WO2022008371A1 - Variable gain torque motor - Google Patents

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WO2022008371A1
WO2022008371A1 PCT/EP2021/068320 EP2021068320W WO2022008371A1 WO 2022008371 A1 WO2022008371 A1 WO 2022008371A1 EP 2021068320 W EP2021068320 W EP 2021068320W WO 2022008371 A1 WO2022008371 A1 WO 2022008371A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
armature
rotation
spring
angle
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068320
Other languages
French (fr)
Inventor
Guylain Ozzello
Original Assignee
Fluid Actuation & Control Toulouse
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fluid Actuation & Control Toulouse filed Critical Fluid Actuation & Control Toulouse
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K26/00—Machines adapted to function as torque motors, i.e. to exert a torque when stalled
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/14—Pivoting armatures
    • H01F7/145—Rotary electromagnets with variable gap

Definitions

  • the invention relates to a torque motor.
  • the invention relates to a torque motor with limited displacement, that is to say a torque motor making it possible, for example, to move in rotation and to position a mobile very precisely in a reduced interval.
  • the torque motor can be used in any type of industrial field, in particular in the field of transport such as aeronautics.
  • the torque motor can be used to move a moving object such as a moving element of a rotary actuator or else of a valve of the servovalve type, making it possible to control the quantity of fluid distributed by the servovalve, and operating with any type of liquid or gaseous fluid, circulating in a closed conduit.
  • Torque motors with limited displacement allow the positioning of a mobile with an equally limited displacement. These torque motors are powered by a low power electric current.
  • the electric current allows the formation of an electromagnetic couple by supplying a coil acting on an armature, also called a pallet, arranged between two polar masses each forming a magnetic pole connected to permanent magnets. The space between the armature and the pole masses forms an air gap.
  • the armature moves in rotation around a so-called axial direction when the coil is energized by the formation of a magnetic flux crossing the air gap and interacts with the magnetic flux produced by the permanent magnets.
  • An electromagnetic torque is therefore applied to the armature.
  • the armature is generally connected to a torsion tube making it possible to apply a resisting torque to the armature opposing the electromagnetic torque.
  • This resistant torque makes it possible to return the armature to its initial position when the electric current is cut off.
  • the increase in electric current increases the electromagnetic torque and opposes the resistive torque so that the armature assumes a variable angular position. At rest, when no current is applied, the magnetic torque and the resistive torque are impaired.
  • the position of the armature is called the neutral position and the air gap has a known length called the length of the air gap at rest. This length must be limited so that the reluctance of the magnetic circuit is not too high.
  • the inventors have therefore sought to propose a torque motor which at least partially overcomes the drawbacks of the known solutions.
  • the invention aims to provide a torque motor allowing a wider displacement than the torque motors of the prior art.
  • the invention aims in particular to provide, in at least one embodiment of the invention, a torque motor allowing greater displacement and greater torque than that produced in a conventional torque motor.
  • the invention aims in particular to provide, in at least one embodiment of the invention, a torque motor avoiding sticking phenomena beyond a range of displacement.
  • the invention relates to a torque motor configured to allow the positioning of a mobile by rotation of the motor, comprising at least one permanent magnet, at least one coil and an armature configured to be able to be driven in rotation around a direction, called the axial direction, by application of an electromagnetic torque, starting from a neutral position, in the event of supply of at least one coil by an electric current, the said armature extending in a substantially perpendicular direction to the axial direction and being arranged between two pole masses connected by the permanent magnet and each forming a magnetic pole and the minimum space between the armature and the pole masses forming at least one air gap, the armature being connected to a torque tube extending substantially in the axial direction and having a stiffness allowing the application of a main resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque, the main resistive torque being zero in the neutral position, characterized in that the torque motor comprises furthermore at least one spring configured to apply an additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of
  • the armature is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistant torque between the neutral position and a first intermediate position corresponding to the first predetermined angle of rotation
  • the armature is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque and to the additional resistive torque beyond the first intermediate position.
  • a torque motor according to the invention therefore allows the torque motor to have a wider displacement by avoiding reaching the point of stability which would cause the armature to stick to the pole masses.
  • the mechanical stiffnesses of the torsion tube and of the spring(s) add up beyond a certain angle of rotation of the armature.
  • the addition of mechanical stiffnesses during the stroke of the armature makes it possible to increase the useful displacement of the torque motor, and thus to increase the torque produced by the motor.
  • the torque motor may comprise a plurality of springs which each act on the armature at different angles of rotation.
  • the torque motor comprises at least two springs, a first spring configured to apply a first additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature with respect to the neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation and a second spring configured to apply a second additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the the angle of rotation of the armature relative to the neutral position is greater than a second predetermined angle of rotation, so that:
  • the armature is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistant torque between the neutral position and the first intermediate position
  • the armature is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque, to the first additional resistive torque and to the second additional resistive torque beyond the second intermediate position.
  • each spring is positioned on one end of a pole mass without being face to face.
  • Spring is understood to mean a mechanical element or a set of connected mechanical elements, characterized by a stiffness, capable of being deformed and configured to exert a force or a torque when it is deformed so as to return to its initial shape.
  • each spring can take a different form known to those skilled in the art for a spring as long as it fulfills its function in the torque motor.
  • the spring can be composed of sub-elements, for example be made up of a plurality of sub-springs in combination whose stiffnesses are combined to form the total stiffness of the spring.
  • the spring is for example made with one of the following materials: steel, stainless steel, inconel (for its temperature properties), copper alloy, nickel-based alloy, titanium and copper (for their shape memory properties), composite, elastomers and lead.
  • the total torque produced by said torque motor is the sum of the electromagnetic torque produced by the current flowing through the coils and the magnetic attraction torque produced by the permanent magnets.
  • This torque can be represented by a linear formula valid for small displacements, less than the length of the air gap at rest, in particular less than a third of the length of the air gap at rest, as shown by the following equation :
  • the electromagnetic torque produced by the torque motor opposes the resistive torque of the torque motor generated by, initially, the torsion tube only, then by the torsion tube and one or more springs.
  • the resistant torque C r can be expressed in this form (in a variant with two springs:
  • the resistive torque varies according to the angle of rotation and the variable total gain produced by the resistive elements, such as the tube and one or more springs which are in contact with the armature.
  • the variable gain is ensured by the different effects of the spring or springs which come into action one after the other to accumulate their stiffness.
  • the second spring For a greater displacement of the armature at the second predetermined angle of rotation, the second spring in turn comes into contact with the latter, and the resisting torque of the torsion tube is increased by adding the effect of this second spring. Therefore, the overall resistive torque within a certain range of motion is the sum of the torques of the first and second spring as well as that of the torque tube.
  • At least one spring is a helical compression spring, fixed to a pole mass, arranged in the air gap, and configured so that when the armature is between the neutral position and the first intermediate position, the armature is not in contact with the spring, and when the armature is beyond the first intermediate position, the armature is in contact with the spring and compresses the latter.
  • the helix spring has the main advantages of being easy to implement and economical.
  • At least one spring is composed of a plurality of sub-springs, the combined stiffnesses of the sub-springs forming a total stiffness allowing the application of the additional resistant torque.
  • the invention also relates to a servovalve, configured to regulate the circulation of a fluid in a closed conduit, comprising a mechanical element for regulating the flow of the fluid, characterized in that the mechanical element for regulating the flow of the fluid is controlled by a torque motor according to the invention.
