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EP1135781B1 - Actionneurs bidirectionnels - Google Patents

Actionneurs bidirectionnels Download PDF

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Publication number
EP1135781B1
EP1135781B1 EP99972774A EP99972774A EP1135781B1 EP 1135781 B1 EP1135781 B1 EP 1135781B1 EP 99972774 A EP99972774 A EP 99972774A EP 99972774 A EP99972774 A EP 99972774A EP 1135781 B1 EP1135781 B1 EP 1135781B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
magnet
spherical
poles
actuator according
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99972774A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1135781A1 (fr
Inventor
Pierre Gandel
Yann Buaillon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Moving Magnet Technologie SA
Original Assignee
Moving Magnet Technologie SA
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Moving Magnet Technologie SA filed Critical Moving Magnet Technologie SA
Publication of EP1135781A1 publication Critical patent/EP1135781A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1135781B1 publication Critical patent/EP1135781B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H01F7/1646—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
    • 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
    • H01F7/17—Pivoting and rectilinearly-movable armatures
    • 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
    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/122—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromagnetic actuators.
  • German patent DE3037648 describes a two-dimensional actuator which may comprise either moving coils or moving magnets.
  • the solution comprising moving coils is not satisfactory because it induces high industrialization costs.
  • the described solution comprising moving magnets requires the use of 8 moving magnets.
  • Such an architecture requires multiple control signals and computer processing for controlling the XY position.
  • patent US5062055 which relates to the electromagnetic actuators producing both a rotational movement and a translational movement.
  • Such a prior art actuator comprises a cylindrical magnet having magnetization boundaries in the peripheral direction and in the axial direction, in which a multipole magnetization is established in the axial direction, and yokes carrying coils having Magnetic poles located opposite the magnetization boundaries.
  • Such an actuator uses a magnet having several pairs of poles with directions of magnetization perpendicular to each other.
  • the purpose of the present invention is to propose an actuator for controlling the positioning of a member according to two degrees of freedom, for example in a plane along two perpendicular axes XY, or according to a degree of freedom in translation and a degree of freedom in rotation, or in spherical rotation, with simple control signals.
  • the invention relates in its most general sense to a bidirectional actuator comprising at least one stator structure excited by an electric coil, and a single movable magnet having a single polarity. This magnet is placed in a main air gap.
  • the stator structure is composed of two stator parts. Each of the stator parts has at least one secondary air gap and is excited by at least one electric coil.
  • the stator structure has at least one gap for moving the movable magnet relative to a first degree of freedom, and at least a second secondary gap for moving the movable magnet relative to a second degree of freedom.
  • the movable magnet is integral with the cylinder head.
  • the stator structure is composed of 4 poles made of a soft magnetic material defining between them two pairs of secondary air gaps intersecting at a midpoint and in that the main air gap is plane.
  • stator poles are constituted by two pairs of rectangular pieces, each pair of parts being excited by at least one electrical coil and each defining a secondary air gap.
  • the ratio L / E between the thickness L of the magnet and the thickness E of the gap is between 1 and 2.
  • the dimensions of the secondary air gaps are C 1 + E and C 2 + E, where C 1 and C 2 denote the stroke of the moving magnet according to the two directions of the secondary air gaps and in that the dimensions of the magnet are C 1 + d 1 + E and C 2 + d 2 + E, d 1 and d 2 denoting the width of said secondary airships.
  • the stator structure is composed of two stator pieces disposed on either side of the magnet, each of the stator pieces having a pair of stator poles, the pair of stator poles of one of the pieces being oriented perpendicular to the pair of stator poles of the other stator part.
  • the magnet is of tubular shape and is movable in a first degree of freedom in axial translation and in a second degree of freedom in axial rotation with respect to a stator structure formed of 4 stator poles in the form of portions of cylinders having a first secondary air gap in the longitudinal median plane, in which a first electric coil is placed, and a second secondary air gap in the transverse plane, in which a second coil is placed.
  • a stator structure formed of 4 stator poles in the form of portions of cylinders having a first secondary air gap in the longitudinal median plane, in which a first electric coil is placed, and a second secondary air gap in the transverse plane, in which a second coil is placed.
