FR3113931A1

FR3113931A1 - Dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique

Info

Publication number: FR3113931A1
Application number: FR2009055A
Authority: FR
Inventors: Gwénael CHANGEON; Laurent ECK
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: FR3113931B1

Abstract

L’invention concerne un dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique, caractérisé en ce qu’il comprend : Un premier élément ; Un deuxième élément ayant au moins un degré de liberté par rapport au premier élément ; Un dispositif à aimants permanents en connexion avec le premier élément et/ou le deuxième élément, le dispositif à aimants permanents comprenant : N paires d’aimants à aimantation diamétrale (24), N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, réparties autour du guide (23) ; Un actionneur des N paires d’aimants (24) en rotation, configuré pour entraîner un premier aimant d’une paire en opposition de sens par rapport à un second aimant de ladite paire ; Un fluide magnéto-rhéologique dans la cavité (22), apte à passer d’un état au repos lorsque l’actionneur est dans une configuration angulaire initiale à un état activé lorsque l’actionneur entraîne les N paires d’aimants (24) en rotation. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique

L’invention se situe dans le domaine technique des dispositifs contrôlables à fluide magnéto-rhéologique. L’invention s’applique à tout dispositif magnéto-rhéologique contrôlable, comme par exemple, et de manière non-limitative, un dispositif de freinage, d’embrayage ou d’amortissement, incluant les dispositifs mettant en œuvre le fluide en mode cisaillement ou valve.

Un fluide magnéto-rhéologique est un fluide qui modifie ses propriétés lorsqu’il est soumis à un champ magnétique. Un champ magnétique appliqué à un tel fluide magnéto-rhéologique provoque une modification de la viscosité du fluide, qui fait passer le fluide d’un état liquide à un état pâteux. C’est ce que l’on appelle l’effet MR. La réponse du fluide magnéto-rhéologique au champ magnétique qui lui est appliqué est rapide, de l’ordre de quelques millisecondes, et le phénomène est totalement réversible. Le fluide magnéto-rhéologique est composé d’un fluide isolant, appelé aussi fluide porteur (par exemple de l’huile), dans lequel sont dispersées des particules solides magnétisables. La forme de ces particules est généralement sphérique ou ellipsoïde. La taille des particules peut varier de quelques nanomètres (on parle alors de ferrofluide) à plusieurs dizaines de micromètres, avec une fraction volumique (rapport entre le volume des particules et le volume total) généralement de l’ordre de 10 % à 40 %.

La figure 1 représente schématiquement au niveau microscopique le fonctionnement d’un fluide magnéto-rhéologique dans un canal. Sur la partie supérieure de la figure 1, le fluide est au repos, c’est-à-dire qu’aucun champ magnétique ne lui est appliqué, les particules 6 sont suspendues à l’intérieur du fluide porteur 5 et distribuées de façon aléatoire en suspension. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué au fluide magnéto-rhéologique (partie inférieure de la figure 1), les particules microscopiques 6 s’alignent le long des lignes de champ magnétique dans la direction du flux magnétique 7. Ce phénomène augmente la viscosité du fluide. Le réseau ainsi formé génère une contrainte à l’écoulement dont l’amplitude dépend essentiellement des propriétés du fluide et de l’intensité du champ magnétique. Nous dirons que le fluide est dans un état activé. Il faut noter que le fluide entre dans l’état activé dès qu’un champ magnétique lui est appliqué, même très faible. Autrement dit, le fluide magnéto-rhéologique est dans un état activé dès qu’un champ magnétique minimal lui est appliqué. Le fluide magnéto-rhéologique peut donc être dans un état de repos ou dans un état activé, cet état activé comprenant une infinité de valeurs intermédiaires selon la valeur du champ magnétique qui lui est appliqué, entre une valeur minimale et une valeur maximale.

L’effet magnéto-rhéologique est notamment utilisé dans des dispositifs contrôlables de type de freinage, d’amortissement ou d’embrayage. De tels dispositifs, par exemple de freinage, à base de fluide magnéto-rhéologique de l’art antérieur utilisent classiquement une bobine d’excitation afin de générer un champ magnétique variable dont l’intensité permet d’ajuster l’effort de freinage souhaité. Lorsque l’utilisation d’une source d’énergie électrique n’est pas souhaitable, le champ magnétique peut être généré grâce à un ou plusieurs aimants permanents. Mais dans ce cas, l’effort de freinage obtenu est prédéfini par le dimensionnement du circuit magnétique et il n’existe pas de possibilité de réglage de cet effort, les caractéristiques du système sont donc imposées.

Une solution connue d’embrayage à fluide magnéto-rhéologique consiste à assurer l’activation et la désactivation du fluide magnéto-rhéologique par un aimant permanent. Ce dispositif présente un volume dont une partie est inhérente à la mise en œuvre du fluide par cisaillement, mais qui doit être augmenté d’un volume supplémentaire permettant le dégagement de l’aimant afin de « couper » le champ magnétique. Autrement dit, il faut prévoir un volume de déplacement des aimants permanents activant et désactivant l’effet MR. Le volume global du dispositif est donc fortement augmenté. D’autre part, le déplacement de l’aimant nécessite de vaincre des forces d’attraction et de répulsion avec le reste du circuit magnétique et le dispositif nécessite donc un effort de commande non négligeable.

