FR3074230A1

FR3074230A1 - Dipositif electromagnetique

Info

Publication number: FR3074230A1
Application number: FR1761443A
Authority: FR
Inventors: Samir Guerbaoui; Luis Amaya; Renaud Cham
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: FR3074230B1

Abstract

L'invention concerne un Dispositif électromécanique (1), notamment électrovanne, comportant : - Un corps (84) en matière plastique, - une bobine (20) logée dans le corps (84), - un élément (40) mobile sous l'effet du champ magnétique généré par la bobine, - un composant électronique (2) sensible à la température, séparé de la bobine (20) par une paroi (8) dudit corps d'épaisseur (r) inférieure ou égale à 1,5mm.

Description

DIPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE

La présente invention concerne les dispositifs électromécaniques comportant une bobine et un élément mobile sous l’effet du champ magnétique de la bobine, et plus particulièrement mais non exclusivement les électrovannes dites de purge canister utilisées dans le domaine automobile.

Le réservoir des véhicules à moteur thermique est muni d’un filtre à charbon actif appelé canister qui absorbe et retient les vapeurs de carburant provenant du réservoir.

Le canister est relié à l’admission du moteur via une électrovanne de purge qui est fermée lorsque le moteur est à l’arrêt et qui s’ouvre de façon à permettre la purge du filtre lorsque le moteur est en fonctionnement.

On connaît par le brevet EP 1 181 442 un exemple d’électrovanne de purge. De façon conventionnelle, Γélectrovanne comporte un noyau fixe creux en un matériau ferromagnétique s’étendant selon un axe, une bobine montée autour du noyau fixe et un élément d’obturation, mobile selon l’axe du noyau fixe sous l’effet du champ magnétique généré par la bobine.

La bobine de cette électrovanne subit lors du fonctionnement du moteur une variation importante de température qui entraîne une variation de sa résistivité électrique, et modifie son temps de réponse.

Il y a un intérêt à diminuer l’amplitude de variation du temps de réponse de Γélectrovanne afin d’améliorer le fonctionnement du circuit de purge.

Plus généralement, pour les dispositifs électromécaniques comportant une bobine et un élément mobile sous l’effet du champ magnétique de la bobine, il peut exister un intérêt à bénéficier de conditions de fonctionnement les plus homogènes possibles malgré les variations de température auxquelles sont exposés ces dispositifs dans leur environnement d’utilisation.

Il existe un besoin pour perfectionner encore les dispositifs électromécaniques et en particulier les électrovannes, notamment en vue d’obtenir des performances variant relativement peu avec la température.

L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient grâce à un dispositif électromécanique, notamment une électrovanne, comportant :

Un corps en matière plastique, une bobine logée dans le corps, un élément mobile sous l’effet du champ magnétique généré par la bobine, un composant électronique sensible à la température, séparé de la bobine par une paroi dudit corps d’épaisseur inférieure ou égale à 1,5 mm.

Le fait d’avoir une épaisseur de paroi réduite entre le corps et le composant sensible à la température permet d’avoir un bon couplage thermique entre les deux, et ainsi de pouvoir utiliser le composant électronique pour compenser une dérive d’au moins une caractéristique du dispositif avec la température, par exemple l’augmentation de la résistivité de la bobine avec la température, qui peut influencer son temps de réponse.

Le corps peut présenter, entre le composant sensible à la température et la bobine, une épaisseur de matière inférieure ou égale à 1 ou 0,75mm, et de préférence supérieure à 0,5mm.

De préférence, la matière plastique dudit corps présente, notamment entre la bobine et le composant sensible à la température une conductivité électrique supérieure ou égale à 0,25 W/m/K, mieux à 1 W/m/K.

De préférence, on fait en sorte que ledit corps présente entre la bobine et le composant sensible à la température une résistance thermique relativement faible, de préférence inférieure ou égale à 50 KW’¹.

Le composant électronique sensible à la température peut être tout composant adapté à la correction que l’on souhaite effectuer ; ce composant peut être isolé ou faire partie d’un circuit électronique plus complexe.