  • Each of these coils is preferably wrapped around a ferromagnetic core.
  • the magnet is of tubular shape and is movable in a first degree of freedom in axial translation and in a second degree of freedom in axial rotation with respect to an outer cylindrical stator structure formed of 4 stator poles having a concave surface defining the main air gap with the cylindrical yoke placed inside the magnet, each of the four stator poles being surrounded by an electric coil.
  • the magnet is of tubular shape and is movable in a first degree of freedom in axial translation and in a second degree of freedom in axial rotation with respect to a cylindrical stator structure constituted by a first external stator piece for displacement according to a first degree of freedom, and a second internal stator piece for displacement according to a degree of freedom, each of the stator parts comprising at least one electric excitation coil.
  • the magnet is of spherical shape and is rotatable in spherical rotation with respect to a spherical cap-like stator structure formed of 4 stator poles in the form of a cap sector, comprising two coils housed in grooves. peripherals whose median planes are perpendicular.
  • the magnet is of spherical shape and is movable in spherical rotation with respect to a stator structure of tubular form formed of 4 quarter-tube-shaped stator poles, surrounded by an electric coil.
  • the main air gap is of spherical shape.
  • the magnet is spherical in shape and surrounds a spherical yoke, and is rotatable around a stator structure of semispherical shape formed of 4 quarter-sphere-shaped stator poles.
  • the magnet is spherical in shape and surrounds a spherical yoke, and is movable in spherical rotation around a stator structure formed of two half-spherical stator parts.
  • the invention relates to a new type of actuator for moving a moving part in two degrees of freedom.
  • Figures 1 and 2 show views of a first embodiment of an XY linear actuator.
  • the objective is to move a movable part in a 2-axis plane comprising at the base a structure composed of a 4-pole stator, a movable magnet and a yoke that can be fixed or movable with the magnet .
  • the first version presented with reference to Figures 1 and 2 relates to an actuator with fixed yoke.
  • this architecture only the magnet (14) is mobile.
  • This actuator thus makes it possible to create an adjustable intensity and direction force in the plane (XY).
  • L be the thickness of the magnet, E the air gap, C x and C y the sensor strokes in both dimensions and d x and d y the distances from pole to pole along the 2 axes.
  • the coils are flat coils surrounding each of the stator poles.
  • the stator X and the stator Y are arranged on both sides of the main air gap in which the magnet (14) is placed.
  • the poles (21, 22) of the stator X are oriented perpendicularly to the poles (26, 27) of the stator Y, in order to drive the moving magnet in both perpendicular directions and to provide a bidirectional displacement of the member to which it is coupled.
  • Figures 6 and 7 show schematic views respectively in a transverse view, and the stator portion of a first embodiment in the form of an XY linear actuator.
  • This variant of the actuator has the advantage of requiring only one coil per axis.
  • a magnet support surrounding the magnet to transmit the effort or displacement provided to an external part.
  • This variant can also be made symmetrical, that is to say by replacing the cylinder head with a stator + coils. We will then increase the amplitude of the created force.
  • stator It is also possible to make the stator several distinct parts, for example by separating the poles. We can then obtain a kernel-free version of ferromagnetic coil or with independent coil cores, which would facilitate winding.
  • This variant can also be made in symmetrical version.
  • Figures 8 and 9 show a variant of a cylindrical actuator x- ⁇ , respectively without and with the magnet.
  • the actuator has a cylindrical structure, thus comprising an area inside the magnet and an area outside the same magnet. This structure fulfills two functions to ensure: rotary actuator function and linear actuator. The solutions defined below will be defined by the situation ("inside” or "outside") of each of these functions.
  • the actuator comprises a stator structure having four poles (51 to 54) in the form of half-cylinders and a tubular magnet (55).
  • a first solution is described in Figures 10 to 12: it consists of the use of a cylindrical internal stator composed of four identical poles. Two coils are surrounded around each of these poles.
  • This actuator makes it possible to create at the same time a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the X axis.
  • Figures 13 to 16 show a second solution of a linear-rotary actuator.
