WO1996020488A1 - Actionneur magnetique a entrefers multiples - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a magnetic actuator intended for applications requiring long strokes and a large call force.
- the subject of the present invention is a magnetic actuator which overcomes the drawbacks of the prior art by providing a more efficient device, that is to say making it possible to obtain either a calling force during the significantly higher power on for an equivalent stroke or a higher stroke for the same call force.
- a magnetic actuator ensuring, under the effect of the excitation of a magnetic circuit, the bonding of a moving part against a pole piece from which it is separated by an air gap, characterized in that it comprises in addition at least one intermediate part arranged in this air gap and able to move between the moving part and the pole piece, while defining in the absence of excitation (at rest) free spaces el, e2, e3 between the or the intermediate parts and respectively the moving part and the pole piece, which spaces constitute air gaps for the magnetic flux.
- the actuator according to the invention comprises two intermediate parts, these define at rest a first air gap el between the pole piece and the first intermediate part, a second air gap e2 between this intermediate part and the second intermediate part and a third air gap e3 between the second room intermediate and moving part.
- a part made of a non-magnetic material is intended to maintain the intermediate part or parts in the rest position in which this or these intermediate parts as well as the pole piece and the moving part are fixed and separated by said air gaps.
- a magnetic actuator intended for controlling a shaft for transmitting a movement and provided with a magnetic circuit, the excitation of which tends to cause a movable core to stick against a pole piece from which it is separated. by an air gap, may further comprise at least one intermediate piece disposed in this air gap and able to move between the core and the pole piece while defining at least two air gaps with these two elements, in the absence of excitation of the magnetic circuit .
- such an actuator comprises a tubular magnetic circuit inside of which are arranged coaxially both a movable core and a fixed pole piece while defining between these two coaxial elements a first space in the axial direction, the core and the pole piece being drilled along their longitudinal axis to receive a motion transmission shaft, characterized in that the external diameter of the shaft has a larger dimension on an end part extending over a part of the inner wall of the pole piece so that a complementary annular space is created between the outer surface of the non-oversized shaft and the part of the wall of the pole piece which is not in contact with this shaft, this complementary space that can receive an annular T-shaped intermediate piece whose base of larger diameter extends in said first space and which is free to slide on the one hand internally along the shaft and on the other hand externally along the pole piece.
- the intermediate piece comprises on the peripheral surface of its base a shoulder intended to come into abutment against a corresponding shoulder of a ring made of a non-magnetic material and arranged in the first space against the internal wall of the magnetic circuit.
- the T-shaped intermediate piece is replaced by a Y-shaped intermediate piece with a base with conical surfaces, it is the end of this base which is intended to abut against a shoulder of this ring.
- the shaft has a shoulder cooperating with a complementary shoulder of the core so that transmission of the movement between these two elements can be achieved.
- the shaft comprises over a part of its length in contact with the core with an outer diameter of smaller dimension corresponding with an equally reduced diameter of this core.
- a metal carcass covers the external surfaces of the magnetic circuit and of the pole piece as well as a part of the internal wall of this magnetic circuit arranged opposite the core.
- the shaft In the absence of excitation of the magnetic circuit, the shaft is subjected to a restoring force obtained by the action of a spring, one end of which is integral with this shaft and the other end of which bears on an external wall. of the actuator.
- the present actuator is particularly suitable for the production of solenoid valves such as for example magnetic cylinders.
- FIG. 1 shows an example of a solenoid valve provided with a magnetic actuator according to the invention
- FIGS. 2, 3 and 4 show the magnetic circuit of the actuator of FIG. 1 in three distinct operating positions: at rest, in an intermediate position and when glued,
- FIG. 5 is a first alternative embodiment of the magnetic actuator according to the invention having conical contact surfaces
- FIG. 6 is a second alternative embodiment of the magnetic actuator according to the invention having two intermediate parts
- Figure 1 shows an exemplary embodiment of a two-way solenoid valve provided with a magnetic actuator according to the invention.
- This solenoid valve comprises on the one hand a cylindrical body 10 intended to receive the actuator and on the other hand inlet 12 and outlet 14 channels connected to one end of this body and communicating with a central chamber 16 in which is formed a seat 18 of a valve 20.
- the actuator is held in the body 10 by means of a non-magnetic cylindrical jacket 22 forming a receptacle and a cover 24, the receptacle-cover assembly being secured, for example, by a nut 26.
- the actuator is traversed along its longitudinal axis by a motion transmission shaft 28 which is integral with a push rod 30 on which the valve 20 is mounted.
- a return spring 32 which bears on an external face of the jacket 22 allows the positioning of the shaft in rear mechanical stop in an extreme low position (rest position of the actuator) in which the valve rests on its seat.
- the actuator is in the form of a magnetic circuit, comprising a tubular electric circuit 34 implanted in a magnetic part 40, and inside which are coaxially arranged both a movable core 36 and a fixed pole piece 38 while leaving between these two coaxial elements a first free space in the axial direction.
- the core 36 and the pole piece 38 are drilled along their longitudinal axis to receive the shaft 28 for transmitting the movement which is non-magnetic.
- the outer diameter of the shaft 28 has a larger dimension on an upper end portion 28a extending over an upper portion of the inner wall of the pole piece 38 so that there is a complementary annular space 37 between the external surface of the shaft 28 of non-oversized medium section 28b and the part of the wall of the pole piece 38 which is not in contact with this portion of shaft 28b of medium section, which portion 28b has a corresponding external diameter to the internal diameter of the movable core 36.