Le composant sensible à la température peut être un composant passif, tel qu’une résistance, ou un composant actif, à semi-conducteur.

De préférence, il s’agit d’une résistance de type CTN, et plus préférentiellement d’une résistance électrique de type CTN, reliée électriquement en série avec la bobine et couplée thermiquement à celle-ci de façon à compenser au moins partiellement la variation de la résistivité de la bobine avec la température.

La présence de la résistance CTN permet de compenser au moins partiellement l’évolution de la conductivité du conducteur électrique de la bobine avec la température ; ainsi, la résistance de l’ensemble constitué par la bobine et la résistance CTN varie moins que si la bobine était seule.

Les performances électriques du dispositif varient alors dans une moindre mesure avec la température, ce qui rend possible un contrôle plus précis du dispositif, et améliore la gestion des vapeurs de carburant dans le cas où ce dispositif est une électrovanne de purge.

De préférence, lorsque le composant sensible à la température est une résistance de type CTN, le dispositif comporte une résistance électrique montée en parallèle avec cette résistance de type CTN.

L’avantage est double. Tout d’abord, la présence de cette résistance permet de diminuer l’erreur de compensation due à la non-linéarité de la CTN. Ensuite, la résistance permet d’assurer une continuité de l’alimentation de la bobine en cas de défaillance de la résistance de type CTN.

La résistance peut être une résistance de puissance, par exemple sous la forme d’un composant discret de puissance comprise entre 1 et 5W.

Le corps peut présenter une paroi qui est amincie dans une zone entre la bobine et le composant électronique sensible à la température.

Ladite paroi présentant une épaisseur inférieure ou égale à 1,5 mm peut être tubulaire et définir un logement pour la bobine, cette paroi entourant entièrement la bobine dans au moins un plan de coupe perpendiculaire à l’axe de celle-ci. Cette paroi tubulaire peut être venue de moulage par injection avec le corps.

De préférence, le dispositif est une électrovanne, notamment de purge du circuit de gestion des vapeurs de carburant d’un véhicule automobile, mais l’invention trouve à s’appliquer à d’autres types de dispositifs électromécaniques où une compensation de la variation de la conductivité électrique de la bobine doit être réalisée.

De façon classique, lorsque le dispositif est une électrovanne, celle-ci peut alors comporter :

un noyau fixe creux en un matériau ferromagnétique, s’étendant selon un axe,

- la bobine, montée autour du noyau fixe,

- un noyau plongeur, mobile selon l’axe du noyau fixe sous l’effet du champ magnétique généré par la bobine.

De préférence, le noyau fixe présente une zone amincie, positionnée axialement entre les extrémités axiales du noyau plongeur. Cela permet d’atteindre plus facilement une saturation du matériau magnétique du noyau fixe dans la zone amincie et ainsi d’augmenter la force d’attraction du noyau plongeur vers la position prise par celui-ci lorsque la bobine est électriquement alimentée.

Cette particularité de réalisation permet d’accroître les performances de l’électrovanne, par exemple pour rendre celle-ci plus rapide lors de son passage de l’état d’obturation à l’état ouvert, ou permet, à caractéristiques constantes, de diminuer la section de cuivre et/ou le courant dans la bobine.

La zone amincie du noyau fixe peut ainsi avantageusement être réalisée de telle sorte que lorsque la bobine est parcourue par son courant nominal, elle soit saturée à plus de 95% par l’induction magnétique, voire à 100%.

La zone amincie peut être réalisée de diverses manières. De préférence, la zone amincie présente une diminution progressive de sa section jusqu’à un minimum de section, puis une augmentation progressive de sa section depuis ce minimum de section. Cela permet de limiter les fuites de champ magnétique, en évitant des zones très anguleuses, qui créent de forts gradients de champ.

La zone amincie peut être définie au moins partiellement par au moins un creux ouvert radialement vers l’extérieur, ménagé sur le noyau fixe. Ce creux est par exemple formé par usinage avec le reste du noyau fixe.

