l'actionneur, et est susceptible de se déplacer en translation le long de son axe de symétrie, pour se rapprocher ou s'éloigner du corps 101 de l'actionneur 100. L'avancée centrale 103 et la bobine 104 se retrouvent ainsi entre les aimants 105 permanents et le plateau 106 mobile. Selon un mode de réalisation préféré d'un actionneur électromagnétique 100 selon l'invention, le plateau 106 est solidarisé à une soupape d'un moteur thermique de véhicule, pour piloter l'ouverture ou la fermeture de ladite soupape.

Le profil en flèche de l'avancée centrale 103 va contribuer à étrangler le flux dans ladite avancée centrale 103. La bobine 104, qui va se retrouver moins haute et plus large, va limiter les fuites entre les différents éléments de l'actionneur 100. L'angle que fait chaque aimant 105 avec l'axe de symétrie central de l'actionneur 100 étant plus ouvert que celui rencontré dans les configurations de l'état de la technique, comme cela est par exemple illustré à la figure 4, il facilitera la magnétisation des sous-ensembles constitutifs de l'actionneur 100.15

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique (100) comprenant un corps creux (101) doté d'un fond (102), une avancée centrale (103) située dans ledit corps (101), une bobine (104) de fil conducteur enroulée entre l'avancée centrale (103) et ledit corps (101), au moins deux aimants (105) permanents et un plateau mobile (106), caractérisé en ce que l'avancée centrale (103) présente une base (107) de largeur constante prolongée par une tête (108) élargie, et en ce que ladite base (107) est insérée dans la bobine (104) de sorte que la tête élargie (108) saille de ladite bobine (104) vers le fond (102) du corps (101), les deux aimants (105) étant insérés entre ladite tête (108) et ledit fond (102) en étant inclinés par rapport à l'axe longitudinal de l'avancée centrale (103).
2. 2. Actionneur électromagnétique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête élargie (108) présente deux parois planes inclinées (113) se rejoignant pour former une arête (109) distale, et en ce qu'un aimant (105) est placé contre chacune desdites parois (113) inclinées.
3. 3. Actionneur électromagnétique (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base (107) et la tête élargie (108) définissent un épaulement plan (111), et en ce que l'avancée centrale (103) est en appui contre la bobine (104) au niveau dudit épaulement (111).
4. 4. Actionneur électromagnétique (100) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque aimant (105) vient en appui à la fois contre le fond (102) du corps (101) et contre une paroi inclinée (113) de la tête élargie (108).
5. 5. Actionneur électromagnétique (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fond (102) du corps (101) présente deux parois inclinées (114) qui sont parallèles aux parois inclinées (113) de la tête élargie (108), et en ce que chaque aimant (105) est inséré entre lesdites parois (113,114).
6. 6. Actionneur électromagnétique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque aimant (105) est incliné d'un angle 0 avec l'axe de symétrie central de l'avancée (103), ledit angle étant compris entre 10° et 60°.
7. 7. Actionneur électromagnétique (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'angle 0 est compris entre 20° et 50°.
8. 8. Actionneur électromagnétique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps (101) et l'avancée centrale (103) sont en acier.
9. 9. Actionneur électromagnétique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'aimant (105) est apte à déplacer le plateau (106) en translation.
10. 10.Utilisation d'un actionneur électromagnétique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour piloter l'ouverture ou la fermeture d'une soupape d'un moteur thermique de véhicule.