L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un dispositif contrôlable mettant en œuvre un fluide magnéto-rhéologique (MR), sans alimentation électrique, et dont le contrôle du comportement est réalisé par un ensemble d’aimants permanents. Le dispositif contrôlable n’a donc pas besoin d’alimentation électrique. Un tel dispositif contrôlable présente les avantages d’un encombrement réduit et d’une absence de variation du volume du circuit magnétique, tout en garantissant des possibilités de réglage du champ magnétique, et donc des efforts de freinage, grâce à un agencement des aimants au sein du circuit magnétique du système MR. Par ailleurs, les couples mécaniques dus à l’interaction magnétique des aimants sont globalement annulés ce qui conduit à une possibilité de réglage par le biais d’une commande mécanique ne nécessitant que très peu d’effort d’actionnement.

A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique, caractérisé en ce qu’il comprend :

Un premier élément ;
Un deuxième élément ayant au moins un degré de liberté par rapport au premier élément ;
Un dispositif à aimants permanents en connexion avec le premier élément et/ou le deuxième élément, le dispositif à aimants permanents comprenant :
1. Un noyau interne ;
2. Une cavité disposée autour du noyau interne, destinée à recevoir du fluide magnéto-rhéologique, ladite cavité étant en connexion fluidique avec le premier élément et/ou le deuxième élément;
3. Un guide en matériau ferromagnétique disposé autour de la cavité;
4. N paires d’aimants à aimantation diamétrale, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, réparties autour du guide ;
5. Une couronne disposée autour des N paires d’aimants ;
6. Un actionneur des N paires d’aimants en rotation, configuré pour entraîner un premier aimant d’une paire en opposition de sens par rapport à un second aimant de ladite paire ;
7. Un fluide magnéto-rhéologique dans la cavité, apte à passer d’un état au repos lorsque l’actionneur est dans une configuration angulaire initiale à un état activé lorsque l’actionneur entraîne les N paires d’aimants en rotation, ledit fluide étant destiné à générer une force s’opposant au au moins un degré de liberté du deuxième élément de sorte à contrôler ledit au moins un degré de liberté du deuxième élément par rapport au premier élément.

Avantageusement, le dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique selon l’invention comprend en outre un dispositif de commande de l’actionneur en fonction d’une caractéristique d’un déplacement du deuxième élément par rapport au premier.

Avantageusement, le dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique selon l’invention comprend en outre un dispositif de réglage du dispositif de commande.

Avantageusement, chaque aimant des N paires d’aimants a une direction d’aimantation, exprimée en degrés, égale à où i est un indice de l’aimant, variant de 0 à N-1, et f(i) est une fonction définie telle que f(i) = +1 si i est pair et f(i) = -1 si i est impair, et AR correspond à l’angle de réglage de l’aimant, de valeur comprise entre 0° et 90°.

Avantageusement, les N paires d’aimants sont réparties symétriquement autour du guide.

Dans un mode particulier de l’invention, le premier élément est une chambre de vérin s’étendant selon un premier axe longitudinal et le deuxième élément est un piston positionné dans la chambre de vérin, ledit piston comprenant une tête ayant un degré de liberté en translation selon le premier axe longitudinal par rapport à la chambre de vérin.

Avantageusement, le dispositif à aimants permanents est disposé dans la tête du piston.

Avantageusement, le premier élément est le noyau interne et/ou le guide et le deuxième élément est constitué d’un arbre rotatif et d’une paroi d’un troisième élément entraînée en rotation par l’arbre rotatif, ladite paroi étant disposée dans la cavité.

Dans un mode particulier de l’invention, le premier élément est constitué d’un charnier et le deuxième élément est constitué d’un battant mobile en rotation autour d’un axe longitudinal par rapport au charnier, d’un arbre s’étendant selon l’axe longitudinal et d’un dispositif de transformation de mouvement de rotation autour de l’axe longitudinal en translation selon l’axe longitudinal, et vice versa.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :

la figure 1 représente schématiquement au niveau microscopique le fonctionnement d’un fluide magnéto-rhéologique dans un canal;

la figure 2 représente schématiquement le principe de l’invention selon l’invention ;

la figure 3 représente une vue en coupe du dispositif à aimants permanents selon l’invention ;

la figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation de l’actionneur selon l’invention ;

la figure 5 représente, dans une vue en coupe du dispositif à aimants permanents selon l’invention, les résultats d’une simulation par éléments finis du champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique dans l’état de repos ;

la figure 6 représente, dans une vue en coupe du dispositif à aimants permanents selon l’invention, les résultats d’une simulation par éléments finis du champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique dans l’état activé ;

la figure 7 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif contrôlable selon l’invention ;

la figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable selon l’invention ;

la figure 9 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable selon l’invention ;

la figure 10 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable selon l’invention ;

la figure 11 représente schématiquement le mode de réalisation d’un dispositif contrôlable selon l’invention dans deux positions différentes ;

la figure 12 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de réglage du dispositif de commande de l’actionneur selon l’invention.