- the part 40 covers the external surfaces of the electrical winding 34 and of the pole piece 38 as well as a part of the internal wall of this tubular circuit 34 disposed opposite the core 36.
- annular intermediate piece 42 in the shape of a T (overturned or not depending on the arrangement elements of the actuator) whose horizontal branch or the larger diameter base 42a extends in the first space existing axially between this pole piece 38 and the core 36.
- This piece 42 which must be able to ensure continuity magnetic and is therefore made for example of a ferromagnetic material, is free to slide on the one hand internally along the portion 28b of the shaft 28 and on the other hand externally along the pole piece 38.
- the surface peripheral of the base 42a of the intermediate piece 42 comprises a shoulder 42b intended to come into abutment against a corresponding shoulder 44b of a ring 44 made of a non-magnetic material and disposed against the internal wall of the electrical circuit 34 in the space separating axially the pole piece 38 of the core 36.
- the internal diameter of the lower part 44a of this ring 44 corresponds to the external diameter of the core 36 to constitute a oi guiding the latter during its movement under the action of the magnetic field created in the actuator.
- the intermediate piece 42 which is inserted into the magnetic circuit consisting of the pole piece 38, the magnetic piece 40 of the electric winding and the core 36 defines at rest along the longitudinal axis of the actuator of the air gaps el and e2 between the piece intermediate 42 and respectively the core 36 and the pole piece 38.
- the core 36 is in an extreme low position, its lower face pressed (with the exception of a slight clearance intended to ensure the support of the valve 20) against the bottom of the receptacle 22 by the shaft 28 which passes through it , is subjected directly to the return force of the spring 32 and has a shoulder 28c cooperating with a complementary shoulder 36c of the core 36 (these shoulders can be very simply made by reducing the diameter of the shaft 28 and of the core 36 on part of the length of the nucleus).
- the intermediate piece 42 pushed by the shaft 28 is in abutment on the internal shoulder 44b of the ring 44 so that there can remain the air gap el between the external radial face of its base 44a and the radial upper face of the core 36.
- the actuator in this operating phase, behaves like a conventional magnetic circuit having the sole air gap el and therefore it will generate an attractive force between the core 36 and the intermediate piece 42 which tends to reduce this air gap el.
- This reduction and then the complete disappearance of the air gap causes a considerable increase in the flow passing through the intermediate piece 42.
- Figures 5 to 12 Other embodiments of the actuator according to the invention are shown in Figures 5 to 12.
- Figure 5 which shows the actuator in a high bonding position
- the intermediate piece 42 has a Y shape with a conical base 42d, the end of which is initially in abutment against the shoulder 44b of the ring 44 made of non-magnetic material.
- the operation of this actuator is strictly identical to that described above with reference to FIGS. 2 to 4, the presence of the conical contact surfaces however making it possible to obtain a greater stroke with identical air gaps or the same stroke with weaker air gaps.
- FIG. 6 illustrates, in an initial rest position, another embodiment of the actuator according to the invention in which the free space in the axial direction existing between the pole piece 38 and the movable core 36 comprises not only a but two intermediate parts 42 and 43.
- the relay effect of the magnetic flux generated by these parts can be extended to more than two air gaps, thereby lengthening the stroke of the actuator, without any significant loss of appeal force.
- the first intermediate piece 42 has a T shape with a base 42a whose peripheral surface rests on a first shoulder 44b of the ring non-magnetic 44 and thus defines, as before, the air gap el between the external radial face of this base and the upper face of the core 36.
- the first intermediate part 42 is free to slide on the one hand internally along the shaft 28 and on the other hand externally along an internal cylindrical face 43a of the second intermediate part 43.
- this second part 43 can itself also slide internally along the shaft 28 (on a part 28d of slightly larger diameter at the average diameter of this shaft on which the part 42 can slide) and externally, by a part of its external cylindrical face 43b, along both the ring 44 and an internal lateral face of the pole piece 38.
- a second shoulder 44c is formed in this ring 44 to constitute a stop for the second intermediate part 43 and to define at rest the second air gap e2 between the internal radial face of the base 42a and the external radial face of the second part 43.
- a third air gap e3 is present between the internal radial face of the second intermediate part 43 and the external radial face of the pole piece 38, maintaining, in its rest position, this second part 43 being obtained by the action of the end part of the shaft of greater dimension 28a on a part of its internal radial face.
- the actuator behaves like a conventional magnetic circuit having the sole air gap el and it will therefore generate an attractive force between the core 36 and the first intermediate part 42 which tends to reduce this first air gap.
- This reduction then the complete disappearance of the air gap (by gluing the core against the first intermediate part) causes a considerable increase in the flux passing through the first part 42.
- a new attraction force is then created between the two intermediate parts, making it possible to reduce until its disappearance the space e2 separating them and also causing magnetic saturation of the second intermediate part with the consequence of a deflection of the flow by the third air gap e3 formed between the internal radial face of the second intermediate part 43 and the external radial face of the pole piece 38.
- a new force of attraction will then arise and cause the gradual disappearance of the latter air gap.
- FIGS. 7 to 9 illustrate the application of the invention to actuators with
- the calling force as the stroke can be advantageously increased by the addition of one or more intermediate parts serving as relays to the magnetic flux and arranged in the air gap existing between the moving part 66 and the pole piece 68.
