Titre : Actionneur électromagnétique à entrainement direct et amortissement amélioré

Domaine de l'invention

[001] La présente invention concerne le domaine des actionneurs à entraînement direct pour la commande, principalement en tout-ou-rien, d'un organe accouplé, notamment un diaphragme d'un corps de vanne pour des applications fluidiques ou micro-fluidiques utilisées pour le contrôle d'écoulement de fluide.

[002] Le principe des actionneurs à entraînement direct est bien connu dans le contrôle d'écoulement de fluide, où un orifice ou une ouverture dans un chemin d'écoulement de fluide doit être ouvert ou fermé au moyen d'un élément de fermeture tel qu'un joint, une membrane ou un diaphragme, sous le contrôle d'un courant électrique.

[003] De tels actionneurs comprennent couramment un circuit magnétique enroulé autour d'une bobine génératrice de flux, avec un piston en matériau magnétique se déplaçant sous l'influence du flux dans le circuit magnétique, en réponse au passage du courant à travers la bobine. Le piston est couplé mécaniquement au moyen de fermeture qui ouvre ou ferme l'ouverture ou l'orifice dans le trajet d'écoulement de fluide lorsque le piston se déplace à l'intérieur du circuit magnétique.

[004] Généralement, la vanne est fermée lorsque l'électro-aimant est hors tension et ouverte lorsque l'électro-aimant est sous tension.

[005] De tels actionneurs peuvent incorporer un ou plusieurs ressorts de compression, pour fournir une force axiale, le long de l'axe principal du piston, supplémentaire à celle qui serait exercée sur le piston par l'actionneur seul, pour aider à l'ouverture ou à la fermeture de l'ouverture ou de l'orifice et/ou pour solliciter la vanne dans une position ouverte ou fermée.

État de la technique

[006] On connaît dans l'état de la technique le brevet US2018116418 décrivant une valve peut comprendre une bobine de solénoïde, un piston comportant un noyau configuré pour réagir à un champ magnétique généré par ia bobine de solénoïde, et un disque de valve. Le disque de valve peut être positionné au niveau d'une partie antérieure du noyau et configuré pour amortir un impact lorsque la valve est fermée. Une saillie peut être positionnée et configurée pour amortir un impact lorsque la valve est ouverte. La valve peut être utilisée dans un système de matelas pneumatique en communication fluidique entre une pompe à air et une chambre à air gonflable d'un matelas.

[007] On connaît aussi la demande de brevet WO2016096256 décrivant un système de soupapes comprenant une soupape principale (2) et une soupape pilote qui comprend un élément de fermeture pouvant être actionné par un induit pour relier un premier raccordement de pression du système de soupapes à un deuxième raccordement de pression du système de soupapes. À une extrémité opposée à l'élément de fermeture de la soupape pilote, l'induit est soumis à l'action d'un système de ressort d'induit (80) qui est tendu entre un tube polaire (25) et l'induit (50). L'invention vise à créer un système de soupapes qui soit de conception simple et soit peu coûteux à fabriquer. À cet effet, le système de ressort d'induit (80) représente au moins deux parties (91, 92) de la course de l'induit qui présentent des rigidités élastiques différentes.

[008] On connaît aussi le brevet US20190049037A1 décrivant une électrovanne pour contrôler un débit d'un trajet d'écoulement reliant un premier orifice à un second orifice, l'électrovanne comprenant : un boîtier de vanne installé dans un bloc modulateur ; une armature disposée à l'intérieur du boîtier de soupape et effectuant un va-et-vient dans une direction axiale de celui-ci pour ajuster un débit d'un fluide de travail ; et un premier élément élastique ayant une partie amortisseur, qui est insérée entre le noyau magnétique et l'armature, et fournissant à l'armature une force élastique dans une direction opposée à une force d'entraînement du noyau magnétique.

Inconvénients de l'art antérieur

[009] Le problème posé par les solutions de l'art antérieur et notamment par le brevet américain US2018116418 est que la position du plongeur n'est pas définie très précisément en position d'ouverture. Sa position dépend de l'usure de ia butée, de l'élasticité de l'amortisseur (« bumper ») ; ce qui a pour effet de ne pas permettre une ouverture de la vanne commandée par le plongeur et le débit de la vanne équipée d'u tel actionneur n'est pas constante. Cela pose des problèmes de précision et de constance du débit d'une vanne commandée par un tel actionneur.