Sur ces figures, dans un souci de clarté, les échelles ne sont pas respectées. Par ailleurs, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La figure 1 représente schématiquement au niveau microscopique le fonctionnement d’un fluide magnéto-rhéologique dans un canal et a déjà été présentée dans l’introduction.

la figure 2 représente schématiquement le principe de l’invention selon l’invention. Un dispositif contrôlable 10 à fluide magnéto-rhéologique est ainsi représenté. Le dispositif 10 comprend un premier élément 11 et un deuxième élément 12 ayant au moins un degré de liberté par rapport au premier élément 11. Il peut s’agir par exemple d’un degré de liberté en translation, ou bien d’un degré de liberté en rotation, ou de plusieurs degrés de liberté. Le dispositif contrôlable 10 comprend un dispositif à aimants permanents 20 en connexion 13 avec le premier élément 11 et/ou deuxième élément 12. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend un fluide magnéto-rhéologique apte à passer d’un état au repos à un état activé générant ainsi une force 14 s’opposant au mouvement relatif du deuxième élément 12 par rapport au premier élément 11. Cette force est contrôlable par l’intermédiaire du dispositif à aimants permanents 20. Les détails de l’invention sont décrits avec les figures suivantes.

La figure 3 représente une vue en coupe du dispositif à aimants permanents 20 selon l’invention. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend un noyau interne 21. Le noyau interne 21 est préférentiellement en matériau amagnétique mais il peut également être en un autre matériau. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend une cavité 22 disposée autour du noyau interne 21, destinée à recevoir du fluide magnéto-rhéologique, ladite cavité 22 étant en connexion fluidique avec le premier élément 11 et/ou le deuxième élément 12. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend un guide 23 en matériau ferromagnétique disposé autour de la cavité 22. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend N paires d’aimants à aimantation diamétrale 24, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, réparties autour du guide 23. Sur la figure 3, les aimants sont des aimants de forme cylindrique, mais ils peuvent aussi avoir toute autre forme par exemple et de manière non-limitative d’anneau, de disque, de cuboïde, de sphère. Les aimants 24 peuvent être répartis autour du guide de manière quelconque. Avantageusement, ils sont répartis symétriquement, et préférentiellement uniformément autour du guide 23. Comme représenté sur le côté de la figure 3, les aimants 24 sont à aimantation diamétrale, c’est-à-dire que les pôles magnétiques se situent de part et d’autre d’un diamètre de la base dans le cas d’un aimant cylindrique. Le dispositif à aimants permanents 20 comprend aussi une couronne 25 disposée autour des N paires d’aimants 24. La couronne 25 est préférentiellement en matériau ferromagnétique, mais elle peut également être en un autre matériau. Non représenté sur la figure 3 (mais visible sur la figure 4), le dispositif à aimants permanents 20 comprend un actionneur 26 des N paires d’aimants 24 en rotation, configuré pour entraîner un premier aimant 241 d’une paire 240 en opposition de sens par rapport à un second aimant 241 de ladite paire 240. Enfin, le dispositif à aimants permanents 20 comprend un fluide magnéto-rhéologique 27 destiné à être placé dans la cavité 22, apte à passer d’un état au repos lorsque l’actionneur 26 est dans sa configuration angulaire initiale à un état activé lorsque l’actionneur 26 entraîne les N paires d’aimants 24 en rotation dans un nouvel état angulaire, ledit fluide 27 étant destiné à générer une force 14 s’opposant au au moins un degré de liberté du deuxième élément 12 de sorte à contrôler ledit au moins un degré de liberté du deuxième élément 12 par rapport au premier élément 11.

Un premier avantage qui ressort du dispositif contrôlable selon l’invention est que le contrôle du comportement, classiquement réalisé par une bobine d’excitation dans des dispositifs de l’art antérieur, est ici remplacé par un ensemble d’aimants permanents. Le dispositif contrôlable selon l’invention n’a donc pas besoin d’alimentation électrique.

En outre, des possibilités de réglage du champ magnétique et donc des efforts appliqués au deuxième élément 12 sont rendues possibles par l’agencement des aimants 24 au sein du circuit magnétique du dispositif à aimants permanents 20. Cet ajustement s’obtient par simple rotation des aimants 24 les uns par rapport aux autres, avec pour avantages un encombrement réduit et une absence de variation du volume du circuit magnétique.

De plus, et comme cela sera explicité ci-dessous, les couples mécaniques dus à l’interaction magnétique des aimants 24 sont globalement annulés, ce qui conduit à une possibilité de réglage par le biais d’une commande mécanique ne nécessitant que très peu d’effort d’actionnement. Enfin, il est possible d’obtenir une grande dynamique pour le réglage du champ magnétique, à partir d’un champ quasiment nul au niveau du fluide magnéto-rhéologique jusqu’à un champ intense proche du niveau de saturation du fluide.

La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation de l’actionneur 26 selon l’invention. Comme mentionné précédemment, chaque aimant 24 doit subir une rotation en opposition de sens avec son voisin direct. Autrement dit, chaque paire d’aimants comprend deux aimants 20. L’un des deux aimants 20 est actionné dans un sens de rotation et l’autre des deux aimants 20 est actionné dans le sens inverse de rotation. En d’autres termes, chaque aimant tourne en sens inverse de l’aimant qui lui est adjacent. Cette configuration permet d’assurer le réglage de l’intensité du champ magnétique. Un exemple d’actionneur 26 comprend par exemple un jeu d’engrenages, comme représenté sur la figure 4. On rappelle que deux aimants présentant une direction d’aimantation diamétrale ayant des pôles de même signe en vis-à-vis vont créer une force et un couple de répulsion. Dans le cas du principe d’engrènement de la figure 4 et de par l’alternance des sens de rotation, les couples de répulsion générés vont au final s’annuler. D’autres types d’actionneur 26 pour permettre la rotation des aimants et connus de l’Homme du métier sont envisageables dans le cadre de l’invention. Il peut également s’agir d’un actionnement externe, par exemple par un utilisateur.