- the movable piece (the pallet 66) is articulated with the pole piece 68 that surrounds the magnetic coil 60. Means for retaining this movable piece, not shown, allow, in the initial rest position of Figure 7, keep the magnetic circuit open by creating a restoring force F on the pallet.
- an intermediate piece 62 articulated on the movable piece 66 rests on a shoulder 64b of a piece made of a non-magnetic material 64 by defining a first air gap between the intermediate piece and the pole piece and a second air gap e2 between this intermediate piece and the moving piece.
- Alternative solutions can result from the elimination of the part 64 and the installation of a device for limiting the angular travel of the intermediate part 62 relative to the moving part 66.
- this actuator can be simply described as follows.
- the magnetic winding 60 When the magnetic winding 60 is energized, the magnetic flux passes through the intermediate part 62 by the joint articulation with the moving part 66 and tends to reduce the air gap existing between this part and the pole piece 68. The latter reduces , the part 62 is then quickly saturated by the magnetic flux, the action of which will accentuate the tilting of the moving part by filling the second air gap e2 and thus causing the complete closure of the actuator (FIG. 9).
- FIGS. 10 to 12 illustrate another application of the invention to more conventional actuators of the "relay" type in which the structure of the invention makes it possible to increase the stroke without reduction in performance.
- FIG. 10 shows a conventional structure with a pole piece 78, a movable core 76 and a magnetic coil 70.
- the movable piece 76 is separated by an air gap e from the pole piece 78 by the action of a restoring force F.
- the moving part is provided with an intermediate piece in the shape of a stirrup 72 placed in the air gap e and the branches 72a of which can slide along the piece 76 while the floor 72b of this stirrup defines air gaps el and e2 respectively with the pole piece 78 and the moving piece 76.
- a piece 74 of a non-magnetic material is placed at the end of the moving piece 76 in order to serve as a stop at rest for the intermediate piece 72.
- this actuator is similar to the previous one.
- the flux created between the moving part and the pole piece passes through the intermediate piece 72 (by the lateral contacts between the arms of the bracket 72 and the moving piece 76) and tends to reduce the 'air gap existing between the latter and the pole piece.
- the part 72 becomes magnetically saturated and the magnetic flux then tends to reduce the second air gap e2 to result in the configuration of FIG. 12 in which the moving part is found glued against the pole piece by the middle of room 72.
- the force of attraction is from 50 to more than 100% greater than that recorded by a conventional actuator.
- the actuator stroke can be lengthened by 30 to 100% depending on the case.
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Abstract
Actionneur magnétique assurant, sous l'effet de l'excitation d'un circuit électrique (34), le collage d'une pièce mobile (36) contre une pièce polaire (38) dont elle est séparée par un entrefer, comportant au moins une pièce intermédiaire (42) disposée dans cet entrefer et pouvant se déplacer entre la pièce mobile et la pièce polaire, tout en définissant en l'absence d'excitation (au repos) des espaces libres (e1, e2), entre la ou les pièces intermédiaires et respectivement la pièce mobile et la pièce polaire, lesquels espaces constituent des entrefers pour le flux magnétique. Des moyens (44, 64, 74) de limitation de la course de la pièce intermédiaire (42) sont prévus pour maintenir cette pièce intermédiaire dans la position de repos dans laquelle cette pièce (42) ainsi que la pièce polaire (38) et la pièce mobile (36) sont fixes et séparées par lesdits entrefers. De préférence, ces moyens de limitation de la course de la pièce intermédiaire sont constitués par une pièce faite en un matériau amagnétique.
Description
AcπONNEUR MAGNETIQUE A ENTREFERS MULTIPLES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un actionneur magnétique destiné aux applications requérant des courses longues et un effort d'appel important. ART ANTERIEUR
Classiquement, dans les commandes de dispositifs d'étanchéité où les phénomènes d'usure de joints et d'équilibrage de la pression sont primordiaux, il est fondamental de disposer à la fois d'une réserve d'effort suffisante pour permettre l'ouverture du dispositif et d'une course importante pour favoriser la section de passage du fluide. Or, dans le cas de l'utilisation d'un électroaimant courant (c'est à dire muni d'un simple entrefer), ces deux types de contraintes conduisent à dimensionner cet électroaimant, constituant l'actionneur du dispositif d'étanchéité, en fonction de la force maximale à délivrer lors de la mise en courant (c'est à dire lorsque l'entrefer est maximal). Il en résulte un sur-dimensionnement conséquent de l'actionneur dont l'accroissement de taille et de masse entraîne une majoration de l'énergie dissipée et corrélativement une augmentation des coûts du dispositif. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un actionneur magnétique qui pallie les inconvénients de l'art antérieur en procurant un dispositif plus performant, c'est à dire permettant l'obtention soit d'une force d'appel lors de la mise en courant nettement supérieure pour une course équivalente soit d'une course supérieure pour une force d'appel identique. Ce but est atteint par un actionneur magnétique assurant, sous l'effet de l'excitation d'un circuit magnétique, le collage d'une pièce mobile contre une pièce polaire dont elle est séparée par un entrefer, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une pièce intermédiaire disposée dans cet entrefer et pouvant se déplacer entre la pièce mobile et la pièce polaire, tout en définissant en l'absence d'excitation (au repos) des espaces libres el, e2, e3 entre la ou les pièces intermédiaires et respectivement la pièce mobile et la pièce polaire, lesquels espaces constituent des entrefers pour le flux magnétique.