Solution apportée par l'invention

[010] Afin de remédier à cet inconvénient, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un actionneur présentant les caractéristiques énoncées dans la revendication 1.

Description détaillée d'exemples non limitatifs de réalisation

[011] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, se référant aux dessins annexés sur lesquels :

[FIG. 1] la figure 1 représente une vue. en coupe d'une première variante de réalisation d'un actionneur selon l'invention,

[FIG. 2] la figure 2 représente une vue en coupe d'une deuxième variante de réalisation d'un actionneur selon l'invention,

[FIG. 3a],

[FIG. 3b],

[FIG. 3c] les figures 3a, 3b et 3c représentent une vue en coupe d'une troisième variante de réalisation d'un actionneur selon l'invention, pour différentes positions du corps mobile,

[FIG. 4a],

[FIG. 4b],

[FIG. 4c],

[FIG. 4d] les figures 4a, 4b, 4c et 4d représentent une vue en coupe d'une quatrième variante de-réalisation d'un actionneur selon l'invention, pour différentes positions du corps mobile, [FIG. 5] la figure 5 représente une vue en coupe d'une cinquième variante de réalisation d'un actionneur selon l'invention,

[FIG. 6] la figure 6 représente la courbe force/position pour les deux variantes de réalisation d'un actionneur selon l'invention présentées en figure 2 et en figures 3, 4 ou 5.

Première variante de réalisation

[012] La figure 1 représente une première variante de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention. Il est constitué par un boîtier rigide (100) prolongé par un connecteur (150). Une bobine (110) commande le déplacement d'un corps mobile (200) entre deux positions extrêmes, ledit corps mobile (200) entraînant une tête d'actionnement (280), qui peut être accouplée à un organe à commander, par le biais d'un axe (215). Un aimant (111) est prévu entre la bobine (110) et le corps mobile (200) de manière à augmenter la force de l'actionneur pour un encombrement donné et un courant d'alimentation de la bobine (110) fixé, néanmoins l'homme de métier pourrait s'affranchir de cet aimant coûteux dans le cadre d'un cahier des charges présentant des contraintes plus faibles. Le corps mobile (200) est guidé par une chemise (120) de section complémentaire.

[013] Ledit corps mobile (200) présente une forme tubulaire, et un logement cylindrique (202) dans lequel est positionné un moyen élastique de rappel (210) repoussant le corps mobile (200) dans la direction de la tête d'actionnement (280). Ainsi, au repos et en l'absence d'alimentation de la bobine (100), la tête d'actionnement (280) est dans l'une des positions extrêmes, en l'occurrence en position déployée, que l'on appelle également position de repos. L'application d'un courant électrique dans la bobine entraine le déplacement du corps mobile (200) dans la direction opposée, en contrecarrant la force exercée par le moyen élastique de rappel (210) pour entraîner la tête d'actionnement (280), jusqu'à l'autre position extrême si le courant électrique traversant la bobine est suffisant, soit en position escamotée ou de travail. L'interruption de l'alimentation de la bobine (110) entraîne le retour de la tête d'actionnement (280) dans sa position de repos, soit déployée.

[014] Un bloc amortisseur (220) est également positionné dans le logement cylindrique (202) du corps mobile (200). Il est coaxial avec le moyen élastique de rappel (210) et présente une extrémité liée (221) formée par une collerette évasée, située du côté de la tête d'actionnement (280), venant en appui contre le fond du logement cylindrique (202) et de ce fait est liée à l'une des extrémités du moyen élastique de rappel (210). L'autre extrémité (222) du bloc amortisseur (220) vient en appui contre une butée, ici la paroi (105) frontale d'un flasque solidaire du boîtier rigide (100), servant également de guidage du corps mobile (200) par le biais de l'axe (215).