Avantageusement, le dispositif contrôlable de l’invention comprend un dispositif de commande 28 de l’actionneur 26 en fonction d’une caractéristique d’un déplacement du deuxième élément 12 par rapport au premier 11. La caractéristique d’un déplacement du deuxième élément 12 peut être, selon les modes de réalisation du dispositif contrôlable, une position linéaire ou angulaire, une vitesse linéaire ou angulaire, une accélération,… du deuxième élément. Grâce à l’agencement des aimants dans le dispositif à aimants permanents 20, le dispositif de commande 28 n’a que peu de couple mécanique à fournir pour mettre en rotation les aimants.

Le dispositif de commande 28 peut également être fonction d’une action externe. Il est ainsi rendu possible, par un dispositif adapté agissant sur le dispositif de commande des aimants, de programmer une fonction d’effort de freinage qui dépendrait de l’actionnement du dispositif. Cette commande peut être d’origine humaine, mécanique, pneumatique, hydraulique, par moteur électrique ou piézo-électrique, ou toute autre source d’actionnement.

Avantageusement, l’agencement des aimants est tel qu'il peut leur permettre de tourner librement autour de leur axe malgré les forces de répulsion. Ceci peut être obtenu par un guidage axial adapté à l’aide d’une liaison pivot, ou bien par un logement cylindrique pour l’aimant présentant un faible coefficient de frottement (lubrification, choix de matériau de type « glissant », …) ou par tout autre principe adéquat connu de l’homme du métier.

Il faut noter que l’actionneur 26 représenté à la figure 4 est un exemple d’un mode d’actionnement des aimants. L’invention comprend toute autre variante d’actionneur.

En variante pour l’entraînement des aimants, on peut également utiliser un jeu de poulies associées à une courroie, un jeu de pignons associés à une chaîne, des cames ou des biellettes ou tout autre procédé permettant une rotation alternée. En variante, chaque aimant 20 peut disposer de son propre actionneur permettant sa mise en rotation. Il peut s’agir par exemple d’un mini moteur électrique ou mini moteur piézo-électrique. Même si chaque aimant peut être actionné indépendamment, il est avantageux de les actionner simultanément, par exemple par un jeu d’engrenages ou de poulie/courroies ou tout autre dispositif mécanique (chaîne, came, biellette, …).

La mise en rotation des aimants 20, par l’actionneur 26, en lien avec le dispositif de commande 28, permet donc le réglage du champ magnétique dans le fluide magnéto-rhéologique et, de ce fait, le réglage des contraintes mécaniques développées par le fluide magnéto-rhéologique. Ces contraintes peuvent être mises en œuvre pour la réalisation d’un effet de freinage, d’embrayage ou d’amortissement.

Le dispositif de commande 28 peut alors consister en un simple réglage de la valeur d’effort que doit développer le dispositif, accessible par exemple à un utilisateur par le biais d’une vis de réglage.

On peut également asservir l’entrée de commande du dispositif de commande 28 à un état de position du dispositif (une rotation, une translation).

On peut également asservir l’entrée de commande du dispositif de commande 28 à un état de vitesse du dispositif, à un état d’accélération, à une grandeur physique, la température, pression, etc.

Cet asservissement du dispositif de commande 28 (et donc de l’actionneur 26) en fonction du déplacement du deuxième élément 12 peut prendre la forme d’une commande mécanique ou bien d’une loi de commande programmable de type électronique ou logicielle si la commande d’entrée est actionnée par un dispositif automatisable (moteur électrique, servo valve, etc.).

Ainsi, le dispositif contrôlable selon l’invention est basé sur la génération de champ magnétique ajustable adapté pour les fluides magnéto-rhéologique dans lequel le réglage de l’intensité du champ magnétique s’obtient par rotation d’aimants permanents 24 de manière préférentielle. Chaque aimant 24 possède un profil d’aimantation diamétrale. Les aimants sont répartis sur une couronne. Chaque aimant est entraîné en rotation en opposition de sens avec son voisin. Le champ magnétique est canalisé par des pièces en matériau ferromagnétique doux en association avec des pièces amagnétiques.

Grâce à cette disposition, la mise en rotation de l’ensemble des aimants 24 par l’actionneur 26 ne nécessite que peu d’effort d’actionnement. En effet, les couples magnétiques s’annulent du fait de l’entraînement en opposition de sens des aimants deux à deux.

Le choix des matériaux ferromagnétiques doux/amagnétiques permet d’obtenir une très grande plage de réglage de l’intensité du champ magnétique, depuis la quasi absence de champ magnétique dans l’état au repos jusqu’à un champ magnétique élevé dans l’état activé. Cette grande dynamique et particulièrement le fait de pouvoir disposer d’un champ magnétique nul au niveau du fluide magnéto-rhéologique est une caractéristique importante de l’invention. Il est alors possible d’obtenir un dispositif « transparent » (au sens haptique du terme) pour un utilisateur par exemple, qui ne nécessite que très peu d’effort pour être manipulé. Dès que le dispositif contrôlable est configuré dans l’état activé, le champ magnétique important impose au fluide magnéto-rhéologique de fortes contraintes, ce qui génère des efforts résistants importants : le dispositif se retrouve dans un état de blocage. Entre ces deux états extrêmes, toutes les valeurs intermédiaires de réglage d’effort sont également possibles. Ainsi, l’utilisation d’un fluide magnéto-rhéologique avec un guide ferromagnétique permet d’obtenir une grande dynamique de réglage du dispositif contrôlable selon l’invention.