  • This second solution consists in replacing 2 of the 4 coils of the preceding solution by a coil mounted on the main axis of the mechanism. This one, named (4L), will assure the part "axial force” and the 2 others will create the moment.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • FIGs 17 to 19 show a third version of a linear-rotary actuator.
  • the stator is formed by a cylindrical piece having 4 poles (62 to 65) in the form of half-cylinders.
  • 4R the 2 previously noted coils
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • Another structure could also be obtained by splitting the coil (4L) into 3 or 4 coils coming to be mounted on either side of the axial poles.
  • Figures 20 and 21 show an alternative embodiment of an actuator type "linear and rotary exterior”.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • Figures 22 and 23 show a second version of a "linear-rotary" type actuator.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • the coils (4L) and (4R) are shown here of rectangular shape to facilitate the reading of the drawing, but it goes without saying that they could also, for example, take a cylindrical shape.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • Another structure could also be obtained by splitting the coil (4L) into 3 or 4 coils coming to be mounted on either side of the axial poles, or by adding a second coil (4R), symmetrically to the first with respect to the 'axis.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • Another structure could also be obtained by multiplying the outer stator structure according to FIG. 27. This gives a structure with more external poles (110, 111, 112, 113), with several magnets (115, 116), which offers a lower angular stroke but a larger torque.
  • This multiplication principle can also be applied to each cylindrical structure described in this text.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • Figures 30 and 31 describe an actuator of the type "Linear outside, rotating inside”.
  • This actuator thus makes it possible to create both a force and a moment of adjustable intensities, both collinear with the axis X.
  • stator in the form of four quarters of cylinders (150 to 153) around which surround two coils (154, 155) (see Figure 32), we obtain a 4-pole rotary version, reduced stroke at less than 90 ° but providing a larger torque. We will then have 2 magnets of 90 ° angular width.
  • Figures 33 and 34 show views of a spherical actuator ⁇ - ⁇ and its stator.
  • a magnet support being attached to the magnet for transmitting the effort - or displacement - supplied to an external part.
  • composition of these currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this plane XY.
  • This actuator thus makes it possible to create independent pairs along two orthogonal axes.
  • a magnet support being attached to the magnet for transmitting the effort - or displacement - supplied to an external part.
  • composition of these currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this plane XY.
  • Figure 36 corresponds to another arrangement of the same system, more easily achievable industrially but at a lower stroke.
  • the stator parts are made in quarter-shaped spherical sector (220 to 223). They are surrounded by two coils (224, 225).
  • FIGS. 37 and 38 show views of a spherical actuator of the "all exterior" type:
  • a magnet support being attached to the magnet for transmitting the effort - or displacement - supplied to an external part.
  • this actuator is in all respects the same as that of the first spherical actuator presented in this text.
  • Figures 39 and 40 show a second version of an "all-out" type spherical actuator.
  • this actuator is in all respects the same as that of the spherical actuator shown in FIGS. 35 and 36.
  • Figures 41 and 42 show views of three quarter face and partial section of a hybrid actuator (indoor & outdoor).
  • a magnet support being attached to the magnet for transmitting the effort - or displacement - supplied to an external part.
  • composition of these currents will allow us, by the principle of superposition, to create any moment whose axis will be included in this plane XY.
  • Each of the above electromagnetic systems may be coupled with non-contact dimensional position sensors.
  • An element sensitive to magnetic fields for example a Hall effect probe
  • Figures 43 and 44 illustrate the application of this principle to a planar XY actuator.
  • the position sensor makes it possible to measure the variations of flux created by a moving magnet in an air gap.
  • the stator consists of four rectangular portions (300 to 303) surrounded by four coils (310 to 313).
  • a thin magnet (305) transversely magnetized is placed in the main gap (307) formed between the stator and the yoke (306).
  • Four Hall probes (320 to 323) are placed in the secondary air gaps between the stator parts (300 to 303).
  • the probes will measure a variation of flux due to the displacement of the magnet and the current flowing in the coils. We must therefore “discard” this flow due to the current. This can be done in two ways:
  • the intensity can be measured by any conceivable means (for example by measuring the voltage drop across a sampling resistor through which the current flows).