La zone amincie peut être délimitée extérieurement par une gorge annulaire de forme générale en V, ouverte radialement vers l’extérieur. Cette gorge est de préférence de forme biconique. Elle peut être symétrique par rapport à un plan médian de symétrie, perpendiculaire à l’axe longitudinal du noyau fixe. De préférence, la zone amincie est délimitée au moins partiellement par au moins un cône dont l’angle par rapport à l’axe du noyau fixe est compris entre 15 et 35°.

Le noyau fixe peut présenter une épaisseur de matière e_n en dehors de la zone amincie et une épaisseur minimale e_mi_n dans la zone amincie, avec e_min<e_n/2. On peut avoir e_n > 2 mm, mieux 2 < e_n < 4 mm. De préférence, on a e_mi_n <1,5 mm, mieux 0,75 mm < e_min < 1,25 mm.

La distance mesurée selon l’axe du noyau fixe, entre la zone la plus amincie d’épaisseur e_mi_n et l’extrémité axiale la plus proche du noyau plongeur, peut être comprise entre 1 et 2 fois e_min.

Le noyau fixe peut présenter, le long d’au moins une partie de la zone amincie, une surface cylindrique de révolution, de même axe que le noyau fixe. De préférence, cette surface cylindrique s’étend axialement le long d’une partie au moins de la gorge.

Le noyau fixe peut présenter un épaulement et une surépaisseur s’étendant entre la surface cylindrique et l’épaulement. Cette surépaisseur peut permettre d’ajuster l’intensité de la force d’attraction du noyau plongeur. L’épaulement peut servir de butée d’enfoncement à un insert en un matériau non magnétique, introduit dans le noyau fixe, servant de guide à un ressort de rappel du noyau plongeur en position d’obturation.

Le noyau plongeur peut porter un joint de clapet et être ramené dans une position d’obturation par un ressort hélicoïdal.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

- La figure 1 représente, de façon schématique, en perspective, un exemple d’électrovanne selon l’invention,

- la figure 2 représente en coupe axiale l’électrovanne de la figure 1,

- la figure 3 est un schéma électrique illustrant une possibilité de branchement de la résistance CTN,

- la figure 4 illustre l’effet de la variation de la température sur la résistance électrique de différents éléments constitutifs de l’électrovanne,

- la figure 5 représente en coupe transversale l’électrovanne,

- la figure 6 représente isolément le système électromagnétique de l’électrovanne de la figure 1,

- la figure 7 est une coupe axiale du système de la figure 6,

- la figure 8 représente isolément le noyau fixe,

- la figure 9 est un détail de la figure 7,

- la figure 10 représente isolément le noyau fixe en coupe axiale, et

- la figure 11 est un résultat de simulation de l’intensité de l’induction magnétique dans le noyau fixe et le noyau plongeur lors du fonctionnement de l’électrovanne.

L’électrovanne 1 représentée sur la figure 1 est destinée à être montée au sein d’un circuit d’évacuation des vapeurs de carburant d’un véhicule automobile, mais l’invention n’est pas limitée à cette application, ni à une électrovanne. L’électrovanne peut être connectée à des conduits d’entrée et de sortie non représentés grâce à des embouts respectifs 81 et 82. L’embout 82 peut être moulé avec le corps 84 de l’électrovanne, en matière plastique, et l’embout 81 avec une pièce 83 qui est rapportée sur le corps 84 et le ferme. L’électrovanne 1 comporte un connecteur pour son raccordement électrique, dont on aperçoit sur la figure 1 l’embase 85.

L’électrovanne 1 est, dans l’exemple considéré, fermée au repos, et s’ouvre lorsqu’alimentée électriquement, par exemple à une tension DC comprise entre 10 et 15V. Les matériaux de l’électrovanne sont choisis pour résister aux vapeurs d’hydrocarbures, notamment d’essence.

Le corps 84 de l’électrovanne 1 loge intérieurement un système électromagnétique, représenté isolément à la figure 6. Ce dernier comporte, comme on peut le voir notamment sur les figures 2 et 7, un noyau fixe 10, tubulaire d’axe X, porté à une extrémité par une platine 13 s’étendant perpendiculairement à l’axe X, le noyau 10 et la platine 13 étant en un matériau ferromagnétique doux tel que par exemple du fer ou un acier ferromagnétique. Le noyau 10 et la platine 13 peuvent être réalisés d’un seul tenant de façon monolithique, comme illustré à la figure 8, notamment par usinage.