  • the invention also relates to a torque motor and a servo valve, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. la is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a neutral position.
  • FIG. lb is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a first intermediate position.
  • FIG. le is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a second intermediate position.
  • FIG. 2 is a schematic simplified perspective view of elements of a torque motor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a curve representing the evolution of the mechanical stiffness applied to a torque motor according to one embodiment of the invention, in function of the angle of rotation of the torque motor armature.
  • FIG. 4 is a curve representing the angle of rotation of the armature as a function of the current supplied to the coils of a torque motor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 1a, 1b and 1c schematically represent a torque motor 10 according to one embodiment of the invention, in different positions, in top view.
  • FIG. 2 schematically represents the torque motor 10 in perspective view, only certain elements being visible for the sake of clarity.
  • the torque motor 10 comprises two permanent magnets, a first permanent magnet 12a and a second permanent magnet 12b, connecting two pole masses, a first pole mass 14a and a second pole mass 14b, thus forming a magnetic circuit.
  • the magnets 12a and 12b are arranged below the armature and are carried by a support plate 26. All the elements can be protected by a cover not visible in the figures.
  • the two pole masses 14a, 14b surround an armature 16 configured to be rotatable around an axial direction represented by an axis 18 of rotation of the armature 16.
  • the space between the armature 16 and the pole masses 14a, 14b form an initial gap 20.
  • the armature extends in a direction substantially perpendicular to the axial direction.
  • the rotation of the armature 16 is possible thanks to the supply of two coils by an electric current, a first coil 22a and a second coil 22b, which magnetize the armature.
  • a first coil 22a and a second coil 22b which magnetize the armature.
  • the interaction between the magnetic flux produced by the coils 22a, 22b and the latter produced by the permanent magnets 12a, 12b generates an electromagnetic torque in the torque motor which drives the armature 16 in rotation.
  • This torque depends on the current applied and the magnetic characteristics of the torque motor.
  • the armature 16 is connected to a torsion tube 18 forming the axis of rotation extending substantially in the axial direction and configured to apply a main resistant torque to the armature 16, opposing the electromagnetic torque.
  • the torsion tube can be made up of several parts, an intermediate part 18' having the stiffness enabling the resisting torque to be applied.
  • Figure la shows the armature 16 in a neutral position, when the magnetic torque is zero, that is to say the coils 22a, 22b are not powered.
  • the armature 16 undergoes a rotational movement by application of the electromagnetic torque.
  • This torque produced by the motor (thanks to the current applied and the magnetic gain of the motor) must overcome all the torques resisting movement, such as the main resistive torque produced by the tube, the damping torque, the inertia of the moving part , and also the external torque applied to the moving part, if any.
  • the resistive torque In the absence of current, the resistive torque must return the armature to its initial position.
  • the torque motor here comprises two springs, a first spring 24a configured to apply an additional resistant torque when the angle of rotation of the armature with respect to the neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation, and a second spring 24b.
  • each spring is doubled on the opposite pole mass.
  • the springs are helical springs, fixed to the pole masses and arranged in the air gap.
  • FIG. 1b shows the torque motor in a first intermediate position corresponding to the first predetermined rotation angle qi.
  • the armature 16 comes into contact with the first spring.
  • the first spring does not apply torque to the armature 16 and for any angle of rotation greater than the first predetermined angle qi, the first spring applies a first additional resistive torque to armature 16, which opposes the electromagnetic torque and adds to the main resistive torque.
  • FIG. 1e represents the torque motor in a second intermediate position corresponding to the second predetermined angle 0 2 of rotation.
  • the armature 16 comes into contact with the second spring.
  • the second spring does not apply a torque to the armature 16
  • the second spring applies a second additional resistive torque to armature 16, which opposes the electromagnetic torque and adds to the first additional resistive torque and to the main resistive torque.
  • FIG. 3 represents a curve of the evolution of the total resistant mechanical torque (expressed in Nm) applied to the moving part of a torque motor according to one embodiment of the invention, as a function of the angle (expressed in radians ) of rotation of the torque motor armature.
  • the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube.
  • the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube to which is added the torque K ri of the first spring.
  • the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube to which is added the stiffness K ri of the first spring and the stiffness K r 2 of the second spring .
  • the torque motor according to the invention thus makes it possible to increase the angle of rotation by increasing the control current. This angle of rotation is more greater than that produced in a conventional motor without variable gain, and thus to increase the torque supplied by the torque motor.
  • FIG. 4 is a curve representing the angle of rotation of the armature as a function of the current supplied to the coils in a torque motor according to one embodiment of the invention.
  • the rotation angle Q reaches the first predetermined rotation angle qi.
  • This first predetermined angle qi of rotation preferably corresponding to the maximum angle that the armature can reach without sticking phenomenon in the absence of springs, the resistive torque being made up of the main resistive torque alone by the presence of the torsion tube .
  • the presence of the first spring which comes into contact with the pallet at the first predetermined angle of rotation qi, allows the armature to reach a higher angle of rotation by increasing the resistive torque, thanks to the addition of the first resistive torque additional without reaching the stability limit, as opposed to the sticking phenomenon highlighted by the dashed fictitious curve 40a representing the behavior of the torque motor in the absence of the first spring.
  • the angle Q of rotation reaches the second predetermined angle 0 2 of rotation.
  • This second predetermined angle 0 2 of rotation preferably corresponds to the maximum angle that the armature can reach without sticking in the event of the presence of the first spring but in the absence of the second spring, the resistive torque being made up of the resistive torque main by the presence of the torsion tube and the first additional resistant torque by the presence of the second spring.
  • the presence of the second spring which comes into contact with the pallet at the second angle 0 2 of predetermined rotation, allows the armature to reach a higher angle of rotation by increasing the resistive torque, thanks to the addition of the second torque additional resistant without reaching the stability limit, as opposed to the sticking phenomenon highlighted by the fictitious dotted curve 40b representing the behavior of the torque motor in the absence of the second spring but in the presence of the first spring.
  • the torque motor according to the invention can therefore make it possible to approximately linearize the relationship between the control current and the angle of rotation over a wider range of control and angle of rotation.
  • the springs can be of different types, for example gas springs, magnetic springs, helical compression springs with straight wire (called helix), helical compression springs with conical wire, leaf springs, volute springs (helical springs), Belleville washer springs, diaphragm springs, wave springs.
  • the number of springs can vary depending on the desired maximum angle of rotation, which in turn depends on the length of the air gap at rest, each spring allowing the addition of a resisting torque thanks to its stiffness from a certain angle of rotation of the armature.

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Abstract

The invention relates to a torque motor configured to enable the positioning of a moving object, comprising an armature (16) configured to be capable of rotating about an axial direction (18) through the application of electromagnetic torque if at least one coil (22a, 22b) is supplied with an electric current, the armature (16) extending in a direction substantially perpendicular to the axial direction and being arranged between two pole shoes (14a, 14b) connected by a permanent magnet (12a, 12b), the armature (16) being connected to a torque tube for applying a main resistive torque to the armature (16) countering the electromagnetic torque, characterised in that the torque motor further comprises at least one spring (24a, 24b) configured to apply an additional resistive torque to the armature (16), countering the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature (16) relative to a neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation.