  • the coils By alternating the "sensor" and “actuator” functions. During a given time interval, the coils will be energized to produce the desired force (or torque), and during the next interval the supply of the coils will be suppressed so that only the flux due to the magnet will be measured. We will have an intermittent force that can be used for joystick type functions.

Landscapes

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  • Electromagnets (AREA)

Description

  • La présente invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques.
  • On connaît des actionneurs unidirectionnels mettant en oeuvre une structure statorique excitée par une bobine électrique, produisant un flux magnétique variable assurant le positionnement d'un aimant mobile. A titre d'exemple, le brevet US4,918,987 décrit un tel actionneur comportant un stator présentant deux pôles entourés chacun par une bobine. L'aimant mobile est soumis à une force linéaire en fonction du flux généré par les bobines.
  • On connaît également le brevet allemand DE3037648 décrivant un actionneur bidimensionnel qui peut comporter soit des bobines mobiles soit des aimants mobiles. La solution comportant des bobines mobiles n'est pas satisfaisante car elle induit des coûts d'industrialisation élevés. La solution décrite comportant des aimants mobiles nécessite l'utilisation de 8 aimants mobiles. Une telle architecture nécessite des signaux de commande multiples et des traitements informatiques pour le pilotage de la position en XY.
  • On connaît également le brevet US5062055 qui concerne les actionneurs électromagnetiques produisant à la fois un mouvement de rotation et un mouvement de translation. Un tel actionneur de l'état de la technique comprend un aimant cylindrique ayant des frontières d'aimantation dans la direction périphérique et dans la direction axiale, dans lequel une aimantation multipolaire est établie dans la direction axiale, et des culasses portant des bobines comportant des pôles magnétiques situés face aux frontières d'aimantation. Un tel actionneur utilise un aimant possédant plusieurs paires de pôles avec des directions d'aimantation perpendiculaires les unes par rapport aux autres.
  • Le but de la présente invention est de proposer un actionneur permettant de commander le positionnement d'un organe selon deux degrés de liberté, par exemple dans un plan selon deux axes perpendiculaires XY, ou selon un degré de liberté en translation et un degré de liberté en rotation, ou encore en rotation sphérique, avec des signaux de commande simple.
  • A cet effet, l'invention concerne dans son acception la plus générale un actionneur bidirectionnel comportant au moins une structure statorique excitée par une bobine électrique, et un aimant mobile unique ayant une polarité unique. Cet aimant est placé dans un entrefer principal. La structure statorique est composée de deux pièces statoriques. Chacune des pièces statoriques présente au moins un entrefer secondaire et est excitée par au moins une bobine électrique. La structure statorique présente au moins un entrefer pour le déplacement de l'aimant mobile par rapport à un premier degré de liberté, et au moins un deuxième entrefer secondaire pour le déplacement de l'aimant mobile par rapport à un deuxième degré de liberté.
  • Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l'aimant mobile est solidaire de la culasse.
  • Selon une première variante, la structure statorique est composée de 4 pôles en un matériau magnétique doux définissant entre eux deux paires d'entrefers secondaires se croisant en un point médian et en ce que l'entrefer principal est plan.
  • Avantageusement, les pôles statoriques sont constitués par deux paires de pièces rectangulaires, chaque paire de pièces étant excitée par une bobine électrique au moins et définissant chacune un entrefer secondaire.
  • De préférence, le rapport L/E entre l'épaisseur L de l'aimant et l'épaisseur E de l'entrefer est comprise entre 1 et 2.
  • Avantageusement, les dimensions des entrefers secondaires sont C1+E et C2+E, où C1 et C2 désignent la course de l'aimant mobile selon les deux directions des entrefers secondaires et en ce que les dimensions de l'aimant sont C1+d1+E et C2+d2+E, d1 et d2 désignant les largeur des dits entrefers secondaires.
  • Selon une variante particulière, la structure statorique est composée de deux pièces statoriques disposées de part et d'autre de l'aimant, chacune des pièces statoriques présentant une paire de pôles statoriques, la paire de pôles statoriques de l'une des pièces étant orientée perpendiculairement à la paire de pôles statoriques de l'autre pièce statorique.