L’électrovanne 1 comporte une bobine 20 montée sur un support 21, par exemple en matière plastique, d’axe X, cette bobine 20 s’étendant autour du noyau fixe 10 pour générer en son sein un champ magnétique lorsqu’alimentée électriquement. La bobine 20 est par exemple en fil de cuivre isolé, notamment émaillé.

Une culasse externe 30 en un matériau ferromagnétique permet d’assurer le rebouclage du flux magnétique entre l’extrémité 11 du noyau fixe 10 opposée à la platine 13 et cette dernière. La platine 13 présente à ses extrémités latérales des reliefs 14 diamétralement opposés, pour l’accrochage de pattes de fixation 31 de la culasse 30.

L’électrovanne 1 comporte également un élément déplaçable selon l’axe X sous l’effet du champ magnétique généré par la bobine 20, cet élément mobile étant sous la forme d’un noyau plongeur 40, réalisé en un matériau ferromagnétique, mobile axialement selon l’axe X à l’intérieur du noyau fixe 10.

Le noyau plongeur 40 est intérieur au noyau fixe, dans l’exemple considéré, et l’écoulement contrôlé par l’électrovanne, qui est de préférence gazeux (vapeurs de carburant en l’espèce), a lieu à son contact quand l’électrovanne est ouverte.

De préférence, le noyau plongeur 40 est en un matériau magnétique doux, qui perd son aimantation lorsque le champ magnétique de la bobine cesse, de même que le noyau fixe 10.

Le noyau plongeur 40 comporte comme on peut le voir sur la figure 7 une partie tubulaire 41 et une tête 42 formée par un retour annulaire vers l’intérieur. La tête 42 est traversée en son centre par un orifice pour le montage d’un joint de clapet 50. Ce dernier comporte une gorge annulaire dans laquelle s’engage le retour 42 et vient en appui contre un siège 80, visible sur la figure 2, lorsque l’électrovanne est au repos, pour fermer le conduit associé 81.

Un ressort de rappel 60 assure le retour du noyau plongeur 40 dans sa position de repos, de fermeture du conduit 81 précité, en l’absence d’alimentation électrique de l’électrovanne. Ce ressort 60 s’interpose entre une butée 61 formée par un insert 62 logé fixement dans le noyau 10, et la face intérieure de la tête 42 du noyau plongeur 40. Le ressort 60 est par exemple de forme hélicoïdale, étant guidé par l’insert 62. Ce dernier peut présenter un épaulement qui définit la butée 61. Cet épaulement peut être formé par une partie médiane élargie 63 de l’insert 62, située entre des parties d’extrémité 66 de forme ogivale tronquée, pour faciliter l’écoulement au sein de l’électrovanne quand celle-ci est ouverte. Dans la configuration ouverte, le joint 50 s’est décollé de son siège 80.

L’insert 62 est réalisé en un matériau non magnétique, par exemple une matière thermoplastique, et vient en appui, comme on peut le voir notamment sur la figure 5, par un épaulement 63 contre un épaulement correspondant 15 du noyau fixe 10.

Le noyau fixe 10 présente avantageusement une zone amincie 70 qui permet de concentrer l’induction magnétique dans celui-ci au point de saturer ou presque le matériau magnétique qui constitue ce noyau fixe, comme cela sera détaillé plus loin.

La résistance électrique de la bobine 20 augmente de façon linéaire avec la température, comme illustré à la figure 4.

De façon à compenser cette augmentation, l’électrovanne comporte une résistance 2 de type CTN, dont la résistance diminue lorsque la température augmente, reliée électriquement en série avec la bobine 20, comme illustré à la figure 3.

Un exemple de diminution de la résistivité de la résistance 2 de type CTN avec la température est illustré à la figure 4.