Le circuit magnétique est peu encombrant. Les aimants 24 sont actionnés en rotation autour de leur axe. Il n’y a donc pas déplacement en translation de pièces mécaniques, donc il n’y a pas de volume perdu. Cette caractéristique distingue également le dispositif contrôlable selon l’invention des dispositifs contrôlables de l’art antérieur.

La configuration géométrique du champ magnétique obtenu reste compatible avec l’utilisation du fluide magnéto-rhéologique en mode cisaillement cylindrique (par exemple dans le cas d’un frein ou embrayage avec mouvement rotatif), en mode valve ou en mode valve-piston (par exemple dans le cas d’un amortisseur avec mouvement de translation).

Avantageusement, chaque aimant 24 des N paires d’aimants a une direction d’aimantation, exprimée en degrés, égale à où i est un indice de l’aimant, variant de 0 à N-1, et f(i) est une fonction définie telle que f(i) = +1 si i est pair et f(i) = -1 si i est impair, et AR correspond à l’angle de réglage de l’aimant, de valeur comprise entre 0° et 90°.

L’intensité du champ magnétique généré au niveau du fluide magnéto-rhéologique dépend de la valeur de la variable AR, elle est maximale pour AR =0° et minimale pour AR=90°.

A titre d’exemple pour une configuration à 8 aimants, on obtient les directions d’aimantation suivantes (exprimée en degrés) permettant d’obtenir un champ magnétique minimal (AR = 90°) et maximal (AR = 0°):

i	0	1	2	3	4	5	6	7
champ minimal	90	0	270	180	90	0	270	180
champ maximal	0	90	180	270	0	90	180	270

Lorsque le champ magnétique est faible, le guide 23 en matériau ferromagnétique doux canalise les lignes de champ magnétique car il présente une perméabilité magnétique plus importante que celle du fluide magnéto-rhéologique. Les lignes de champ restent donc à l’intérieur du guide et ne pénètrent pas dans le fluide magnéto-rhéologique, hormis quelques lignes de fuites non significatives. Le champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique reste ainsi à un niveau quasiment nul.

Lorsque le champ magnétique est élevé, le guide 23 en matériau ferromagnétique doux se retrouve saturé car il est de faible épaisseur. Les lignes de champ se propagent alors jusqu’au fluide magnéto-rhéologique. Le champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique atteint ainsi une valeur élevée.

La figure 5 représente, dans une vue en coupe du dispositif à aimants permanents 20 selon l’invention, les résultats d’une simulation par éléments finis du champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique dans l’état de repos, dans la configuration de champ minimal. On observe que le guide 23 ferromagnétique dévie et canalise le champ magnétique (coloration claire dans le guide 23, par exemple dans la zone cerclée de blanc) et que ce dernier est alors quasiment nul au niveau du fluide magnéto-rhéologique (coloration sombre dans la cavité 22 où se trouve le fluide 27).

La figure 6 représente, dans une vue en coupe du dispositif à aimants permanents selon l’invention, les résultats d’une simulation par éléments finis du champ magnétique au niveau du fluide magnéto-rhéologique dans l’état activé, dans la configuration de champ maximal. On observe que le guide ferromagnétique 23 est saturé magnétiquement (coloration en blanc) et que les lignes de champ peuvent maintenant atteindre et magnétiser le fluide magnéto-rhéologique (coloration claire).

En se basant sur ce principe, un Homme du métier saura que l’invention comprend aussi la variante dite symétrique, dans laquelle on peut concevoir le dispositif à aimants permanents de manière à mettre en œuvre le champ magnétique généré à l’extérieur de la couronne d’aimants au lieu de travailler avec le champ situé à l’intérieur de la couronne d’aimants.

Maintenant que le principe d’excitation magnétique ajustable pour fluide magnéto-rhéologique à base d’aimants permanents est décrit, nous allons voir des modes de réalisation de la mise en œuvre du fluide magnéto-rhéologique permettant d’aboutir à un dispositif contrôlable pouvant être mis en œuvre pour le freinage, embrayage ou amortissement.