Lorsque l'actionneur selon l'invention comporte deux pièces intermédiaires, celles-ci définissent au repos un premier entrefer el entre la pièce polaire et la première pièce intermédiaire, un second entrefer e2 entre cette pièce intermédiaire et la seconde pièce intermédiaire et un troisième entrefer e3 entre la seconde pièce
intermédiaire et la pièce mobile. En outre, une pièce faite en un matériau amagnétique est destinée à maintenir la ou les pièces intermédiaires dans la position de repos dans laquelle cette ou ces pièces intermédiaires ainsi que la pièce polaire et la pièce mobile sont fixes et séparées par lesdits entrefers. Par la présence de la ou des pièces intermédiaires, il est ainsi possible sans accroissement sensible de la taille de l'actionneur d'obtenir un dispositif possédant une plus grande course ou un effort d'attraction plus important.
De même, un actionneur magnétique, destiné à la commande d'un arbre de transmission d'un mouvement et muni d'un circuit magnétique dont l'excitation tend à provoquer le collage d'un noyau mobile contre une pièce polaire dont il est séparé par un entrefer, peut comporter en outre au moins une pièce intermédiaire disposée dans cet entrefer et pouvant se déplacer entre le noyau et la pièce polaire tout en définissant au moins deux entrefers avec ces deux éléments, en l'absence d'excitation du circuit magnétique. Dans un mode de réalisation préférentiel, un tel actionneur comporte un circuit magnétique tubulaire à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement à la fois un noyau mobile et une pièce polaire fixe tout en définissant entre ces deux éléments coaxiaux un premier espace dans le sens axial, le noyau et la pièce polaire étant percés selon leur axe longitudinal pour recevoir un arbre de transmission du mouvement, caractérisé en ce que le diamètre externe de l'arbre présente une dimension supérieure sur une partie d'extrémité s'étendant sur une partie de la paroi interne de la pièce polaire de telle sorte qu'il est créé un espace annulaire complémentaire entre la surface externe de l'arbre non surdimensionnée et la partie de la paroi de la pièce polaire qui n'est pas en contact avec cet arbre, cet espace complémentaire pouvant recevoir une pièce intermédiaire annulaire en forme de T dont l'embase de plus grand diamètre s'étend dans ledit premier espace et qui est libre de coulisser d'une part intérieurement le long de l'arbre et d'autre part extérieurement le long de la pièce polaire.
Dans une première configuration, la pièce intermédiaire comporte sur la surface périphérique de son embase un epaulement destiné à venir en butée contre un epaulement correspondant d'une bague faite en un matériau amagnétique et disposée dans le premier espace contre la paroi interne du circuit magnétique. Dans une seconde configuration dans laquelle la pièce intermédiaire en forme de T est remplacée par une pièce intermédiaire en forme de Y avec une embase à surfaces coniques, c'est l'extrémité de cette embase qui est destinée à venir en butée contre un epaulement de cette bague. L'arbre comporte une epaulement coopérant avec un
epaulement complémentaire du noyau de telle sorte qu'il puisse être réalisé une transmission du mouvement entre ces deux éléments.
De préférence, l'arbre comporte sur une partie de sa longueur en contact avec le noyau un diamètre externe de dimension moindre correspondant avec un diamètre également réduit de ce noyau.
Avantageusement, une carcasse métallique recouvre les surfaces externes du circuit magnétique et de la pièce polaire ainsi qu'une partie de la paroi interne de ce circuit magnétique disposée en regard du noyau.
En l'absence d'excitation du circuit magnétique, l'arbre est soumis à une force de rappel obtenue par l'action d'un ressort dont une extrémité est solidaire de cet arbre et dont l'autre extrémité prend appui sur une paroi externe de l'actionneur.
Le présent actionneur est particulièrement adapté à la réalisation d'électrovannes comme par exemple des vérins magnétiques.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 montre un exemple d'une électrovanne munie d'un actionneur magnétique selon l'invention,
- les figures 2, 3 et 4 montrent le circuit magnétique de l'actionneur de la figure 1 dans trois positions distinctes de fonctionnement: au repos, dans une position intermédiaire et au collage,
- la figure 5 est une première variante de réalisation de l'actionneur magnétique selon l'invention présentant des surfaces de contact coniques,
- la figure 6 est une seconde variante de réalisation de l'actionneur magnétique selon l'invention présentant deux pièces intermédiaires,
- les figures 7 à 9 montrent un exemple d'application de l'invention à un actionneur du type à palette, - les figures 10 à 12 montrent un autre exemple d'application de l'invention à un actionneur du type à relais,
- la figure 13 représente deux courbes montrant la relation existant entre la force d'attraction et la course pour un actionneur classique et un actionneur selon l'invention.