Une résistance de puissance 3 peut être montée en parallèle avec la résistance 2 pour ajuster la manière dont la résistance totale entre le point d’alimentation 4 et la masse 5 évolue en fonction de la température. La variation de la résistance électrique du circuit formé par les résistances 2 et 3 en parallèle est illustrée à la figure 4.

On voit également sur cette figure que l’évolution de la résistance électrique du circuit global entre les bornes 4 et 5 est relativement constante, ce qui confère à Γélectrovanne des performances sensiblement constantes avec la température, dans une plage allant par exemple de -25 °C à +120°C.

De préférence, la résistance 2 est disposée au sein de Γélectrovanne de façon à avoir un bon couplage thermique entre la bobine 20 et la résistance 2, de façon à ce que toute variation de résistivité de la bobine 20 liée à une variation de sa température soit compensée le plus rapidement possible par une évolution correspondante de la température de la résistance 2.

La façon d’assurer ce couplage thermique est ici de réduire la résistance thermique entre la bobine 20 et la résistance 2, en jouant sur l’épaisseur de matière séparant la bobine 20 de la résistance 2.

On peut ainsi, comme illustré à la figure 5, faire en sorte de rapprocher au mieux la résistance 2 de la bobine 20 grâce à un amincissement de la paroi 8 entourant la bobine 20, dans une zone 7 séparant la bobine 20 de la résistance 2. La paroi 8 peut être cylindrique en dehors de la zone amincie 7, au moins dans la portion séparant le logement recevant la bobine et le compartiment recevant les résistances 2 et 3, et avoir en dehors de la zone amincie 7 une épaisseur / comprise entre 1.5 mm et 2.5 mm, de préférence supérieure à 1,5mm, par exemple de 2mm.

L’épaisseur de paroi r dans la zone amincie 7 est inférieure à 1,5mm, par exemple de l’ordre de 1mm, de façon à avoir une résistance thermique inférieure à 50 K/W entre la résistance 2 et la bobine 20. Cette épaisseur pourra dépendre de la matière plastique utilisée, et de sa conductivité, par exemple en raison de la présence de charges.

De préférence, la conductivité thermique du matériau de la paroi 8 est meilleure que 0,25 W/m/K.

On obtient ainsi une bonne synchronisation de la température de la résistance 2 par rapport à la bobine 20 et l’on diminue l’erreur de correction de la température par la résistance 2.

En revenant aux figures 8 à 11, on peut donner à la zone amincie 70 présente sur le noyau fixe 10 des formes diverses. Toutefois, comme illustré à la figure 10 notamment, on préfère réaliser la zone amincie 70 avec une forme biconique en creux. La zone amincie 70 est délimitée, du côté radialement extérieur, par une gorge 71 présentant deux surfaces coniques 72 et 73 d’axe X, respectivement convergente et vers le bas et divergente vers le haut. L’angle a que fait chaque surface conique 72 ou 73 avec l’axe X est par exemple compris entre 15 et 35°.

La présence de la zone amincie saturée 70 permet d’assurer un couplage magnétique fort avec le noyau plongeur. On a de préférence une saturation à 100% de la matière par l’induction magnétique dans la zone amincie 70.

On a représenté à la figure 11 le résultat d’une simulation montrant l’intensité de l’induction magnétique dans le matériau du noyau fixe 10, la saturation intervenant là où la paroi du noyau fixe 10 est la plus mince. Sur cette figure, les zones claires correspondent aux zones où l’induction magnétique est la plus forte.

La conicité des surfaces 72 et 73 tend à assurer une homogénéisation de l’induction magnétique dans la zone où la réduction de section est la plus forte.

La valeur d’inclinaison a ci-dessus permet d’assurer un couplage sans trop de fuites magnétiques, mais suffisamment fort pour assurer une discontinuité d’induction magnétique du fait de la saturation dans la zone amincie 70.

On voit sur la figure 9 qu’il existe, au repos, un entrefer 88 de longueur e selon l’axe X entre l’extrémité inférieure du noyau plongeur 40 et l’épaulement 15 du noyau fixe 10; cet entrefer 88 permet au noyau plongeur 40 de se déplacer axialement vers le bas lorsque la bobine électrique est alimentée, sous l’effet du champ magnétique créé par celleci.