Description

MOTEUR COUPLE À GAIN VARIABLE VARIABLE GAIN TORQUE MOTOR
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
L’invention concerne un moteur couple. En particulier, l’invention concerne un moteur couple à déplacement limité, c’est-à-dire un moteur couple permettant par exemple de déplacer en rotation et de positionner très précisément un mobile dans un intervalle réduit. Le moteur couple peut être utilisé dans tout type de domaine industriel, notamment dans le domaine des transports tel que l’aéronautique. Par exemple, le moteur couple peut être utilisé pour déplacer un mobile tel qu’un élément mobile d’un actionneur rotatif ou bien d’une vanne de type servovalve, permettant de contrôler la quantité de fluide distribuée par la servovalve, et fonctionnant avec tout type de fluide liquide ou gazeux, circulant dans une conduite fermée. The invention relates to a torque motor. In particular, the invention relates to a torque motor with limited displacement, that is to say a torque motor making it possible, for example, to move in rotation and to position a mobile very precisely in a reduced interval. The torque motor can be used in any type of industrial field, in particular in the field of transport such as aeronautics. For example, the torque motor can be used to move a moving object such as a moving element of a rotary actuator or else of a valve of the servovalve type, making it possible to control the quantity of fluid distributed by the servovalve, and operating with any type of liquid or gaseous fluid, circulating in a closed conduit.
Arrière-plan technologique Technology background
Les moteurs couples à débattement limités permettent le positionnement d’un mobile avec un déplacement également limité. Ces moteurs couples sont alimentés par un courant électrique de puissance faible. Le courant électrique permet la formation d’un couple électromagnétique par l’alimentation d’une bobine agissant sur une armature, aussi appelée palette, agencée entre deux masses polaires formant chacune un pôle magnétique reliées à des aimants permanents. L’espace entre l’armature et les masses polaires forme un entrefer.Torque motors with limited displacement allow the positioning of a mobile with an equally limited displacement. These torque motors are powered by a low power electric current. The electric current allows the formation of an electromagnetic couple by supplying a coil acting on an armature, also called a pallet, arranged between two polar masses each forming a magnetic pole connected to permanent magnets. The space between the armature and the pole masses forms an air gap.
L’armature se déplace en rotation autour d’une direction dite axiale en cas d’alimentation de la bobine par la formation d’un flux magnétique traversant l’entrefer et interagit avec le flux magnétique produit par les aimants permanents. Un couple électro-magnétique est donc appliqué à l’armature. L’armature est généralement reliée à un tube de torsion permettant d’appliquer un couple résistant à l’armature s’opposant au couple électro magnétique. Ce couple résistant permet de rendre l’armature à sa position initiale lorsque le courant électrique est coupé. L’augmentation du courant électrique augmente le couple électro-magnétique et s’oppose au couple résistant de sorte à ce que l’armature prenne une position angulaire variable. Au repos, lorsqu’aucun courant n’est appliqué, le couple magnétique et le couple résistant sont nuis. La position de l’armature est dite position neutre et l’entrefer a une longueur connue dite longueur de l’entrefer au repos. Cette longueur doit être limitée pour que la réluctance du circuit magnétique ne soit pas trop élevée. The armature moves in rotation around a so-called axial direction when the coil is energized by the formation of a magnetic flux crossing the air gap and interacts with the magnetic flux produced by the permanent magnets. An electromagnetic torque is therefore applied to the armature. The armature is generally connected to a torsion tube making it possible to apply a resisting torque to the armature opposing the electromagnetic torque. This resistant torque makes it possible to return the armature to its initial position when the electric current is cut off. The increase in electric current increases the electromagnetic torque and opposes the resistive torque so that the armature assumes a variable angular position. At rest, when no current is applied, the magnetic torque and the resistive torque are impaired. The position of the armature is called the neutral position and the air gap has a known length called the length of the air gap at rest. This length must be limited so that the reluctance of the magnetic circuit is not too high.
Lors du mouvement de rotation de l’armature, les extrémités de l’armature se rapprochent des masses polaires et la longueur de l’entrefer diminue. Lorsque le déplacement est égal à 1/3 de l’entrefer au repos, la limite de stabilité statique est atteinte et l’armature entre en contact avec les masses polaires sans nécessité d’apporter un courant plus important. Ce phénomène de collage n’est pas souhaité et le déplacement de l’armature est donc limité pour ne pas atteindre cette limite de stabilité statique. During the rotational movement of the armature, the ends of the armature approach the pole masses and the length of the air gap decreases. When the displacement is equal to 1/3 of the air gap at rest, the static stability limit is reached and the armature comes into contact with the pole pieces without the need to supply a greater current. This bonding phenomenon is not desired and the displacement of the reinforcement is therefore limited so as not to reach this static stability limit.
Les inventeurs ont donc cherché à proposer un moteur couple qui pallie au moins en partie les inconvénients des solutions connues. The inventors have therefore sought to propose a torque motor which at least partially overcomes the drawbacks of the known solutions.
Objectifs de l’invention Objectives of the invention
L’invention vise à fournir un moteur couple permettant un déplacement plus large que les moteurs couples de l’art antérieur. The invention aims to provide a torque motor allowing a wider displacement than the torque motors of the prior art.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un moteur couple permettant un déplacement plus grand et un couple plus important que celui produit dans un moteur couple conventionnel. The invention aims in particular to provide, in at least one embodiment of the invention, a torque motor allowing greater displacement and greater torque than that produced in a conventional torque motor.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un moteur couple évitant les phénomènes de collage au- delà d’une plage de déplacement. The invention aims in particular to provide, in at least one embodiment of the invention, a torque motor avoiding sticking phenomena beyond a range of displacement.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
Pour ce faire, l’invention concerne un moteur couple configuré pour permettre le positionnement d’un mobile par rotation du moteur, comprenant au moins un aimant permanent, au moins une bobine et une armature configurée pour pouvoir être entraînée en rotation autour d’une direction, dite direction axiale, par application d’un couple électro-magnétique, en partant d’une position neutre, en cas d’alimentation d’au moins une bobine par un courant électrique, ladite armature s’étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale et étant agencée entre deux masses polaires reliées par l’aimant permanent et formant chacune un pôle magnétique et l’espace minimal entre l’armature et les masses polaires formant au moins un entrefer, l’armature étant reliée à un tube de torsion s’étendant sensiblement selon la direction axiale et présentant une raideur permettant l’application d’un couple résistant principal à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique, le couple résistant principal étant nul en position neutre, caractérisé en ce que le moteur couple comprend en outre au moins un ressort configuré pour appliquer un couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé, de sorte que : To do this, the invention relates to a torque motor configured to allow the positioning of a mobile by rotation of the motor, comprising at least one permanent magnet, at least one coil and an armature configured to be able to be driven in rotation around a direction, called the axial direction, by application of an electromagnetic torque, starting from a neutral position, in the event of supply of at least one coil by an electric current, the said armature extending in a substantially perpendicular direction to the axial direction and being arranged between two pole masses connected by the permanent magnet and each forming a magnetic pole and the minimum space between the armature and the pole masses forming at least one air gap, the armature being connected to a torque tube extending substantially in the axial direction and having a stiffness allowing the application of a main resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque, the main resistive torque being zero in the neutral position, characterized in that the torque motor comprises furthermore at least one spring configured to apply an additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature relative to the neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation , so that :
- l'armature est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et une première position intermédiaire correspondant au premier angle de rotation prédéterminé,- the armature is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistant torque between the neutral position and a first intermediate position corresponding to the first predetermined angle of rotation,
- l’armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal et au couple résistant supplémentaire au-delà de la première position intermédiaire. - the armature is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque and to the additional resistive torque beyond the first intermediate position.