DESCRIPΗON DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une électrovanne à deux voies munie d'un actionneur magnétique selon l'invention. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement de l'actionneur, la figure 1 montre l'électrovanne dans ses deux positions extrêmes de fonctionnement (au repos (coupe de droite) et au collage (coupe de gauche)). Cette électrovanne comporte d'une part un corps cylindrique 10 destiné à recevoir l'actionneur et d'autre part des canaux d'entrée 12 et de sortie 14 reliés à une extrémité de ce corps et communiquant avec une chambre centrale 16 dans laquelle est formé un siège 18 d'un clapet 20. L'actionneur est maintenu dans le corps 10 au moyen d'une chemise cylindrique amagnétique 22 formant réceptacle et d'un couvercle 24, l'ensemble réceptacle-couvercle étant solidarisé, par exemple, par un écrou 26. L'actionneur est traversé selon son axe longitudinal par un arbre 28 de transmission du mouvement qui est solidaire d'une tige de poussée 30 sur laquelle est monté le clapet 20. Un ressort de rappel 32 qui prend appui sur une face externe de la chemise 22 permet le positionnement de l'arbre en butée mécanique arrière dans une position extrême basse (position de repos de l'actionneur) dans laquelle le clapet repose sur son siège.
L'actionneur se présente sous la forme d'un circuit magnétique, comportant un circuit électrique tubulaire 34 implanté dans une pièce magnétique 40, et à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement à la fois un noyau mobile 36 et une pièce polaire fixe 38 tout en laissant entre ces deux éléments coaxiaux un premier espace libre dans le sens axial. Le noyau 36 et la pièce polaire 38 sont percés selon leur axe longitudinal pour recevoir l'arbre 28 de transmission du mouvement qui est amagnétique. Le diamètre externe de l'arbre 28 présente une dimension supérieure sur une partie d'extrémité supérieure 28a s'étendant sur une partie supérieure de la paroi interne de la pièce polaire 38 de telle sorte qu'il existe un espace annulaire complémentaire 37 entre la surface externe de l'arbre 28 de section moyenne non surdimensionnée 28b et la partie de la paroi de la pièce polaire 38 qui n'est pas en contact avec cette portion d'arbre 28b de section moyenne, laquelle portion 28b présente un diamètre externe correspondant au diamètre interne du noyau mobile 36. La pièce 40 recouvre les surfaces externes du bobinage électrique 34 et de la pièce polaire 38 de même qu'une partie de la paroi interne de ce circuit tubulaire 34 disposée en regard du noyau 36. Dans l'espace annulaire 37 séparant la pièce polaire 38 de l'arbre 28 est disposée une pièce intermédiaire annulaire 42 en forme de T (renversé ou non selon la disposition
respective des éléments composant l'actionneur) dont la branche horizontale ou l'embase de plus grand diamètre 42a s'étend dans le premier espace existant axialement entre cette pièce polaire 38 et le noyau 36. Cette pièce 42, qui doit pouvoir assurer la continuité magnétique et est de ce fait constituée par exemple en un matériau ferromagnétique, est libre de coulisser d'une part intérieurement le long de la portion 28b de l'arbre 28 et d'autre part extérieurement le long de la pièce polaire 38. La surface périphérique de l'embase 42a de la pièce intermédiaire 42 comporte un epaulement 42b destiné à venir en butée contre un epaulement correspondant 44b d'une bague 44 faite en un matériau amagnétique et disposée contre la paroi interne du circuit électrique 34 dans l'espace séparant axialement la pièce polaire 38 du noyau 36. Le diamètre interne de la partie inférieure 44a de cette bague 44 correspond au diamètre externe du noyau 36 pour constituer une paroi de guidage de ce dernier lors de son déplacement sous l'action du champ magnétique créé dans l'actionneur. La pièce intermédiaire 42 qui est insérée dans le circuit magnétique constitué de la pièce polaire 38, de la pièce magnétique 40 du bobinage électrique et du noyau 36 définit au repos selon l'axe longitudinal de l'actionneur des entrefers el et e2 entre la pièce intermédiaire 42 et respectivement le noyau 36 et la pièce polaire 38.
Le fonctionnement de cette électrovanne sera décrit en regard des figures 2 à 4. Au repos (figure 2 et demi-vue droite de la figure 1), en l'absence d'excitation du circuit magnétique, l'effort de rappel exercé par le ressort 32 maintient le clapet
20 sur son siège 18 interdisant toute liaison entre les canaux d'entrée 12 et de sortie
14. Le noyau 36 est dans une position extrême basse, sa face inférieure plaquée (à l'exception d'un léger jeu destiné à assurer l'appui du clapet 20) contre le fond du réceptacle 22 par l'arbre 28 qui le traverse, est soumis directement à l'effort de rappel du ressort 32 et possède un epaulement 28c coopérant avec un epaulement complémentaire 36c du noyau 36 (ces έpaulements peuvent être très simplement réalisés par une réduction du diamètre de l'arbre 28 et du noyau 36 sur une partie de la longueur du noyau). La pièce intermédiaire 42 poussée par l'arbre 28 est en butée sur l'épaulement interne 44b de la bague 44 de telle sorte qu'il puisse subsister l'entrefer el entre la face radiale externe de son embase 44a et la face supérieure radiale du noyau 36. Dans cette position de repos, toutes les pièces précitées sont fixes et ne disposent donc pas de degrés de libellé selon l'axe longitudinal de l'actionneur. A la mise en courant (figure 3), un champ magnétique s'établit entre le noyau 36 et la pièce polaire 38 au travers de la pièce intermédiaire 42 dont une
face cylindrique externe 42c est en contact glissant avec la pièce polaire 38. Compte tenu de l'entrefer el existant entre la face supérieure du noyau 36 et la face radiale externe de l'embase 42a de la pièce intermédiaire 42, le flux traversant cette dernière est limité et notamment il n'entraîne pas une saturation du circuit magnétique. Le flux traverse alors la pièce intermédiaire en quasi totalité par le contact existant entre cette pièce 42 et la pièce polaire 38. L'actionneur, dans cette phase de fonctionnement, se comporte comme un circuit magnétique classique ayant pour unique entrefer el et il va donc générer une force d'attraction entre le noyau 36 et la pièce intermédiaire 42 qui tend à réduire cet entrefer el. Cette réduction puis la disparition complète de l'entrefer (par collage du noyau 36 contre la pièce intermédiaire 42) provoque un accroissement considérable du flux traversant la pièce intermédiaire 42. Il en résulte une saturation magnétique de la pièce 42 et corrélativement une déviation du flux par l'entrefer e2 existant entre la face radiale interne de l'embase 42a de la pièce intermédiaire 42 et la face radiale inférieure de la pièce polaire 38. Il se crée alors une nouvelle force d'attraction entre ces deux pièces 42, 38 permettant de réduire jusqu'à sa disparition l'espace les séparant (figure 4 et demi-vue de gauche de la figure 1).