[015] Lorsque la bobine (110) est alimentée, elle attire le corps mobile (200) en position de travail, avec une force qui vient contrer la force appliquée par le moyen élastique de rappel (210). Le bloc amortisseur (220), dont l'extrémité non liée (222) est libre et écartée de la paroi (105) au repos, arrive en contact avec ladite paroi (105) puis se déforme par compression sur la fin de course, ce qui évite les bruits intempestifs et les vibrations. La position escamotée de fin de course est obtenue par la mise en contact d'une butée rigide (203) du corps mobile (200) contre une coupelle (106).

[016] L'actionneur présenté en figure 1 intègre une configuration où, selon un mode préférentiel, l'entraînement de la tête d'actionnement (280) en position de repos lorsque la bobine (110) n'est pas alimentée. Toutefois, il est naturel pour l'homme de métier, en fonction de l'application, de disposer une tête d'actionnement (290) du côté opposé, présentant une position escamotée lorsque la bobine n'est pas alimentée, et ce, soit en remplacement soit en supplément de la tête d'actionnement (280).

Deuxième variante de réalisation

[017] La figure 2 représente une variante de réalisation d'un actionneur linéaire destiné à une application de vanne (300) à membrane. La tête d'actionnement (280) prolongeant le corps mobile (200) commande le déplacement de la membrane (non représentée) entre d'une part une position de repos, dans laquelle elle est poussée par moyen élastique de rappel (210) constitué d'un ressort, obturant les conduits d'alimentation fluidique et d'autre part une position de travail commandée par l'alimentation de la bobine électrique (110), où la membrane libère l'écoulement fluidique dans la vanne (300).

[018] Le corps mobile (200) est guidé par une chemise tubulaire (230), par exemple en acier, et présente un logement cylindrique (202), débouchant sur la face frontale opposée à la tête d'actionnement (280), et permettant d'accueillir le moyen élastique de rappel (210). Ledit logement cylindrique (202) du corps mobile (200) présente une section supérieure à la section du ressort du moyen élastique de rappel (210), lorsque ce dernier est en position comprimée, afin d'éviter tout frottement entre ledit ressort et la périphérie de ledit logement cylindrique (202). Du côté de la tête d'actionnement (280), ce logement est prolongé par un deuxième tronçon de section plus réduite. Le corps mobile (200) présente ainsi un épaulement annulaire (206) formant une butée pour ledit ressort. L'autre extrémité du ressort du moyen élastique de rappel (210) vient en butée dans un logement (236) du boîtier, ici réalisé dans la paroi (235) frontale de la chemise tubulaire (230).

[019] La deuxième section forme du côté de la tête d'actionnement (280) un second épaulement (207). Le bloc d'amortissement (220) est engagé dans cette deuxième section du logement cylindrique (202) et vient en butée contre ce second épaulement (207). Il est ainsi lié à la seconde extrémité du moyen élastique de rappel (210), tous deux étant fixés rigidement au corps mobile (200), l'extrémité liée présentée dans la figure précédente est ici la surface du bloc amortissant (220) en appui contre l'épaulement (207) du corps mobile (200). La longueur du bloc d'amortissement (220) est déterminée pour que, lorsque le corps mobile (200) est en position de travail (ou escamotée), il soit en compression. Dans l'exemple décrit, la longueur du bloc d'amortissement (220) est déterminée pour que l'extrémité non liée ne vienne pas en contact avec la paroi (235) de la chemise tubulaire (230) lorsque le corps mobile (200) est en position de repos (ou déployée). L'énergie nécessaire pour sortir du mode « de repos » est ainsi réduite, et l'effet d'amortissement intervient en fin de course de désengagement. La position de travail, de fin de course de désengagement, est obtenue par la mise en butée du corps mobile (200) contre la paroi (235) de la chemise tubulaire (230), par coopération de matériaux rigides, d'obtenir une position de butée précise. La longueur du bloc amortissant (220) est donc également le résultat d'un compromis entre l'amortissement désiré et le courant nécessaire pour atteindre la position de travail, ou escamotée.