La figure 7 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif contrôlable 100 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation du dispositif contrôlable, le premier élément 11 est une chambre de vérin s’étendant selon un premier axe longitudinal X et le deuxième élément 12 est un piston positionné dans la chambre de vérin, ledit piston comprenant une tête 31 ayant un degré de liberté en translation selon le premier axe longitudinal X par rapport à la chambre de vérin. Considérons un mouvement en translation vers la droite du piston dans la chambre. En actionnant le dispositif de commande 28 (non représenté), l’actionneur 26 (non représenté) va faire tourner les aimants 24 en rotation autour de leur axe. Le fluide magnéto-rhéologique 27 dans la cavité 22 va passer dans un état activé. Comme la cavité 22 est en connexion fluidique avec la chambre de vérin, le fluide magnéto-rhéologique, dans son état activé (et donc avec une viscosité plus importante), va s’opposer au mouvement de translation du piston (symbolisé par les flèches de référence 14). En d’autres termes, le fluide magnéto-rhéologique 27 dans un état activé génère une force 14 résistante au degré de liberté du deuxième élément 12 de sorte à contrôler le degré de liberté du deuxième élément 12 par rapport au premier élément 11. Le fluide magnéto-rhéologique est ici mis en œuvre en mode valve. Dans ce mode, le champ magnétique appliqué au fluide magnéto-rhéologique 27 provoque une contrainte d’écoulement sur ce dernier. Il en résulte un différentiel de pression qui est retransmise au niveau du piston du vérin. Des forces de pression plus ou moins importantes selon le réglage viennent ainsi s’opposer au déplacement du piston. Toute action sur le piston est freinée de manière plus ou moins importante selon la position des aimants 24. Le dispositif contrôlable 100 est aussi appelé dispositif de freinage et/ou amortissement contrôlable à aimants permanents et fluide magnéto-rhéologique en mode valve. Le fluide magnéto-rhéologique est alors considéré comme incompressible. La caractéristique de mouvement (déplacement, vitesse, etc) dépend de la force appliquée sur le piston, et du réglage du dispositif à aimants permanents 20.

On peut noter que le même principe s’applique dans le cas où le mouvement en translation du piston dans la chambre se fait vers la gauche. Dans ce cas, le fluide magnéto-rhéologique, dans son état activé (et donc avec une viscosité plus importante), va s’opposer au mouvement de translation du piston (symbolisé par la flèche de référence 14’).

La figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable 110 selon l’invention. Le dispositif contrôlable 110 comprend les mêmes éléments que le dispositif 100. Dans ce mode de réalisation, le dispositif à aimants permanents 20 est disposé dans la tête 31 du piston.

La figure 9 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable 120 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le fluide magnéto-rhéologique est mis en œuvre en mode cisaillement, permettant la réalisation d’une fonction de type frein à cloche ou embrayage à cloche. Le premier élément 11 est le noyau interne 21 et/ou le guide 23 et le deuxième élément 12 est constitué d’un arbre rotatif (non représenté) et d’une paroi d’un troisième élément (par exemple une cloche) 40 entraînée en rotation par l’arbre rotatif, ladite paroi étant disposée dans la cavité 22.

La cavité 22 est remplie du fluide magnéto-rhéologique. Comme en partie représenté sur la figure 9, la cavité 22 est dimensionnée de telle sorte qu'au moins une partie de la paroi latérale cylindrique du troisième élément (dans l’exemple ici, de la cloche 40) puisse y plonger. La partie de paroi latérale de la cloche est visible en partie sur la figure 9.

Dans ce mode de réalisation, le fluide magnéto-rhéologique 27 est en interaction avec d’une part une partie fixe (le noyau interne et le guide) et une partie mobile : la cloche 40 qui peut tourner autour de son axe. Dans l’état au repos, la cloche 40 tourne librement dans la cavité 22. En état activé, le fluide magnéto-rhéologique 27, dont la viscosité est alors plus importante, freine la rotation de la cloche 40. Le fluide magnéto-rhéologique 27 travaille en mode cisaillement. En couplant une partie mobile à une partie fixe, on réalise ainsi une fonction de type frein. Une fonction de type embrayage peut être réalisée sur le même principe en couplant deux parties mobiles entre elles (et non plus une partie mobile à une partie fixe).

A titre d’exemple, une cloche est mentionnée dans ce mode de réalisation. D’autres formes sont tout à fait envisageables, par exemple un disque, un té, … et compatibles de l’invention à partir du moment où ce troisième élément comprend une paroi en interaction avec le fluide magnéto-rhéologique 27.

La figure 10 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif contrôlable 130 selon l’invention. Le dispositif contrôlable 130 est une charnière. Une charnière permet de faire pivoter un élément mobile appelé battant par rapport à un ensemble fixe appelé charnier. Une charnière comprend donc un battant, un charnier et un axe (aussi appelé arbre).

Dans le mode de réalisation du dispositif contrôlable 130, le premier élément 11 est constitué d’un charnier 50 et le deuxième élément 12 est constitué d’un battant 51 mobile en rotation autour d’un axe longitudinal Z par rapport au charnier 50, d’un arbre 52 s’étendant selon l’axe longitudinal Z et d’un dispositif de transformation 53 de mouvement de rotation autour de l’axe longitudinal Z en translation selon l’axe longitudinal Z (et vice-versa, c’est-à-dire de transformation de mouvement de translation selon l’axe longitudinal Z en rotation autour de l’axe longitudinal Z).

L’arbre 52 traverse le dispositif à aimants permanents 20. Le fluide magnéto-rhéologique 27 est logé dans la cavité 22 du dispositif à aimants permanents 20 qui est en connexion fluidique avec le dispositif de transformation de mouvement 53 du deuxième élément 12.