Un moteur couple selon l’invention permet donc au moteur couple d’avoir un déplacement plus large en évitant d’atteindre le point de stabilité qui entraînerait un collage de l’armature aux masses polaires. A torque motor according to the invention therefore allows the torque motor to have a wider displacement by avoiding reaching the point of stability which would cause the armature to stick to the pole masses.
Les raideurs mécaniques du tube de torsion et du ou des ressorts s’additionnent au-delà d’un certain angle de rotation de l’armature. L’addition des raideurs mécaniques au cours de la course de l’armature permet d’augmenter le déplacement utile du moteur couple, et ainsi d’augmenter le couple produit par le moteur. The mechanical stiffnesses of the torsion tube and of the spring(s) add up beyond a certain angle of rotation of the armature. The addition of mechanical stiffnesses during the stroke of the armature makes it possible to increase the useful displacement of the torque motor, and thus to increase the torque produced by the motor.
Le moteur couple peut comprendre une pluralité de ressorts qui agissent chacun sur l’armature à des angles de rotation différents. Par exemple, avantageusement et selon l’invention, le moteur couple comprend au moins deux ressorts, un premier ressort configuré pour appliquer un premier couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro -magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé et un deuxième ressort configuré pour appliquer un deuxième couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un deuxième angle de rotation prédéterminé, de sorte que : The torque motor may comprise a plurality of springs which each act on the armature at different angles of rotation. For example, advantageously and according to the invention, the torque motor comprises at least two springs, a first spring configured to apply a first additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature with respect to the neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation and a second spring configured to apply a second additional resistive torque to the armature opposing the electromagnetic torque when the the angle of rotation of the armature relative to the neutral position is greater than a second predetermined angle of rotation, so that:
- l'armature est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et la première position intermédiaire, - the armature is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistant torque between the neutral position and the first intermediate position,
- armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire entre la première position intermédiaire et une deuxième position intermédiaire correspondant au deuxième angle de rotation prédéterminé,- armature is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque, to the first additional resistive torque between the first intermediate position and a second intermediate position corresponding to the second predetermined angle of rotation,
- l’armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire et au deuxième couple résistant supplémentaire au-delà de la deuxième position intermédiaire. - the armature is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque, to the first additional resistive torque and to the second additional resistive torque beyond the second intermediate position.
Les ressorts fonctionnent de la même façon mais sont simplement agencés pour agir sur l’armature à des angles de rotations différents. Par exemple, chaque ressort est positionné sur un bout d’une masse polaire sans être face à face. On entend par ressort un élément mécanique ou un ensemble d’éléments mécaniques reliés, caractérisé par une raideur, susceptible d’être déformé et configuré pour exercer une force ou un couple lorsqu’il est déformé de sorte à retrouver sa forme initiale. Dans le cadre de l’invention, chaque ressort peut prendre une forme différente connue de l’homme du métier pour un ressort du moment qu’il répond à sa fonction dans le moteur couple. Le ressort peut être composé de sous-éléments, par exemple être constitué d’une pluralité de sous-ressorts en combinaison dont les raideurs sont combinées pour former la raideur totale du ressort. The springs work in the same way but are simply arranged to act on the armature at different angles of rotation. For example, each spring is positioned on one end of a pole mass without being face to face. Spring is understood to mean a mechanical element or a set of connected mechanical elements, characterized by a stiffness, capable of being deformed and configured to exert a force or a torque when it is deformed so as to return to its initial shape. In the context of the invention, each spring can take a different form known to those skilled in the art for a spring as long as it fulfills its function in the torque motor. The spring can be composed of sub-elements, for example be made up of a plurality of sub-springs in combination whose stiffnesses are combined to form the total stiffness of the spring.
Le ressort est par exemple fabriqué avec un des matériaux suivants : acier, acier inoxydable, inconel (pour ses propriétés en température), alliage de cuivre, alliage à base de Nickel, titane et cuivre (pour leurs propriétés en mémoire de forme), composite, élastomères et plomb. The spring is for example made with one of the following materials: steel, stainless steel, inconel (for its temperature properties), copper alloy, nickel-based alloy, titanium and copper (for their shape memory properties), composite, elastomers and lead.
Le couple total produit par ledit moteur couple est la somme du couple électromagnétique produit par le courant traversant les bobines et du couple d’attraction magnétique produit par les aimants permanents. Ce couple peut être représenté par une formule linéaire valable pour les petits déplacements, inférieurs à la longueur de de l’entrefer au repos, en particulier inférieurs à un tiers de la longueur de l’entrefer au repos, comme le montre l’équation suivante : The total torque produced by said torque motor is the sum of the electromagnetic torque produced by the current flowing through the coils and the magnetic attraction torque produced by the permanent magnets. This torque can be represented by a linear formula valid for small displacements, less than the length of the air gap at rest, in particular less than a third of the length of the air gap at rest, as shown by the following equation :
[Math 1] [Math 1]
CT = Ktl + Kme C T = K t l + K m e
Avec CT le couple total produit par le moteur couple (en N.m), I le courant d’alimentation traversant les bobines (en A), Q l’angle de rotation de la palette (en rad), Ki le gain en courant, ou gain constant de moteur couple (en N.m/A) et Km le gain ou raideur magnétique de moteur couple (N.m/rad). With CT the total torque produced by the torque motor (in Nm), I the supply current passing through the coils (in A), Q the angle of rotation of the vane (in rad), Ki the current gain, or torque motor constant gain (in Nm/A) and K m the torque motor magnetic gain or stiffness (Nm/rad).
L’équation ci-dessus est valable pour de petits déplacements tels que e/e0 « 1 avec e le déplacement linéaire de l’extrémité de l’armature et eo la longueur de l’entrefer en position de repos, et pour un flux magnétique produit par le courant étant inférieur à celui produit par les aimants permanents tels que 4>f /Fb « 1, où F, est le flux magnétique produit par le courant et Fo le flux produit par les aimants permanents. The above equation is valid for small displacements such that e/e 0 « 1 with e the linear displacement of the end of the armature and eo the length of the air gap in the rest position, and for a flux magnetic flux produced by the current being less than that produced by permanent magnets such that 4>f /F b « 1, where F, is the magnetic flux produced by the current and Fo the flux produced by the permanent magnets.
Le couple électro-magnétique produit par le moteur couple s’oppose au couple résistant du moteur couple engendré par, dans un premier temps, le tube de torsion uniquement, puis par le tube de torsion et un ou plusieurs ressorts. The electromagnetic torque produced by the torque motor opposes the resistive torque of the torque motor generated by, initially, the torsion tube only, then by the torsion tube and one or more springs.