[020] Dans l'exemple décrit, une collerette (140) assure l'assemblage et le calage des éléments constitutifs de l'actionneur électromagnétique par un engagement en force dans le boîtier (100). Le bord avant (160) du boîtier (100) est replié pour assurer le maintien et le calage du corps de la vanne (300). Des joints annulaires (145, 146) assurent l'étanchéité de l'actionneur et le calage de l'aimant (111). Troisième variante de réalisation

[021] Les figures 3a, 3b et 3c représentent une troisième variante de réalisation d'un actionneur linéaire destiné également à une application de vanne. Selon cette variante, le moyen élastique de rappel (210) est constitué d'une juxtaposition de deux ressorts (205, 240) coaxiaux accouplés en série par une pièce intercalaire (250). La raideur du ressort (205), s'appuyant dans un logement (236) de la paroi (235) frontale de la chemise tubulaire (230), est supérieure à la raideur du ressort (240) adjacent, s'appuyant sur le fond (207) du logement cylindrique (202) du corps mobile (200).

[022] Cette pièce intercalaire (250) présente un épaulement annulaire médian (251) dont la section correspond à la section intérieure du logement cylindrique (202) du corps mobile (200) pour permettre un déplacement longitudinal. La surface annulaire dudit épaulement annulaire médian (251), dirigée du côté opposé à la tête d'actionnement (280), forme une butée d'appui de l'extrémité avant du ressort (205), dont l'extrémité opposée vient en appui dans un logement (236) de la paroi (235) de la chemise tubulaire (230). La surface annulaire dirigée du côté opposé forme une surface annulaire d'appui du second ressort (240), dont la seconde extrémité vient en butée contre le fond du logement cylindrique (202) du corps mobile (200). La pièce intercalaire (250) présente un prolongement cylindrique (252) de section extérieure correspondant à la section intérieure de la première spire du ressort (240) afin d'assurer le positionnement et le guidage dudit ressort (240).

[023] La pièce intercalaire (250) présente un second prolongement cylindrique (258) s'épanouissant axialement à l'intérieur du ressort (240) de faible raideur et dont la section est inférieure à la section dudit ressort (240). Ce second prolongement cylindrique (258) peut venir en appui axial du fond du logement cylindrique (202) de manière à limiter la compression du ressort (240) de faible raideur. La figure 3a présente le corps mobile (240) en position déployée, lorsque la bobine n'est pas alimentée, et montre la course maximale de compression, l _o , du ressort (240) de faible raideur.

[024] Le bloc amortisseur (220) est engagé sur un plot axial (255) prolongeant l'épaulement annulaire médian (251) de la pièce intercalaire (250). Il est disposé coaxialement à l'intérieur du ressort (205) et présente une longueur inférieure à celle du ressort (205) afin de ne venir en contact avec la paroi (235) de la chemise tubulaire (230) qu'après un début de déplacement de l'organe mobile (200) dans la direction de désengagement et pour être mis en compression en position de travail.

[025] La figure 3b présente la même variante d'actionneur suite à un déplacement l _Q du corps mobile par alimentation de la bobine (110). Le second prolongement cylindrique (258) est alors en contact avec le fond du logement cylindrique (202) du corps mobile (200), cette position correspondant à la compression maximale du ressort (240) de faible raideur, le restant de la course pour atteindre la position de travail présentant un déplacement conjoint du corps mobile (200) et de la pièce intercalaire (250). Comme mentionné au paragraphe précédent, nous pouvons remarquer sur la figure 2 que la distance l séparant la paroi (235) de la chemise tubulaire (230) et la butée rigide (203) du corps mobile (200) est supérieure à la distance l ₂ séparant la paroi (235) de la chemise tubulaire (230) et de l'extrémité frontale du bloc amortisseur (220) de manière à assurer une compression du bloc amortisseur (220) en fin de course pour dissiper l'énergie cinétique du corps mobile dans le bloc amortisseur (220) plutôt que dans la chemise tubulaire (230), ceci permettant de limiter les vibrations et par conséquence le bruit dus à l'actionnement en position escamotée. La position finale de travail, représentée en figure 3c, est obtenue lorsque la butée rigide (203) du corps mobile (200) est en contact avec le logement (236) de la paroi (235) de la chemise tubulaire (230), soit lorsque la distance l ₁ est nulle.