  • Selon une deuxième variante de réalisation, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique formée de 4 pôles statoriques en forme de portions de cylindres, présentant un premier entrefer secondaire dans le plan médian longitudinal, dans lequel est placée une première.bobine électrique, et un deuxième entrefer secondaire dans le plan transversal, dans lequel est placée une deuxième bobine. Chacune de ces bobines est enroulée de préférence autour d'un noyau ferromagnétique.
  • Selon une variante, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique extérieure formée de 4 pôles statoriques présentant une surface concave définissant l'entrefer principal avec la culasse cylindrique placée à l'intérieur de l'aimant, chacun des quatre pôles statoriques étant entouré par une bobine électrique.
  • Selon une autre variante, l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique constituée par une première pièce statorique extérieure pour le déplacement selon un premier degré de liberté, et une deuxième pièce statorique intérieure pour le déplacement selon un degré de liberté, chacune des pièces statoriques comportant au moins une bobine électrique d'excitation.
  • Selon un troisième mode de réalisation, l'aimant est de forme sphérique et est mobile en rotation sphérique par rapport à une structure statorique en forme de calotte sphérique formée de 4 pôles statoriques en forme de secteur de calotte, comportant deux bobines logées dans des rainures périphériques dont les plans médians sont perpendiculaires.
  • Avantageusement, l'aimant est de forme sphérique et est mobile en rotation sphérique par rapport à une structure statorique de forme tubulaire formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de tube, entourés par une bobine électrique.
  • Selon une variante particulière d'un tel actionneur, l'entrefer principal est de forme sphérique.
  • Selon une autre variante particulière, l'aimant est de forme sphérique et entoure une culasse sphérique, et est mobile en rotation sphérique autour d'une structure statorique de forme demi-sphérique formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de sphère.
  • Selon un mode de réalisation particulier, l'aimant est de forme sphérique et entoure une culasse sphérique, et est mobile en rotation sphérique autour d'une structure statorique formé de deux pièces statoriques demi-sphériques.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à des exemples non limitatifs de réalisation, illustrés par les dessins annexés où :
    • Les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY ;
    • les figures 3a et 3b illustrent le fonctionnement de l'actionneur ;
    • les figures 4 et 5 représentent des vues d'une variante de réalisation d'un actionneur XY ;
    • les figures 6 et 7 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY ;
    • les figures 8 et 9 représentent une variante d'un actionneur cylindrique x-θ, respectivement sans et avec l'aimant ;
    • les figures 10 à 12 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et en coupe transversale, d'un actionneur linéaire-rotatif.;
    • les figures 13 à 16 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et en vue transversale, et en vue éclatée d'une deuxième version d'un actionneur linéaire-rotatif ;
    • les figures 17 à 19 représentent des vues en perspective, respectivement sans et avec aimant, et de la partie statorique d'une troisième version d'un actionneur linéaire-rotatif ;
    • les figures 20 et 21 représentent une variante de réalisation d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ;
    • les figures 22 et 23 représentent une deuxième version d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ;
    • les figures 24 et 25 représentent une troisième version d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs » ;
    • la figure 26 représente une première version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ;
    • les figures 27 et 27b représentent une version modifiée d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ;
    • les figures 28 et 29 représentent, en vue de trois quart face et en vue transversale, une deuxième version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur » ;
    • les figures 30 et 31 décrivent un actionneur de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur respectivement de trois quarts face et en vue partiellement coupée ;
    • la figure 32 représente une vue de trois quarts face de l'ensemble stator d'une variante de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur » ;
    • les figures 33 et 34 représentent des vues d'un actionneur sphérique et du stator d'un tel actionneur ;
    • la figure 35 représente une vue d'une deuxième version d'actionneur sphérique ;
    • la figure 36 représente une vue d'une troisième version d'actionneur sphérique ;
    • les figures 37 et 38 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une quatrième version d'actionneur sphérique ;
    • les figures 39 et 40 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une cinquième version d'actionneur sphérique ;
    • les figures 41 et 42 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une sixième version d'actionneur sphérique :
    • les figures 43 et 44 représentent des vues de trois quart face et en vue transversale d'un actionneur avec détecteur de position ;
  • L'invention concerne un nouveau type d'actionneur permettant de déplacer une partie mobile suivant deux degrés de liberté.