D'autres exemples de réalisation de l'actionneur selon l'invention sont montrés aux figures 5 à 12. Sur la figure 5, qui montre l'actionneur dans une position haute de collage
(les entrefers el et e2 étant fermés), la pièce intermédiaire 42 présente une forme en Y avec une embase conique 42d dont l'extrémité est initialement en butée contre l'épaulement 44b de la bague 44 en matériau amagnétique. Le fonctionnement de cet actionneur est strictement identique à celui décrit précédemment en regard des figures 2 à 4, la présence des surfaces coniques de contact permettant toutefois d'obtenir une course plus importante à entrefers identiques ou une même course avec des entrefers plus faibles.
La figure 6 illustre, dans une position de repos initiale, un autre exemple de réalisation de l'actionneur selon l'invention dans lequel l'espace libre dans le sens axial existant entre la pièce polaire 38 et le noyau mobile 36 comporte non seulement une mais deux pièces intermédiaires 42 et 43. Par cette structure, l'effet de relais du flux magnétique engendré par ces pièces peut être étendu à plus de deux entrefers, allongeant d'autant la course de l'actionneur, et cela sans perte importante de force d'appel. Dans cette configuration particulière, la première pièce intermédiaire 42 présente une forme en T avec une embase 42a dont la surface périphérique repose sur un premier epaulement 44b de la bague
amagnétique 44 et ainsi définit, comme précédemment, l'entrefer el entre la face radiale externe de cette embase et la face supérieure du noyau 36. La première pièce intermédiaire 42 est libre de coulisser d'une part intérieurement le long de l'arbre 28 et d'autre part extérieurement le long d'une face cylindrique interne 43a de la seconde pièce intermédiaire 43. Pareillement, cette seconde pièce 43 peut elle même coulisser également intérieurement le long de l'arbre 28 (sur une partie 28d de diamètre légèrement supérieur au diamètre moyen de cet arbre sur lequel peut coulisser la pièce 42) et extérieurement, par une partie de sa face cylindrique externe 43b, le long à la fois de la bague 44 et d'une face latérale interne de la pièce polaire 38. Un second epaulement 44c est formé dans cette bague 44 pour constituer une butée pour la seconde pièce intermédiaire 43 et pour définir au repos le second entrefer e2 entre la face radiale interne de l'embase 42a et la face radiale externe de la seconde pièce 43. Un troisième entrefer e3 est présent entre la face radiale interne de la seconde pièce intermédiaire 43 et la face radiale externe de la pièce polaire 38, le maintien, dans sa position de repos, de cette seconde pièce 43 étant obtenu par l'action de la partie d'extrémité de l'arbre de dimension supérieure 28a sur une partie de sa face radiale interne.
Le fonctionnement de cette variante de réalisation à trois entrefers est dans son principe analogue à celui régissant la version préférentielle à deux entrefers. A la mise en courant du bobinage électrique d'excitation 34, le champ magnétique s'établit entre le noyau 36 et la pièce polaire 38 à travers les pièces intermédiaires
42 et 43 qui sont en contact glissant entre elles. L'actionneur se comporte comme un circuit magnétique classique ayant pour unique entrefer el et il va donc générer une force d'attraction entre le noyau 36 et la première pièce intermédiaire 42 qui tend à réduire ce premier entrefer. Cette réduction puis la disparition complète de l'entrefer (par collage du noyau contre la première pièce intermédiaire) provoque un accroissement considérable du flux traversant la première pièce 42. Il en résulte une saturation magnétique de cette pièce et corrélativement une déviation du flux par le deuxième entrefer e2 existant entre la face interne de l'embase de la première pièce intermédiaire et la face radiale externe de la seconde pièce intermédiaire 43.
Il se crée alors une nouvelle force d'attraction entre les deux pièces intermédiaires permettant de réduire jusqu'à sa disparition l'espace e2 les séparant et entraînant également une saturation magnétique de la seconde pièce intermédiaire avec pour conséquence une déviation du flux par le troisième entrefer e3 ménagé entre la face radiale interne de la seconde pièce intermédiaire 43 et la face radiale externe de la
pièce polaire 38. Une force d'attraction nouvelle va alors naître et entraîner la disparition progressive de ce dernier entrefer.