Le noyau fixe 10 peut présenter sur sa surface radialement intérieure, en regard du noyau plongeur 40, notamment dans la zone à hauteur de la gorge 71, une surface cylindrique de révolution 75 autour de l’axe X, comme illustré à la figure 10.

Une surépaisseur 76 peut être formée en deçà de la zone où l’épaisseur de paroi du noyau fixe 10 est minimale, comme on le voit sur la figure 10.

Une telle surépaisseur 76 permet, en choisissant son extension axiale et son épaisseur, d’ajuster précisément la force exercée sur le noyau plongeur 40 lorsque la bobine 20 est alimentée électriquement.

Le fond de la gorge 71 peut présenter, du côté radialement extérieur, en section axiale, un rayon, par exemple de l’ordre de 0,2mm.

La distance de chevauchement l entre le fond de la gorge 71 et l’extrémité inférieure du noyau plongeur 40, mesurée selon l’axe X, est par exemple comprise entre 0,1 et 0,4 mm, étant par exemple de l’ordre de 0,3mm. Cette distance l est par exemple comprise entre 1 et 2 fois e_min.

L’épaisseur e_n du noyau fixe 10 en dehors de la zone amincie vérifie par exemple la relation e_mj_n<e_n/2 où e_mj_n est l’épaisseur minimale dans la zone amincie, comme on peut le voir sur la figure 6. On a par exemple e_n > 2 mm, mieux 2 < e_n < 4 mm, et e_mj_n<1.5 mm, mieux 0,75 mm < e_min < 1,25mm.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. On peut notamment modifier la forme de la zone amincie 70 en fonction du résultat recherché et en particulier de la position que l’on cherche à donner au noyau plongeur 40 lorsque l’électrovanne est alimentée électriquement.

On peut réaliser autrement encore le couplage thermique entre la résistance 2 et la bobine 20. En particulier, on peut combiner à la fois le couplage à l’aide d’un élément bon conducteur thermique et une réduction de l’épaisseur de la paroi 8 entre la bobine 20 et la résistance 2.

L’invention peut trouver à s’appliquer à des actionneurs linéaires.

La résistance 2 peut être remplacée par un capteur de température relié à un circuit électronique configuré par exemple pour compenser l’évolution de la conductivité de la bobine avec la température ou transmettre la température de la bobine à un circuit externe au dispositif, chargé de commander le fonctionnement de la bobine.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif électromécanique (1), notamment électrovanne, comportant :

Un corps (84) en matière plastique, une bobine (20) logée dans le corps (84), un élément (40) mobile sous l’effet du champ magnétique généré par la bobine, un composant électronique (2) sensible à la température, séparé de la bobine (20) par une paroi (8) dudit corps d’épaisseur (r) inférieure ou égale à 1,5mm.
2. Dispositif électromécanique selon la revendication 1, le composant électronique (2) étant une résistance de type CTN.
3. Dispositif selon la revendication 2, comportant une résistance électrique (3) montée en parallèle avec la résistance (2) de type CTN.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit corps (84) présentant entre la bobine (20) et le composant (2) une résistance thermique inférieure ou égale à 50 KW’¹
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit corps (84) présentant une paroi (8) qui est amincie dans une zone (7) entre la bobine (20) et ledit composant (2).
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, le corps présentant entre le composant (2) et la bobine (20) une épaisseur de matière inférieure ou égale à 1mm, et de préférence supérieure à 0,5mm.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, la matière plastique dudit corps (84) présentant une conductivité électrique supérieure ou égale à 0,25 W/m/K.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ladite paroi (8) étant tubulaire (8) et définissant un logement pour la bobine (20), cette paroi (8) entourant entièrement la bobine (20) dans au moins un plan de coupe perpendiculaire à l’axe de celle-ci.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, étant une électrovanne (1), notamment de purge du circuit de gestion des vapeurs de carburant d’un véhicule automobile.