  • Les applications visées sont :
    • Applications informatiques : souris, joystick
    • Applications industrielles : pick and place
    • Applications automobiles : assistance au passage des vitesses.
  • Les figures 1 et 2 représentent des vues d'un premier exemple de réalisation d'un actionneur linéaire XY.
  • L'objectif est de déplacer une partie mobile dans un plan suivant 2 axes comportant à la base une structure composée d'un stator à 4 pôles, d'un aimant mobile et d'une culasse qui pourra être fixe ou mobile avec l'aimant.
  • La première version présentée en référence aux figures 1 et 2 concerne un actionneur à culasse fixe. Dans cette architecture, seul l'aimant (14) est donc mobile.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant plat (14) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de l'anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction.
    • 1 culasse (5) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé d'une base plane (6) et de 4 pôles (1 à 4) de section rectangulaire. Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 4 bobines (7 à 10), chacune entourant l'un des pôles du stator
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Pour ce dernier, toute forme peut être imaginée.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante, en référence aux figures 3a et 3b :
  • Si l'on impose le même courant il dans les bobines (7) et (8) et un courant i2 dans les bobines (9) et (10), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X : on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans les bobines (7) et (9) et un courant i4 dans les bobines (8) et (10), on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique, colinéaire à l'axe Y.
  • Cela étant établi, il en découle que la composition des dits courants.nous permettra, par le principe de superposition, de créer toute force dont la direction sera comprise dans ce plan XY.
  • En effet :
    • si en alimentant (7) et (8) par un courant il et en alimentant (9) et (10) par un courant i2, on crée une force Fx
    • si en alimentant (7) et (9) par un courant i3 et en alimentant (8) et (10) par un courant i4, on crée une force Fy
  • Alors, en alimentant (7) par i1+i3, (8) par i1+i4, (9) par i2+i3 et (10) par i2+i4, on crée une force Fx + Fy.
  • Cet actionneur permet donc de créer une force d'intensité et de direction réglables dans le plan (XY).
  • Soit L l'épaisseur de l'aimant, E l'entrefer, Cx et Cy les courses du capteur dans les deux dimensions et dx et dy les distances de pôle à pôle suivant les 2 axes.
  • On conseillera d'utiliser un rapport L/E compris entre 1 et 2.
  • Si l'on prend pour dimensions de l'aimant (Cx + E + dx) et (Cy + E + dy) et pour dimensions minimales des pôles statoriques (Cx + E) et (Cy + E) dans le plan de mesure, la linéarité de la force en fonction du courant sera effective sur les deux axes.
  • Une autre architecture de cet actionneur peut être imaginée selon la variante représentée en figures 4 et 5.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant plat (14), de forme rectangulaire, composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de l'anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction.
    • 1 stator X (20) en matériau magnétique à haute perméabilité composé d'une base plane (23) et de 2 pôles (21, 22) de section rectangulaire.
    • 1 stator Y (28) composé d'une base plane (25) et de 2 pôles (26, 27) aux propriétés analogues au stator X. Ces deux pôles (26, 27) sont orientés perpendiculairement aux pôles (21, 22) du stator X
    • 2 bobines X (31, 32), chacune entourant l'un des pôles (21, 22) du stator X
    • 2 bobines Y (36, 37), chacune entourant l'un des pôles (26, 27) du stator Y.
  • Les bobines sont des bobines plates entourant chacun des pôles statoriques.
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le stator X et le stator Y sont disposés de part et d'autre de l'entrefer principal dans lequel est placé l'aimant (14). Les pôles (21, 22) du stator X sont orientés perpendiculairement aux pôles (26, 27) du stator Y, afin d'entraîner l'aimant mobile dans les deux directions perpendiculaires et d'assurer un déplacement bidirectionnel de l'organe auquel il est accouplé.
  • Le fonctionnement de cette version peut être expliqué de la manière suivante :
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (31) et un courant i2 dans la bobine (32), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans la bobine (36) et un courant i4 dans la bobine (37), on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique, colinéaire à l'axe Y.