La figure 11 représente schématiquement le mode de réalisation du dispositif contrôlable 130 selon l’invention dans deux positions différentes (charnière ouverte dans la partie supérieure de la figure et charnière fermée dans la partie inférieure de la figure). En partant de la configuration d’une porte ouverte (c’est-à-dire charnière ouverte) de la partie supérieure de la figure, un mouvement de fermeture de porte est transmis au battant 51. L’arbre 52 tourne, ce qui va résulter, par le biais du dispositif de transformation 53 (par exemple vis hélicoïdale) en une translation du piston, en contact avec le fluide magnéto-rhéologique 27. Selon le réglage effectué au niveau du dispositif de commande 28 de l’actionneur 26, l’actionneur 26 va mettre les aimants 24 en rotation pour générer un champ magnétique plus ou moins élevé. Le fluide magnéto-rhéologique 27 soumis au champ magnétique passe de l’état au repos à l’état activé. Sa viscosité évolue. Le fluide magnéto-rhéologique 27 devenant plus visqueux va générer une force résistante à tout déplacement du piston par le biais du différentiel de pression généré par la contrainte d’écoulement du fluide. Le fluide magnéto-rhéologique 27 par le biais du piston s’oppose donc à la translation du dispositif de transformation de mouvement 53 ce qui a pour conséquence de s’opposer à la rotation du battant 51. Ainsi, selon les réglages du dispositif contrôlable 130, il est possible de contrôler la fermeture du battant 51 par rapport au charnier 50.

On peut noter que le même principe s’applique de manière analogue pour passer de la porte fermée à la porte ouverte.

L’invention offre une solution de charnière dont le couple d’actionnement est ajustable sans recourir à une alimentation électrique. Les dimensions du dispositif contrôlable 130 (c’est-à-dire de la charnière) se rapprochent des caractéristiques géométriques des charnières existantes. Ce dispositif contrôlable 130 est donc transposable aux structures d’ouvrants (portes, fenêtres) existantes. L’approche de l’invention consiste à coupler un dispositif à aimants permanents 20, un dispositif de transformation 53 de mouvement rotation/translation par vis hélicoïdale avec interaction du fluide magnéto-rhéologique 27 en mode valve-piston. Les problèmes résolus par l’invention sont le gain de place, la commande ou réglage sans effort qui reste possible à tout moment, et la grande dynamique autorisée pour le réglage de l’effort résistant.

La figure 12 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de réglage 30 du dispositif de commande de l’actionneur selon l’invention. En effet, comme déjà évoqué, le dispositif contrôlable à fluide magnéto-rhéologique selon l’invention peut comprendre un dispositif de réglage 30 du dispositif de commande 28 (visible à droite de la figure). Sur la figure 12, le dispositif de réglage 30 prend la forme d’une vis de réglage externe qui permet d’accéder au dispositif de commande 28 et permet à l’actionneur 26 d’activer les aimants 24 en rotation (visibles à gauche de la figure). Il est illustré dans le cas du dispositif contrôlable 130 de la charnière, mais peut être transposable à tout autre dispositif contrôlable selon l’invention.

Si on reprend l’exemple de la charnière, le dispositif de réglage permet d’obtenir un couple résistant ajustable en fonction du mouvement souhaité du deuxième élément 12 (battant 51 dans notre exemple). Cet ajustement est obtenu grâce à la direction d’aimantation des aimants 24, comme expliqué avec les figures 5 et 6. Selon la valeur du champ magnétique généré, le fluide magnéto-rhéologique 27 va présenter une viscosité plus ou moins importante et ainsi présenter plus ou moins de résistance face au mouvement du deuxième élément 12. Ce réglage de résistante au mouvement du deuxième élément 12 par rapport au premier élément 11 est choisi au départ par un utilisateur grâce au dispositif de réglage 30.

En outre, le dispositif contrôlable selon l’invention peut aussi comprendre un asservissement du dispositif de commande 28 en fonction du mouvement du deuxième élément 12. Par exemple, l’asservissement peut comprendre un dispositif de mesure de la position angulaire du battant 51 par rapport au charnier 50. Toujours à titre d’exemple, plus l’angle entre le battant 51 et le charnier 50 devient faible (c’est-à-dire plus la porte se rapproche de l’état de fermeture totale), plus on souhaite que le battant 51 se déplace lentement, pour une fermeture en douceur (pour des raisons de sécurité et d’évitement de claquement de porte notamment). Pour ce faire, l’asservissement va alors adapter le dispositif de commande 28 de sorte à positionner les aimants 24 pour que la valeur du champ magnétique accroisse quand l’angle diminue, pour que le fluide magnéto-rhéologique 27 génère une force d’opposition à la fermeture du battant de plus en plus importante.

Dans cet exemple, la position angulaire du deuxième élément 12 par rapport au premier élément 11 a été choisie. Selon les modes de réalisation de l’invention, toute autre mesure peut être utilisée, notamment la position linéaire, la vitesse linéaire ou angulaire, l’accélération, etc.

Il ressort de la description que l’invention offre un dispositif contrôlable dont l’effort de freinage ou d’amortissement est ajustable même après conception et assemblage, malgré l’absence d’alimentation électrique.

Le guide ferromagnétique utilisé avec le fluide magnéto-rhéologique permet une grande dynamique de contrôle du champ magnétique, donc de l’effort. Notamment pour obtenir une bonne transparence (faible effort résiduel) dans l’état au repos, le champ magnétique peut descendre à un niveau très bas grâce au choix de la direction d’aimantation des aimants associée à l’agencement des pièces en matériau ferromagnétique doux en association avec des pièces amagnétiques. Dans l’état activé, l’intensité du champ magnétique est susceptible d’atteindre une valeur élevée, compatible avec l’activation du fluide magnéto-rhéologique. Cette caractéristique de grande dynamique de réglage du champ magnétique est innovante.