En résumé, le couple résistant Cr peut s’exprimer sous cette forme (dans une variante à deux ressorts : In summary, the resistant torque C r can be expressed in this form (in a variant with two springs:
[Math 2] [Math 2]
Cr =
Figure imgf000007_0001
avec Kt la raideur mécanique du tube de torsion résistant au déplacement de l’armature (en N.m/rad), Q l’angle de rotation de l’armature, Kri la raideur du premier ressort (en N.m/rad), Kr2 la raideur du 2e ressort (en N.m/rad), 0i le premier angle de rotation prédéterminé, correspondant à l’angle auquel le premier ressort entre en contact avec l’armature (en rad), 02 le deuxième angle de rotation prédéterminé, correspondant à l’angle auquel le deuxième ressort entre en contact avec l’armature (rad). Cr =
Figure imgf000007_0001
with K t the mechanical stiffness of the torsion tube resisting the displacement of the armature (in Nm/rad), Q the angle of rotation of the armature, K ri the stiffness of the first spring (Nm / rad), K r 2 the stiffness of the 2nd spring (Nm / rad), 0i the first predetermined rotational angle corresponding to the angle at which the first spring contacts the armature ( in rad), 02 the second predetermined angle of rotation, corresponding to the angle at which the second spring makes contact with the armature (rad).
L’angle 0 de rotation de l’armature est lié au déplacement linéaire de l’extrémité de l’armature e par la relation e = L x 0 avec L la longueur de l’armature à partir de l’axe de rotation confondu avec la direction axiale. The angle 0 of rotation of the armature is related to the linear displacement of the end of the armature e by the relation e = L x 0 with L the length of the armature from the axis of rotation coincident with the axial direction.
Le couple résistant varie selon l’angle de rotation et le gain total variable produit par les éléments résistifs, comme le tube et un ou des ressorts qui sont en contact avec l’armature. Le gain variable est assuré par les différents effets du ou des ressorts qui rentrent en action les uns après les autres pour accumuler leurs raideurs. Lorsque l’armature bouge sous l’effet du couple électromagnétique créé par ledit moteur couple, le tube de torsion se déforme en appliquant un couple résistant au mouvement, qui est inférieur au couple moteur. Lorsque l’armature atteint le premier angle de rotation prédéterminé, le premier ressort entre en contact avec l’armature ce qui engendre un couple supplémentaire, ainsi, le couple résistant du tube de torsion est augmenté en ajoutant l’effet de ce ressort. Pour un déplacement de l’armature plus grand au deuxième angle de rotation prédéterminé, le deuxième ressort entre à son tour en contact avec cette dernière, et le couple résistant du tube de torsion est augmenté en ajoutant l’effet de ce deuxième ressort. Par conséquent, le couple résistant global dans une certaine plage de déplacement est la somme des couples du premier et du deuxième ressort ainsi que celui du tube de torsion. The resistive torque varies according to the angle of rotation and the variable total gain produced by the resistive elements, such as the tube and one or more springs which are in contact with the armature. The variable gain is ensured by the different effects of the spring or springs which come into action one after the other to accumulate their stiffness. When the armature moves under the effect of the electromagnetic torque created by said torque motor, the torsion tube is deformed by applying a torque resisting the movement, which is lower than the motor torque. When the armature reaches the first predetermined angle of rotation, the first spring comes into contact with the armature which generates an additional torque, thus, the resistive torque of the torque tube is increased by adding the effect of this spring. For a greater displacement of the armature at the second predetermined angle of rotation, the second spring in turn comes into contact with the latter, and the resisting torque of the torsion tube is increased by adding the effect of this second spring. Therefore, the overall resistive torque within a certain range of motion is the sum of the torques of the first and second spring as well as that of the torque tube.
Avantageusement et selon l’invention, au moins un ressort est un ressort de compression en hélice, fixé sur une masse polaire, agencé dans l’entrefer, et configuré de sorte à ce que lorsque l’armature est entre la position neutre et la première position intermédiaire, l’armature n’est pas en contact avec le ressort, et lorsque l’armature est au-delà de la première position intermédiaire, l’armature est en contact avec le ressort et comprime celui-ci. Selon cet aspect de l’invention, le ressort à hélice a comme principaux avantages d’être facile à mettre en œuvre et économique. Advantageously and according to the invention, at least one spring is a helical compression spring, fixed to a pole mass, arranged in the air gap, and configured so that when the armature is between the neutral position and the first intermediate position, the armature is not in contact with the spring, and when the armature is beyond the first intermediate position, the armature is in contact with the spring and compresses the latter. According to this aspect of the invention, the helix spring has the main advantages of being easy to implement and economical.
Avantageusement et selon l’invention, au moins un ressort est composé d’une pluralité de sous-ressorts, les raideurs combinés des sous-ressorts formant une raideur totale permettant l’application du couple résistant supplémentaire. Advantageously and according to the invention, at least one spring is composed of a plurality of sub-springs, the combined stiffnesses of the sub-springs forming a total stiffness allowing the application of the additional resistant torque.
Selon cet aspect de l’invention, l’utilisation d’une pluralité de sous-ressorts permet d’avoir un gain variable multiple et de réduire l’encombrement. L’invention concerne également une servovalve, configurée pour réguler la circulation d’un fluide dans un conduit fermé, comprenant un élément mécanique de régulation du débit du fluide, caractérisée en ce que l’élément mécanique de régulation du débit du fluide est commandé par un moteur couple selon l’invention. L’invention concerne également un moteur couple et une servovalve, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci- dessus ou ci-après. According to this aspect of the invention, the use of a plurality of sub-springs makes it possible to have a multiple variable gain and to reduce bulk. The invention also relates to a servovalve, configured to regulate the circulation of a fluid in a closed conduit, comprising a mechanical element for regulating the flow of the fluid, characterized in that the mechanical element for regulating the flow of the fluid is controlled by a torque motor according to the invention. The invention also relates to a torque motor and a servo valve, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
Liste des figures List of Figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description given solely by way of non-limiting and which refers to the appended figures in which:
[Fig. la] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une position neutre. [Fig. la] is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a neutral position.
[Fig. lb] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une première position intermédiaire. [Fig. lb] is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a first intermediate position.
[Fig. le] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une deuxième position intermédiaire. [Fig. le] is a schematic top view of a torque motor according to one embodiment of the invention, in a second intermediate position.
[Fig. 2] est une vue schématique en perspective simplifiée d’éléments d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig. 3] est une courbe représentant l’évolution de la raideur mécanique appliquée à un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, en fonction de l’angle de rotation de l’armature du moteur couple. [Fig. 2] is a schematic simplified perspective view of elements of a torque motor according to one embodiment of the invention. [Fig. 3] is a curve representing the evolution of the mechanical stiffness applied to a torque motor according to one embodiment of the invention, in function of the angle of rotation of the torque motor armature.
[Fig. 4] est une courbe représentant l’angle de rotation de l’armature en fonction du courant fourni aux bobines d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig. 4] is a curve representing the angle of rotation of the armature as a function of the current supplied to the coils of a torque motor according to one embodiment of the invention.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’inventionDetailed description of an embodiment of the invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. In the figures, scales and proportions are not strictly adhered to, for purposes of illustration and clarity.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. In addition, identical, similar or analogous elements are designated by the same references in all the figures.