  • En conjuguant le pilotage des courants dans les bobines (X) et dans les bobines (Y) indépendamment les unes des autres, on pourra créer une force réglable en amplitude et en direction dans le plan XY.
  • les figures 6 et 7 représentent des vues schématiques respectivement en vue transversale, et de la partie statorique d'une première variante de réalisation sous la forme d'un actionneur linéaire XY. Cette variante de l'actionneur présente l'avantage de ne nécessiter qu'une seule bobine par axe.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant plat (14) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou axialement anisotrope. Dans ce dernier cas, le sens de l'anisotropie devra être perpendiculaire à la surface des pôles. Il sera aimanté dans cette même direction.
    • 1 culasse (40) constitué par une plaque en un matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator (41) composé de 4 pôles (42 à 45) de section rectangulaire reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (46, 47). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Il est constitué dans l'exemple décrit par un bloc parallélépipèdique, présentant des rainures médianes perpendiculaires pour le positionnement des bobines et délimitant les pôles statoriques (42 à 45)
    • 2 bobines croisées (46, 47), entourant le stator (41) dans deux directions perpendiculaires.
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort ou le déplacement fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cette version peut être expliqué de la manière suivante :
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (46), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée, donc au courant il.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (47), on crée une force Fy proportionnelle à la différence de potentiel magnétique et donc au courant i2, colinéaire à l'axe Y.
  • On comprend alors aisément qu'en conjuguant le pilotage des courants dans les bobines (46) et dans les bobines (47) indépendamment l'une de l'autre, on pourra créer une force réglable en amplitude et en direction dans le plan XY.
  • Cette variante peut être également réalisée en symétrique, c'est-à-dire en remplaçant la culasse par un ensemble stator + bobines. On augmentera alors l'amplitude de la force créée.
  • On peut également réaliser le stator en plusieurs parties distinctes, par exemple en séparant les pôles. On peut alors obtenir une version sans noyau de bobine ferromagnétique ou dotée de noyaux de bobine indépendants, ce qui permettrait de faciliter le bobinage.
  • Cette variante peut elle aussi être réalisée en version symétrique.
  • Les figures 8 et 9 représentent une variante d'un actionneur cylindrique x-θ, respectivement sans et avec l'aimant. Plusieurs versions peuvent être imaginées. L'actionneur présente une structure cylindrique, comprenant donc une zone à l'intérieur de l'aimant et une zone à l'extérieur de ce même aimant. Cette structure remplit deux fonctions à assurer : fonction d'actionneur rotatif et d'actionneur linéaire. Les solutions définies ci-après seront définies par la situation (« intérieur » ou « extérieur ») de chacune de ces fonctions. De façon générale, l'actionneur comprend une structure statorique présentant quatre pôles (51 à 54) en forme de demi-cylindres et un aimant tubulaire (55).
  • La description qui suit présentera d'abord un actionneur de type « Linéaire et rotatif intérieurs ».
  • Une première solution est décrite en figures 10 à 12 : elle consiste en l'utilisation d'un stator interne cylindrique composé de quatre pôles identiques. Deux bobines sont entourées autour de chacun de ces pôles.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (60) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse (61)
    • 1 culasse bague (61) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (62 à 65) de forme extérieure cylindrique reliés par des noyaux (70, 71) autour desquels seront enroulées les bobines (66 à 69). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques
    • • 4 bobines (66 à 69), entourant le stator.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose le même courant il dans les bobines (66) et (67) et un courant i2 dans les bobines (68) et (69), on crée une différence de potentiel suivant l'axe X et on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i3 dans les bobines (66) et (68) et un courant i4 dans les bobines (67) et (69), on crée cette fois un moment de rotation MX sur l'aimant colinéaire à l'axe x et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cela étant établi, il en découle que la composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout ensemble « force - moment » de direction colinéaire à l'axe X.