Quatrième variante de réalisation

[026] Les figures 4a, 4b et 4c et 4d représentent une quatrième variante de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention. La figure 4a présentant la tête d'actionnement (280) de l'actionneur en position de repos, lorsque la bobine (110), n'est pas alimentée et que les ressorts (205, 240) sont étendus au maximum. La figure 4b présente une situation intermédiaire de la course de déplacement du corps mobile (200), suite à l'alimentation de la bobine (110), pour laquelle la pièce intercalaire (250) est en butée contre le corps mobile (220), de sorte que le ressort (240) de faible raideur soit comprimé à son maximum. La figure 4c représente une seconde situation intermédiaire de la course de déplacement du corps mobile (200), pour laquelle le bloc amortisseur (220) affleure le logement (236) de la paroi (235) de la chemise tubulaire (230), la dernière partie de la course s'accompagnant de la compression dudit bloc amortisseur (220) et donc de la dissipation progressive de l'énergie cinétique du corps mobile (200). La figure 4c représente la position de travail, ou escamotée, de la tête d'actionnement (280), signe de la fin de la course de déplacement du corps mobile (200), la butée rigide (256) est alors en contact avec le logement (236) de la paroi (235) de la chemise tubulaire (230). Ce mode de réalisation diffère du mode de réalisation présenté en figure 3a en ce que la tête d'actionnement (280) se présente sous la forme d'un doigt solidarisé au corps mobile (200) par une opération de chassage jusqu'à la mise en butée contre un épaulement (281), l'épaulement fournissant également un appui au ressort (240) grâce à sa face opposé (282). La tête d'actionnement (280) peut ainsi être réalisé dans un matériau différent de celui du corps mobile (200) de manière à répondre à des contraintes techniques ou des besoins différents en fonction de l'application. Par exemple, la tête d'actionnement peut être réalisé en une matière plastique pour améliorer la dissipation de l'énergie, lors de chocs, par rapport à un matériau ferromagnétique tel que celui utilisé pour le corps mobile. Ainsi, la face opposée (282) de la tête d'actionnement (280), peut présenter une excroissance axiale s'épanouissant au sein du ressort (240) de faible raideur pour assurer la mise en butée du second prolongement cylindrique (258) de la pièce intercalaire (250).

[027] Ce mode de réalisation diffère également du mode de réalisation précédent présenté en figure 3 en ce que le bloc amortisseur (220) présente un perçage débouchant pour sa mise en place sur le plot axial (255), de la pièce intercalaire (250). La longueur du plot axial (255) étant légèrement inférieure à celle du bloc amortisseur (220), mais suffisamment longue pour qu'à la suite de la compression de la pièce amortissante, la position escamotée obtenue en fin de course soit le résultat de la mise en contact de l'extrémité du plot axial (255), formant une butée rigide (256), contre la paroi (235) de la chemise tubulaire (230), de sorte qu'il subsiste un jeu entre ladite paroi (235) et le corps mobile (200). Ainsi, le matériau de la pièce intercalaire (250) peut être choisi pour répondre à des contraintes spécifiques du cahier des charges, lorsque la mise en butée par le corps mobile (200) en matériau ferromagnétique n'est pas satisfaisante. Per exemple, la pièce intercalaire (250) peut être réalisée en matière plastique pour améliorer la dissipation de l'énergie lors de la mise en butée en position escamotée, et ainsi améliorer le comportement acoustique et vibratoire de l'actionneur.

Cinquième variante de réalisation

[028] La figure 5 représente une cinquième variante de réalisation d'un actionneur linéaire selon l'invention. Ce mode de réalisation est semblable à celui présenté aux figures 4a, 4b, 4c et 4d, la figure 5 correspondant à la situation présentée en figure 4c, soit une situation ou le bloc amortisseur (220) affleure le logement (236) de la chemise tubulaire (230). Ce mode de réalisation diffère néanmoins de celui présenté précédemment en ce que le plot axial (255) supportant le bloc amortisseur (220) est un prolongement de la tête d'actionnement (280). La pièce intercalaire (250) est alors munie d'un perçage débouchant permettant son guidage axial par ledit plot axial (255) la traversant. Le bloc amortisseur (220) et la pièce intercalaire (250), sont alors montés avec jeu sur le plot axial (255) pour permettre la détente du ressort (205) en fin de course de déploiement.