Bien entendu, il est possible d'adapter cet exemple de réalisation à trois entrefers sur le modèle de la figure 5 avec des surfaces de contact coniques. Les figures 7 à 9 illustrent l'application de l'invention à des actionneurs à
"palettes". Avec ce type de dispositifs, la force d'appel comme la course peuvent être avantageusement augmentées par l'adjonction d'une ou plusieurs pièces intermédiaires servant de relais au flux magnétique et disposées dans l'entrefer e existant entre la pièce mobile 66 et la pièce polaire 68. Dans les dispositifs de l'art antérieur, la pièce mobile (la palette 66) est articulée avec la pièce polaire 68 qu'entoure le bobinage magnétique 60. Des moyens de retenue de cette pièce mobile, non représentés, permettent, dans la position de repos initiale de la figure 7, de maintenir le circuit magnétique ouvert en créant une force F de rappel sur la palette. Dans la structure de l'invention, l'extrémité libre d'une pièce intermédiaire 62 articulée sur la pièce mobile 66 repose sur un epaulement 64b d'une pièce en un matériau amagnétique 64 en définissant un premier entrefer el entre la pièce intermédiaire et la pièce polaire et un second entrefer e2 entre cette pièce intermédiaire et la pièce mobile. Des solutions alternatives peuvent résulter de la suppression de la pièce 64 et de la mise en place d'un dispositif de limitation de course angulaire de la pièce intermédiaire 62 par rapport à la pièce mobile 66.
Le fonctionnement de cet actionneur peut être simplement décrit comme suit. A la mise sous tension du bobinage magnétique 60, le flux magnétique traverse la pièce intermédiaire 62 par l'articulation commune avec la pièce mobile 66 et tend à réduire l'entrefer el existant entre cette pièce et la pièce polaire 68. Celui-ci réduit, la pièce 62 est alors rapidement saturée par le flux magnétique dont l'action va accentuer le basculement de la pièce mobile en venant combler le second entrefer e2 et ainsi provoquer la fermeture totale de l'actionneur (figure 9).
Les figures 10 à 12 illustrent une autre application de l'invention à des actionneurs plus classiques du type "relais" dans lesquels la structure de l'invention permet d'augmenter la course sans réduction de performances. La figure 10 montre une structure classique avec une pièce polaire 78, un noyau mobile 76 et un bobinage magnétique 70. La pièce mobile 76 est séparée par un entrefer e de la pièce polaire 78 par l'action d'une force F de rappel. Dans la structure de l'invention, la pièce mobile est munie d'une pièce intermédiaire en forme d'étrier 72 placée dans l'entrefer e et dont les branches 72a pouvent coulisser le long de la pièce 76 tandis que le plancher 72b de cet étrier définit des entrefers el et e2
respectivement avec la pièce polaire 78 et la pièce mobile 76. Une pièce 74 en un matériau amagnétique est disposée à l'extrémité de la pièce mobile 76 afin de servir de butée au repos pour la pièce intermédiaire 72.
Le principe de fonctionnement de cet actionneur est semblable au précédent. Lors de l'excitation du circuit magnétique 70, le flux créé entre la pièce mobile et la pièce polaire traverse la pièce intermédiaire 72 (par les contacts latéraux entre les branches de l'έtrier 72 et la pièce mobile 76) et tend à réduire l'entrefer el existant entre cette dernière et la pièce polaire. Dès la disparition de l'entrefer, la pièce 72 se sature magnétiquement et le flux magnétique tend alors à réduire le second entrefer e2 pour aboutir à la configuration de la figure 12 dans laquelle la pièce mobile se retrouve collée contre la pièce polaire par l'intermédiaire de la pièce 72.
Les résultats obtenus en matière de force sont montrés comparativement sur la figure 13 avec un circuit magnétique classique de l'art antérieur (avec un unique entrefer ; courbe 50) et avec un actionneur à deux entrefers tel que celui de la figure 1 (courbe 52). Ces courbes ont été réalisées pour des configurations structurelles identiques de ces deux types d'actionneur à l'exception de la configuration de l'entrefer. Une géométrie avec des entrefers el et e2 égaux (el+e2=e de l'art antérieur) a été choisie mais en pratique un choix différent des valeurs d'entrefer devra et saura être fait par l'homme de l'art en fonction du profil d'évolution de force souhaité en fonction de la course.
Dans l'exemple représenté, il peut ainsi être remarqué que, à course égale et pour des déplacements supérieurs à 2,5 mm, la force d'attraction est de 50 à plus de 100 % supérieure à celle enregistrée par un actionneur classique. De même, à force d'attraction égale, la course de l'actionneur peut être allongée de 30 à 100 % selon les cas.
Les dispositifs décrits précédemment sont particulièrement bien adaptés à la réalisation d'électrovannes nécessitant l'emploi d'un actionneur linéaire à grande course. Mais bien entendu, son emploi ne saurait être limité à ces seuls dispositifs d'étanchéité et une utilisation pour un vérin magnétique est aussi envisageable.
Claims
1. Actionneur magnétique comprenant un circuit électrique (34, 60, 70), une pièce fixe (38, 68, 70) disposée au moins en partie à l'intérieur de ce circuit électrique, une pièce mobile (36, 66, 76) destinée a être collée contre la pièce fixe, dont elle est séparée par un entrefer, sous l'effet d'un courant d'excitation traversant le circuit électrique, et une pièce intermédiaire disposée dans cet entrefer, et pouvant se déplacer entre la pièce fixe et la pièce mobile, caractérisé en ce que une partie (42c) de cette pièce intermédiaire et en contact avec l'une ou l'autre de ces pièces fixe ou mobile tout en laissant au repos (en l'absence d'excitation) entre ces pièces des espaces libres qui constituent des premier et second entrefers el, e2 pour le flux magnétique circulant dans le circuit magnétique formé par le circuit électrique, la pièce fixe, le premier entrefer cl. cette pièce intermédiaire, le second entrefer e2, et la pièce mobile.