Les figures la, lb et le représentent schématiquement un moteur 10 couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans différentes positions, en vue de haut. La figure 2 représente schématiquement le moteur 10 couple en vue en perspective, seuls certains éléments étant visibles pour une raison de clarté. Le moteur 10 couple comprend deux aimants permanents, un premier aimant 12a permanent et un deuxième aimant 12b permanent, reliant deux masses polaires, une première masse 14a polaire et une deuxième masse 14b polaire, formant ainsi un circuit magnétique. Comme visible sur la figure 2, les aimants 12a et 12b sont disposés en dessous de l’armature et sont portés par une plaque 26 support. L’ensemble des éléments peut être protégé par un capot non visible sur les figures. Figures 1a, 1b and 1c schematically represent a torque motor 10 according to one embodiment of the invention, in different positions, in top view. FIG. 2 schematically represents the torque motor 10 in perspective view, only certain elements being visible for the sake of clarity. The torque motor 10 comprises two permanent magnets, a first permanent magnet 12a and a second permanent magnet 12b, connecting two pole masses, a first pole mass 14a and a second pole mass 14b, thus forming a magnetic circuit. As visible in Figure 2, the magnets 12a and 12b are arranged below the armature and are carried by a support plate 26. All the elements can be protected by a cover not visible in the figures.
Les deux masses 14a, 14b polaires entourent une armature 16 configurée pour être mobile en rotation autour d’une direction axiale représentée par un axe 18 de rotation de l’armature 16. L’espace entre l’armature 16 et les masses polaires 14a, 14b forment un entrefer 20 initial. L’armature s’étend dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale. The two pole masses 14a, 14b surround an armature 16 configured to be rotatable around an axial direction represented by an axis 18 of rotation of the armature 16. The space between the armature 16 and the pole masses 14a, 14b form an initial gap 20. The armature extends in a direction substantially perpendicular to the axial direction.
La rotation de l’armature 16 est possible grâce à l’alimentation de deux bobines par un courant électrique, une première bobine 22a et une deuxième bobine 22b, qui aimantent l’armature. Ainsi, l’interaction entre le flux magnétique produit par les bobines 22a, 22b et celui-ci produit par les aimants 12a, 12b permanents génère un couple électro-magnétique dans le moteur couple qui entraîne l’armature 16 en rotation. Ce couple dépend du courant appliqué et les caractéristiques magnétiques du moteur couple. L’armature 16 est reliée à un tube 18 de torsion formant l’axe de rotation s’étendant sensiblement selon la direction axiale et configuré pour appliquer un couple résistant principal à l’armature 16, s’opposant au couple électro-magnétique. Comme visible sur la figure 2, le tube de torsion peut être composé de plusieurs parties, une partie 18’ intermédiaire présentant la raideur permettant d’appliquer le couple résistant. The rotation of the armature 16 is possible thanks to the supply of two coils by an electric current, a first coil 22a and a second coil 22b, which magnetize the armature. Thus, the interaction between the magnetic flux produced by the coils 22a, 22b and the latter produced by the permanent magnets 12a, 12b generates an electromagnetic torque in the torque motor which drives the armature 16 in rotation. This torque depends on the current applied and the magnetic characteristics of the torque motor. The armature 16 is connected to a torsion tube 18 forming the axis of rotation extending substantially in the axial direction and configured to apply a main resistant torque to the armature 16, opposing the electromagnetic torque. As can be seen in FIG. 2, the torsion tube can be made up of several parts, an intermediate part 18' having the stiffness enabling the resisting torque to be applied.
La figure la représente l’armature 16 dans une position neutre, lorsque le couple magnétique est nul, c’est-à-dire que les bobines 22a, 22b ne sont pas alimentées. Figure la shows the armature 16 in a neutral position, when the magnetic torque is zero, that is to say the coils 22a, 22b are not powered.
Lors de l’alimentation des bobines, l’armature 16 subit un mouvement de rotation par application du couple électro-magnétique. Ce couple produit par le moteur (grâce au courant appliqué et le gain magnétique du moteur) doit vaincre tous les couples résistants au mouvement, comme le couple résistant principal produit par le tube, le couple d’amortissement, l’inertie de la partie mobile, et également le couple extérieur appliqué sur la partie mobile, s’il existe. En absence du courant, le couple résistant doit rendre l’armature à sa position initiale. During the supply of the coils, the armature 16 undergoes a rotational movement by application of the electromagnetic torque. This torque produced by the motor (thanks to the current applied and the magnetic gain of the motor) must overcome all the torques resisting movement, such as the main resistive torque produced by the tube, the damping torque, the inertia of the moving part , and also the external torque applied to the moving part, if any. In the absence of current, the resistive torque must return the armature to its initial position.
Pour éviter un phénomène de collage de l’armature 16 aux masses 14a, 14b polaires au-delà d’un certain déplacement angulaire, le moteur couple comprend ici deux ressorts, un premier ressort 24a configuré pour appliquer un couple résistant supplémentaire lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé, et un deuxième ressort 24b. Pour s’adapter aux mouvements de rotation dans un sens ou dans l’autre, chaque ressort est doublé sur la masse polaire opposée. Dans ce mode de réalisation, les ressorts sont des ressorts en hélice, fixés aux masses polaires et agencés dans l’entrefer. To avoid a phenomenon of the armature 16 sticking to the polar masses 14a, 14b beyond a certain angular displacement, the torque motor here comprises two springs, a first spring 24a configured to apply an additional resistant torque when the angle of rotation of the armature with respect to the neutral position is greater than a first predetermined angle of rotation, and a second spring 24b. To adapt to rotational movements in one direction or the other, each spring is doubled on the opposite pole mass. In this embodiment, the springs are helical springs, fixed to the pole masses and arranged in the air gap.
La figure lb représente le moteur couple dans une première position intermédiaire correspondant au premier angle qi de rotation prédéterminé. Dans cette première position intermédiaire, l’armature 16 rentre en contact avec le premier ressort. Ainsi, pour tout angle inférieur ou égal au premier angle qi de rotation prédéterminé, le premier ressort n’applique pas de couple à l’armature 16, et pour tout angle de rotation supérieur au premier angle qi prédéterminé, le premier ressort applique un premier couple résistant supplémentaire à l’armature 16, qui s’oppose au couple électro-magnétique et s’additionne au couple résistant principal. FIG. 1b shows the torque motor in a first intermediate position corresponding to the first predetermined rotation angle qi. In this first intermediate position, the armature 16 comes into contact with the first spring. Thus, for any angle less than or equal to the first predetermined angle qi of rotation, the first spring does not apply torque to the armature 16, and for any angle of rotation greater than the first predetermined angle qi, the first spring applies a first additional resistive torque to armature 16, which opposes the electromagnetic torque and adds to the main resistive torque.
La figure le représente le moteur couple dans une deuxième position intermédiaire correspondant au deuxième angle 02 de rotation prédéterminé. Dans cette deuxième position intermédiaire, l’armature 16 rentre en contact avec le deuxième ressort. Ainsi, pour tout angle inférieur ou égal au premier angle 0i de rotation prédéterminé, le deuxième ressort n’applique pas de couple à l’armature 16, et pour tout angle de rotation supérieur au deuxième angle 02 prédéterminé, le deuxième ressort applique un deuxième couple résistant supplémentaire à l’armature 16, qui s’oppose au couple électro-magnétique et s’additionne au premier couple résistant supplémentaire et au couple résistant principal. FIG. 1e represents the torque motor in a second intermediate position corresponding to the second predetermined angle 0 2 of rotation. In this second intermediate position, the armature 16 comes into contact with the second spring. Thus, for any angle less than or equal to the first predetermined angle 0i of rotation, the second spring does not apply a torque to the armature 16, and for any angle of rotation greater than the second predetermined angle 02, the second spring applies a second additional resistive torque to armature 16, which opposes the electromagnetic torque and adds to the first additional resistive torque and to the main resistive torque.