Profil force-déplacement

[029] La figure 6 illustre la variation de la force F exercée par le moyen élastique de rappel le long de la course S, et ce dans une variante à un ressort, présentée en figure 2, ou avec deux ressorts en série tel que présenté dans les figures 3a, 4a et 5. La figure 6 montre deux points de travail définis par le cahier des charges, le point A représentant la force nécessaire pour assurer l'étanchéité de la vanne lorsque le corps mobile est en position de repos et le point B représentant la force nécessaire pour assurer le déplacement du corps mobile, à partir de la position de travail jusqu'à la position de repos, lorsque de la coupure de l'alimentation de la bobine et ce avec la dynamique requise. Il est à noter que la course (l ₂ — l ₁ ) très succincte sur laquelle le bloc amortisseur se détend n'a pas été représentée, en toute rigueur des variations de force supplémentaires sont observables aux alentours du point B.

[030] Dans la variante de la figure 2, un seul ressort, de raideur K _a , peut être utilisé pour obtenir les forces requises aux points A et B séparés de la course totale l _o + l ₁ . [031] Dans la variante de la figure 3a, le premier ressort (205), de forte raideur K _b , a pour but d'atteindre la force requise au point B, pour déplacer le corps mobile sur la course l ₁ avec la vitesse requise. Le second ressort (240), de plus faible raideur K _c , assure le déplacement du mobile sur la seconde partie de la course Z _o , et est dimensionné de manière à obtenir la force requise au point A.

[032] Cette seconde variante permet de conserver des tolérances de longueur standard pour la fabrication des ressorts afin de réduire les coûts. En effet, un jeu de ±ΔZ peut résulter des dispersions de fabrication ce qui aura comme conséquence une variation de force dans la position où le moyen élastique de rappel est relâché, soit au point A. Une variation de force positive impliquera une surcontrainte sur la vanne pouvant conduire à sa détérioration, alors qu'une variation de force négative pourra conduire à un défaut d'étanchéité. Cette variation de force est directement proportionnelle au jeu Δl et à la raideur du moyen élastique de rappel. Ainsi, dans la variante à un ressort, on obtient une variation de force ±ΔF ₁ = ±ΔF x K _a alors que dans la variante à deux ressorts, la variation de force est déterminée par le ressort de faible raideur assurant la seconde partie de la course, soit ±ΔF ₂ = + Δl x K _c . On obtient, grâce à l'utilisation judicieuse de deux ressorts de raideur différentes, une variation de force AF ₂ < AF _t permettant de préserver les performances de la vanne tout en étant compatible avec les dispersions classiquement obtenues dans les productions de grande série.

Version rotative

[033] Même s'il n'est pas représenté, le principe peut tout à fait être transféré à une version rotative de l'actionneur par l'homme de métier. On peut, par exemple, adapter les enseignements du brevet EP1897211 décrivant un servo-actionneur électromagnétique monophasé composé d'un actionneur rotatif destiné à déplacer un organe mobile sur une course limitée. L'actionneur décrit contient donc la bobine électrique destinée à mettre en mouvement le rotor, ou le corps mobile auquel est lié l'élément à actionner en rotation au moyen de son axe, ou appelé ici de la tête d'actionnement. Il est alors envisageable pour l'homme de métier de suivre les enseignements décrits plus haut pour intégrer le moyen élastique de rappel et le bloc amortisseur mécaniquement lié à ce dernier. Les positions extrêmes sont alors des positions angulaires et bloc amortisseur peut présenter une forme tubulaire et peut être disposé tangentiellement au rotor pour se comprimer axialement contre une butée tangentielle, lors de l'arrivée de l'organe mobile en seconde position extrême. Le moyen de rappel élastique, étant préférentiellement un ressort spiral, pouvant être mécaniquement lié à ladite butée à une première extrémité et au corps mobile, sa seconde extrémité étant mécaniquement lié au bloc amortisseur, directement ou par l'intermédiaire du corps mobile.

[034] La possibilité exposée au paragraphe précédent n'est pas limitative et l'homme de métier pourrait trouver d'autres agencements pour un actionneur rotatif en suivant les enseignements exposés.