2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce intermédiaire est formée d'une première pièce intermédiaire (42) et d'une seconde pièce intermédiaire (43) séparée l'une de l'autre par un entrefer, une partie (43a) de la seconde pièce intermédiaire étant en contact avec la première pièce intermédiaire.
3. Actionneur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de limitation de la course de la pièce intermédiaire (42, 62, 72, 43) destinés à maintenir la ou les pièces intermédiaires (42, 62, 72; 43) dans une position déterminée de repos dans laquelle cette ou ces pièces intermédiaires ainsi que la pièce polaire et la pièce mobile sont immobiles et séparées par lesdits entrefers.
4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de limitation de la course de la pièce intermédiaire sont constitués par une pièce faite en un matériau amagnétique (44, 64,74).
5. Actionneur magnétique destiné à la commande d'un arbre (28) de transmission d'un mouvement comportant un circuit électrique (34), une pièce polaire fixe disposée à l'intérieur de ce circuit électrique, un noyau mobile (36) destiné à être collé contre la pièce polaire fixe, dont il est séparé par un entrefer, sous l'effet d'un courant d'excitation traversant le circuit électrique, et au moins une pièce intermédiaire (42) disposée dans cet entrefer et pouvant se déplacer entre la pièce polaire fixe et le noyau mobile, caractérisé en ce que une partie (42c) de cette pièce intermédiaire est en contact avec l'une ou l'autre de ces pièces fixe ou mobile tout en définissant au repos (en l'absence d'excitation) au moins deux entrefers entre ces pièces.
6. Actionneur magnétique selon la revendication 5 comportant un circuit électrique tubulaire (34) implanté dans une pièce magnétique (40) et à l'intérieur duquel sont disposés coaxialement à la fois un noyau mobile (36) et une pièce polaire fixe (38) tout en définissant entre ces deux éléments coaxiaux un premier espace dans le sens axial, le noyau (36) et la pièce polaire (38) étant percés selon leur axe longitudinal pour recevoir un arbre de transmission du mouvement (28), caractérisé en ce que le diamètre externe de l'arbre (28) présente une dimension supérieure sur une partie d'extrémité (28a) s'étendant sur une partie de la paroi interne de la pièce polaire (38) de telle sorte qu'il est créé un espace annulaire complémentaire (37) entre la surface externe de l'arbre (28) non surdimensionnce (28b) et la partie de la paroi de la pièce polaire (38) qui n'est pas en contact avec cet arbre (28), cet espace complémentaire (37) pouvant recevoir une pièce intermédiaire annulaire (42) en forme de T dont l'embase (42a) de plus grand diamètre s'étend dans ledit premier espace et qui est libre de coulisser d'une part intérieurement le long de l'arbre (28) et d'autre part extérieurement le long de la pièce polaire (28).
7. Actionneur magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (42) comporte sur la surface périphérique de son embase (42a) un epaulement (42b) destiné à venir en butée contre un epaulement correspondant (44b) d'une bague (44) faite en un matériau amagnétique et disposée dans le premier espace contre la paroi interne du circuit électrique (34).
8. Actionneur magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire annulaire (42) en forme de T est remplacée par une pièce intermédiaire annulaire en forme de Y avec une embase à surfaces coniques (42d) dont l'extrémité est destinée à venir en butée contre un epaulement (44b) d'une bague (44) faite en un matériau amagnétique et disposée dans le premier espace contre la paroi interne du circuit électrique (34).
9. Actionneur magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre (28) comporte un epaulement (28c) coopérant avec un epaulement complémentaire (36c) du noyau (36) de telle sorte qu'il puisse être réalisé une transmission du mouvement entre ces deux éléments.
10. Actionneur magnétique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit epaulement est réalisé par le fait que l'arbre (28) comporte sur une partie de sa longueur en contact avec le noyau (36) un diamètre externe de dimension moindre correspondant avec un diamètre également réduit de ce noyau (36).
11. Actionneur magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce magnétique (40) recouvre les surfaces externes du circuit électrique (34) et de la pièce polaire (38) ainsi qu'une partie de la paroi interne de ce circuit disposée en regard du noyau (36).
12. Actionneur magnétique selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en l'absence d'excitation du circuit électrique (34), l'arbre (28) est soumis à une force de rappel obtenue par l'action d'un ressort (32) dont une extrémité est solidaire de cet arbre et dont l'autre extrémité prend appui sur une paroi externe (22) de l'actionneur.
13. Electrovanne munie d'un actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 5 à 12.
14. Procédé de commande d'un actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que tout d'abord on provoque la réduction du premier entrefer el par une attraction entre une première pièce magnétique et la pièce intermédiaire (42,62,72) et, le collage établi, on provoque ensuite la réduction du second entrefer e2 par une seconde attraction entre l'ensemble ainsi formé et une seconde pièce magnétique dont une partie est en contact avec la pièce intermédiaire.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la seconde attraction est obtenue après saturation magnétique de la pièce intermédiaire et dérivation du flux magnétique au travers du second entrefer e2.
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