La figure 3 représente une courbe de l’évolution du couple mécanique résistant total (exprimé en N.m) appliquée à la partie mobile d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, en fonction de l’angle (exprimé en radians) de rotation de l’armature du moteur couple. FIG. 3 represents a curve of the evolution of the total resistant mechanical torque (expressed in Nm) applied to the moving part of a torque motor according to one embodiment of the invention, as a function of the angle (expressed in radians ) of rotation of the torque motor armature.
Lorsque l’angle 0 de rotation est compris entre 0 et 0i, le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion. When the angle 0 of rotation is between 0 and 0i, the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube.
Lorsque l’angle 0 de rotation est compris entre 0i et 02, le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion à laquelle s’ajoute le couple Kri du premier ressort. When the angle 0 of rotation is between 0i and 0 2 , the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube to which is added the torque K ri of the first spring.
Lorsque l’angle 0 de rotation est supérieur à 02, le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion à laquelle s’ajoute la raideur Kri du premier ressort et la raideur Kr2 du deuxième ressort. When the angle 0 of rotation is greater than 0 2 , the resistive torque increases according to a slope defined by the stiffness Kt of the torsion tube to which is added the stiffness K ri of the first spring and the stiffness K r 2 of the second spring .
Les paramètres de ce modèle (0i, 02, Kt, Kri, Kr2) sont identifiés à partir de la cartographie réalisée dans un logiciel de simulation des phénomènes électromagnétiques qui permettent d’obtenir une relation la plus linéaire possible entre le courant de commande alimentant les bobines et l’angle de rotation de l’armature. The parameters of this model (0i, 0 2 , K t , K ri , K r 2 ) are identified from the cartography carried out in software for the simulation of electromagnetic phenomena which make it possible to obtain the most linear relationship possible between the control current supplying the coils and the angle of rotation of the armature.
Le moteur couple selon l’invention permet ainsi d’augmenter l’angle de rotation en augmentant le courant de commande. Cet angle de rotation est plus grand que celui produit dans un moteur conventionnel sans gain variable, et ainsi d’augmenter le couple fourni par le moteur couple. The torque motor according to the invention thus makes it possible to increase the angle of rotation by increasing the control current. This angle of rotation is more greater than that produced in a conventional motor without variable gain, and thus to increase the torque supplied by the torque motor.
La figure 4 est une courbe représentant l’angle de rotation de l’armature en fonction du courant fourni aux bobines dans un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 4 is a curve representing the angle of rotation of the armature as a function of the current supplied to the coils in a torque motor according to one embodiment of the invention.
Lorsque le courant de commande atteint une valeur L, l’angle Q de rotation atteint le premier angle qi de rotation prédéterminé. Ce premier angle qi de rotation prédéterminé correspondant de préférence à l’angle maximal que l’armature peut atteindre sans phénomène de collage en cas d’absence de ressorts, le couple résistant étant constitué du seul couple résistant principal par la présence du tube de torsion. La présence du premier ressort, qui rentre en contact avec la palette au premier angle qi de rotation prédéterminé, permet à l’armature d’atteindre un angle de rotation plus élevé en augmentant le couple résistant, grâce à l’ajout du premier couple résistant supplémentaire sans atteindre la limite de stabilité, par opposition au phénomène de collage mis en évidence par la courbe 40a fictive en pointillé représentant le comportement du moteur couple en l’absence du premier ressort. When the control current reaches a value L, the rotation angle Q reaches the first predetermined rotation angle qi. This first predetermined angle qi of rotation preferably corresponding to the maximum angle that the armature can reach without sticking phenomenon in the absence of springs, the resistive torque being made up of the main resistive torque alone by the presence of the torsion tube . The presence of the first spring, which comes into contact with the pallet at the first predetermined angle of rotation qi, allows the armature to reach a higher angle of rotation by increasing the resistive torque, thanks to the addition of the first resistive torque additional without reaching the stability limit, as opposed to the sticking phenomenon highlighted by the dashed fictitious curve 40a representing the behavior of the torque motor in the absence of the first spring.
Lorsque le courant de commande atteint une valeur h, l’angle Q de rotation atteint le deuxième angle 02 de rotation prédéterminé. Ce deuxième angle 02 de rotation prédéterminé correspondant de préférence à l’angle maximal que l’armature peut atteindre sans phénomène de collage en cas de présence du premier ressort mais en l’absence du deuxième ressort, le couple résistant étant constitué du couple résistant principal par la présence du tube de torsion et du premier couple résistant supplémentaire par la présence du deuxième ressort. La présence du deuxième ressort, qui rentre en contact avec la palette au deuxième angle 02 de rotation prédéterminé, permet à l’armature d’atteindre un angle de rotation plus élevé en augmentant le couple résistant, grâce à l’ajout du deuxième couple résistant supplémentaire sans atteindre la limite de stabilité, par opposition au phénomène de collage mis en évidence par la courbe 40b fictive en pointillé représentant le comportement du moteur couple en l’absence du deuxième ressort mais en présence du premier ressort. When the control current reaches a value h, the angle Q of rotation reaches the second predetermined angle 0 2 of rotation. This second predetermined angle 0 2 of rotation preferably corresponds to the maximum angle that the armature can reach without sticking in the event of the presence of the first spring but in the absence of the second spring, the resistive torque being made up of the resistive torque main by the presence of the torsion tube and the first additional resistant torque by the presence of the second spring. The presence of the second spring, which comes into contact with the pallet at the second angle 0 2 of predetermined rotation, allows the armature to reach a higher angle of rotation by increasing the resistive torque, thanks to the addition of the second torque additional resistant without reaching the stability limit, as opposed to the sticking phenomenon highlighted by the fictitious dotted curve 40b representing the behavior of the torque motor in the absence of the second spring but in the presence of the first spring.
Lorsque l’angle 0 de rotation atteint 03 pour un courant de commande de valeur I3, le moteur couple parvient à sa nouvelle limite de stabilité. When the angle 0 of rotation reaches 0 3 for a control current of value I3, the torque motor reaches its new stability limit.