Comme il ressort aisément de la description, le dispositif contrôlable de l’invention apporte un gain en volume de mise en œuvre qui est restreint au cœur du circuit magnétique du fluide magnéto-rhéologique, les aimants n’ayant pas à se déplacer, puisqu’ils sont uniquement actionnés par mise en rotation dans leur logement. Il n’y a pas de volume perdu, contrairement à ce qui est proposé dans l’art antérieur quand les aimants se déplacent en translation par exemple.

Le dispositif contrôlable selon l’invention est basé sur un concept qui est adaptable aux différents modes d’utilisation du fluide magnéto-rhéologique : cisaillement, valve, piston.

Enfin, le dispositif contrôlable de l’invention propose un moyen de contrôle du champ magnétique qui ne nécessite que très peu d’effort d’actionnement.

Il apparaîtra plus généralement à l'Homme du métier que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'Homme du métier se basant sur ses connaissances générales.

Claims

Dispositif contrôlable (10, 100, 110, 120, 130) à fluide magnéto-rhéologique, caractérisé en ce qu’il comprend :
Un premier élément (11) ;

Un deuxième élément (12) ayant au moins un degré de liberté par rapport au premier élément (11) ;

Un dispositif à aimants permanents (20) en connexion (13) avec le premier élément (11) et/ou le deuxième élément (12), le dispositif à aimants permanents (20) comprenant :

Un noyau interne (21) ;

Une cavité (22) disposée autour du noyau interne (21), destinée à recevoir du fluide magnéto-rhéologique, ladite cavité (22) étant en connexion fluidique avec le premier élément (11) et/ou le deuxième élément (12);

Un guide (23) en matériau ferromagnétique disposé autour de la cavité (22);

N paires d’aimants à aimantation diamétrale (24), N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, réparties autour du guide (23) ;

Une couronne (25) disposée autour des N paires d’aimants (24) ;

Un actionneur (26) des N paires d’aimants (24) en rotation, configuré pour entraîner un premier aimant (241) d’une paire (240) en opposition de sens par rapport à un second aimant (241) de ladite paire (240) ;

Un fluide magnéto-rhéologique (27) dans la cavité (22), apte à passer d’un état au repos lorsque l’actionneur (26) est dans une configuration angulaire initiale à un état activé lorsque l’actionneur (26) entraîne les N paires d’aimants (24) en rotation, ledit fluide (27) étant destiné à générer une force (14) s’opposant au au moins un degré de liberté du deuxième élément (12) de sorte à contrôler ledit au moins un degré de liberté du deuxième élément (12) par rapport au premier élément (11).
Dispositif contrôlable (10, 100, 110, 120, 130) à fluide magnéto-rhéologique selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de commande (28) de l’actionneur (26) en fonction d’une caractéristique d’un déplacement du deuxième élément (12) par rapport au premier (11).
Dispositif contrôlable (10, 100, 110, 120, 130) à fluide magnéto-rhéologique selon la revendication 2, comprenant en outre un dispositif de réglage (30) du dispositif de commande (28).
Dispositif contrôlable (10, 100, 110, 120, 130) à fluide magnéto-rhéologique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque aimant des N paires d’aimants a une direction d’aimantation, exprimée en degrés, égale à

où i est un indice de l’aimant, variant de 0 à N-1, et f(i) est une fonction définie telle que f(i) = +1 si i est pair et f(i) = -1 si i est impair, et AR correspond à l’angle de réglage de l’aimant, de valeur comprise entre 0° et 90°.
Dispositif contrôlable (10, 100, 110, 120, 130) à fluide magnéto-rhéologique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les N paires d’aimants (24) sont réparties symétriquement autour du guide (23).
Dispositif contrôlable (100, 110) à fluide magnéto-rhéologique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier élément (11) est une chambre de vérin s’étendant selon un premier axe longitudinal (X) et le deuxième élément (12) est un piston positionné dans la chambre de vérin, ledit piston comprenant une tête (31) ayant un degré de liberté en translation selon le premier axe longitudinal (X) par rapport à la chambre de vérin.
Dispositif contrôlable (110) à fluide magnéto-rhéologique selon la revendication 6, dans lequel le dispositif à aimants permanents (20) est disposé dans la tête (31) du piston.
Dispositif contrôlable (120) à fluide magnéto-rhéologique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier élément (11) est le noyau interne (21) et/ou le guide (23) et le deuxième élément (12) est constitué d’un arbre rotatif et d’une paroi d’un troisième élément (40) entraînée en rotation par l’arbre rotatif, ladite paroi étant disposée dans la cavité (22).
Dispositif contrôlable (130) à fluide magnéto-rhéologique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier élément (11) est constitué d’un charnier (50) et le deuxième élément (12) est constitué d’un battant (51) mobile en rotation autour d’un axe longitudinal (Z) par rapport au charnier (50), d’un arbre (52) s’étendant selon l’axe longitudinal (Z) et d’un dispositif de transformation (53) de mouvement de rotation autour de l’axe longitudinal (Z) en translation selon l’axe longitudinal (Z), et vice versa.