Le moteur couple selon l’invention peut donc permettre de linéariser approximativement la relation entre le courant de commande et l’angle de rotation sur une plus large plage de commande et d’angle de rotation. The torque motor according to the invention can therefore make it possible to approximately linearize the relationship between the control current and the angle of rotation over a wider range of control and angle of rotation.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits. En particulier, les ressorts peuvent être de différents types, par exemple des ressorts à gaz, ressorts magnétiques, ressorts hélicoïdaux de compression à fil droit (dite hélice), ressorts hélicoïdaux de compression conique à fil, ressorts à lame, ressorts à volute (hélicoïdal à lame), ressorts à rondelle type Belleville, ressorts à diaphragme, ressorts ondulés. En outre, le nombre de ressorts peut varier selon l’angle de rotation maximale souhaité, qui dépend à son tour de la longueur d’entrefer au repos, chaque ressort permettant l’ajout d’un couple résistant grâce à sa raideur à partir d’un certain angle de rotation de l’armature. The invention is not limited to the embodiments described. In particular, the springs can be of different types, for example gas springs, magnetic springs, helical compression springs with straight wire (called helix), helical compression springs with conical wire, leaf springs, volute springs (helical springs), Belleville washer springs, diaphragm springs, wave springs. In addition, the number of springs can vary depending on the desired maximum angle of rotation, which in turn depends on the length of the air gap at rest, each spring allowing the addition of a resisting torque thanks to its stiffness from a certain angle of rotation of the armature.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur couple configuré pour permettre le positionnement d’un mobile par rotation du moteur, comprenant au moins un aimant (12a, 12b) permanent, au moins une bobine (22a, 22b) et une armature (16) configurée pour pouvoir être entraînée en rotation autour d’une direction, dite direction (18) axiale, par application d’un couple électro-magnétique, en partant d’une position neutre, en cas d’alimentation d’au moins une bobine (22a, 22b) par un courant électrique, ladite armature (16) s’étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction (18) axiale et étant agencée entre deux masses (14a, 14b) polaires reliées par l’aimant (12a, 12b) permanent et formant chacune un pôle magnétique et l’espace minimal entre l’armature (16) et les masses (14a, 14b) polaires formant au moins un entrefer (20), l’armature (16) étant reliée à un tube de torsion s’étendant sensiblement selon la direction (18) axiale et présentant une raideur permettant l’application d’un couple résistant principal à l’armature (16) s’opposant au couple électro magnétique, le couple résistant principal étant nul en position neutre, caractérisé en ce que le moteur couple comprend en outre au moins un ressort (24a, 24b) configuré pour appliquer un couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle (qi) de rotation prédéterminé, de sorte que : 1. Torque motor configured to allow the positioning of a mobile by rotation of the motor, comprising at least one permanent magnet (12a, 12b), at least one coil (22a, 22b) and an armature (16) configured to be able to be driven in rotation around a direction, called axial direction (18), by application of an electromagnetic torque, starting from a neutral position, in the event of supply of at least one coil (22a, 22b) by an electric current, said armature (16) extending in a direction substantially perpendicular to the axial direction (18) and being arranged between two pole masses (14a, 14b) connected by the permanent magnet (12a, 12b) and each forming a magnetic pole and the minimum space between the armature (16) and the pole masses (14a, 14b) forming at least one air gap (20), the armature (16) being connected to a torque tube extending substantially along the axial direction (18) and having a stiffness allowing the application of a resistive torque p main to the armature (16) opposing the electromagnetic torque, the main resistive torque being zero in the neutral position, characterized in that the torque motor further comprises at least one spring (24a, 24b) configured to apply a torque additional resistor to the armature opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature relative to the neutral position is greater than a first predetermined angle (qi) of rotation, so that:
- l'armature (16) est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et une première position intermédiaire correspondant au premier angle (qi) de rotation prédéterminé,- the armature (16) is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistive torque between the neutral position and a first intermediate position corresponding to the first predetermined angle (qi) of rotation,
- l’armature (16) est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal et au couple résistant supplémentaire au-delà de la première position intermédiaire. - the armature (16) is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque and to the additional resistive torque beyond the first intermediate position.
2. Moteur couple selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux ressorts, un premier ressort (24a) configuré pour appliquer un premier couple résistant supplémentaire à l’armature (16) s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle (0i) de rotation prédéterminé et un deuxième ressort (24b) configuré pour appliquer un deuxième couple résistant supplémentaire à l’armature (16) s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature (16) par rapport à la position neutre est supérieur à un deuxième angle (Q2) de rotation prédéterminé, de sorte que : 2. Torque motor according to claim 1, characterized in that it comprises at least two springs, a first spring (24a) configured to apply a first additional resistive torque to the armature (16) opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature by relative to the neutral position is greater than a first predetermined rotation angle (0i) and a second spring (24b) configured to apply a second additional resistive torque to the armature (16) opposing the electromagnetic torque when the angle of rotation of the armature (16) with respect to the neutral position is greater than a second predetermined angle (Q2) of rotation, such that:
- l'armature (16) est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et la première position intermédiaire, - the armature (16) is subjected to the electromagnetic torque and to the main resistant torque between the neutral position and the first intermediate position,
- l’armature (16) est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire entre la première position intermédiaire et une deuxième position intermédiaire correspondant au deuxième angle (Q2) de rotation prédéterminé, - the armature (16) is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque, to the first additional resistive torque between the first intermediate position and a second intermediate position corresponding to the second angle (Q2) of predetermined rotation,
- l’armature (16) est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire et au deuxième couple résistant supplémentaire au-delà de la deuxième position intermédiaire. - the armature (16) is subjected to the electromagnetic torque, to the main resistive torque, to the first additional resistive torque and to the second additional resistive torque beyond the second intermediate position.
Moteur couple selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu’au moins un ressort (24a, 24b) est un ressort de compression en hélice, fixé sur une masse (14a, 14b) polaire, agencé dans l’entrefer (20), et configuré de sorte à ce que lorsque l’armature (16) est entre la position neutre et la première position intermédiaire, l’armature (16) n’est pas en contact avec le ressort, et lorsque l’armature (16) est au-delà de la première position intermédiaire, l’armature (16) est en contact avec le ressort (24a, 24b) et comprime celui-ci. Moteur couple selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’au moins un ressort (24a, 24b) est composé d’une pluralité de sous-ressorts, les raideurs combinés des sous-ressorts formant une raideur totale permettant l’application du couple résistant supplémentaire. Torque motor according to one of Claims 1 or 2, characterized in that at least one spring (24a, 24b) is a helical compression spring, fixed to a polar mass (14a, 14b), arranged in the air gap (20), and configured such that when the armature (16) is between the neutral position and the first intermediate position, the armature (16) is not in contact with the spring, and when the armature (16) is beyond the first intermediate position, the armature (16) is in contact with the spring (24a, 24b) and compresses the latter. Torque motor according to one of Claims 1 to 3, characterized in that at least one spring (24a, 24b) is composed of a plurality of sub-springs, the combined stiffnesses of the sub-springs forming a total stiffness allowing the application of the additional resistant torque.
Moteur couple selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’au moins un ressort (24a, 24b) est fabriqué avec un des matériaux suivants :Torque motor according to one of Claims 1 to 4, characterized in that at least one spring (24a, 24b) is made from one of the following materials:
- acier, - acier inoxydable, - steel, - stainless steel,
- inconel, - inconel,
- alliage de cuivre, - copper alloy,
- alliage à base de Nickel, - titane et cuivre, - Nickel-based alloy, - titanium and copper,
- composite, - compound,
- élastomères, - elastomers,
- plomb. - lead.
6. Servovalve, configurée pour réguler la circulation d’un fluide dans un conduit fermé, comprenant un élément mécanique de régulation du débit du fluide, caractérisée en ce que l’élément mécanique de régulation du débit du fluide est commandé par un moteur couple selon l’une des revendications 1 à 5. 6. Servovalve, configured to regulate the circulation of a fluid in a closed conduit, comprising a mechanical element for regulating the flow of the fluid, characterized in that the mechanical element for regulating the flow of the fluid is controlled by a torque motor according to one of claims 1 to 5.
PCT/EP2021/068320 2020-07-07 2021-07-02 Variable gain torque motor WO2022008371A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003019582A1 (en) * 2001-08-30 2003-03-06 Moving Magnet Technologies (M.M.T.) Electromagnetic actuator with two stable end-of-travel positions, in particular for controlling air intake duct valves for internal combustion engines
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