  • En effet :
    • si en alimentant (66) et (67) par un courant il et en alimentant (68) et (69) par un courant i2 , on crée une force Fx
    • si en alimentant (66) et (68) par un courant i3 et en alimentant (67) et (69) par un courant i4, on crée un moment Mx
  • Alors, en alimentant (66) par il+i3, (67) par il+i4, (68) par i2+i3 et (69) par i2+i4 , on crée une force Fx et un moment Mx
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Les figures 13 à 16 représentent une deuxième solution d'un actionneur linéaire-rotatif.
  • Cette deuxième solution consiste à remplacer 2 des 4 bobines de la solution précédente par une bobine montée sur l'axe principal du mécanisme. Celle-ci, nommée (4L), assurera la partie « force axiale » et les 2 autres créeront le moment.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (60) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse.
    • 1 culasse bague (61) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (62 à 65) de forme extérieure cylindrique. Les demi-lunes situées en vis-à-vis radial sont reliés 2 à 2 par des noyaux (70, 71) autour desquels seront enroulées les bobines (4R). Les ensembles ainsi constitués seront reliés par un noyau axial (72) autour duquel sera enroulée la bobine (4L). Tous ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques (cf. figure 16).
    • 2 bobines longitudinales (4R)
    • 1 bobine transversale (4L)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose le courant il dans la bobine (4L), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (4R), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Les figures 17 à 19 représentent une troisième version d'un actionneur linéaire-rotatif. Le stator est formé par une pièce cylindrique présentant 4 pôles (62 à 65) en forme de demi-cylindres. Dans cette solution, on remplace les 2 bobines précédemment notées (4R) par une seule et même bobine. On a alors en tout et pour tout 2 bobines croisées, comme l'illustrent les figures 17 à 19.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut. être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (4L), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (4R), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Une autre structure pourrait également être obtenue en scindant la bobine (4L) en 3 ou quatre bobines venant se monter de part et d'autre des pôles axiaux.
  • Les figures 20 et 21 représentent une variante de réalisation d'un actionneur de type « linéaire et rotatif extérieurs ».
  • Toutes les versions présentées dans cette partie sont en fait des versions homologues des versions présentées dans la partie précédente : on ne fait qu'inverser les parties intérieures et extérieures. Elles seront néanmoins présentées dans un souci de clarté.
  • Dans la version représentée en figures 20 et 21, on dispose de quatre bobines extérieures, chacune d'elles entourant un pôle.
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (80) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse
    • 1 culasse cylindrique (81) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (82 à 85) de forme intérieure cylindrique reliés par une base commune. Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 4 bobines (86 à 89), entourant les pôles statoriques respectivement (82 à 85)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Cette version fonctionne de façon semblable à la version représentée en référence aux figures 10 à 12:
  • En effet, en alimentant (86) par i1+i3, (87) par i1+i4, (88) par i2+i3 et (89) par i2+i4, on crée une force Fx et un moment Mx
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Les figures 22 et 23 représentent une deuxième version d'un actionneur de type « linéaire-rotatif ».
  • L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (90) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse.
    • 1 culasse cylindrique (95) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (91 à 94) et d'une structure (96) commune. Autour des pôles (91, 92) seront enroulées les bobines (4R) (97, 98). La bobine (4L) sera située entre les pôles comme montré sur la figure 22. Tous ces pôles (91 à 94) seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, l'ensemble pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques
    • 2 bobines (4R)
    • 1 bobine (4L)
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose le courant il dans la bobine (4L), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (4R), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Les bobines (4L) et (4R) sont représentées ici de forme rectangulaire pour faciliter la lecture du dessin, mais il va de soi qu'elles pourraient également, par exemple, prendre une forme cylindrique.
  • On peut également, dans le souci d'augmenter le couple, disposer de 4 bobines (4R), en en disposant 2 sur les 2 pôles statoriques non utilisés.
  • Les figures 24 et 25 représentent une troisième version d'un actionneur de type « linéaire-rotatif », présentant 2 bobines croisées. L'actionneur selon cette troisième version est composé des parties fonctionnelles suivantes :
    • 1 demi-aimant bague (90) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse.
    • 1 culasse cylindrique (95) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (91 à 94) et d'une structure (96) commune. Autour de 2 d'entre eux sera enroulée la bobine (4R). La bobine (4L) sera située entre les pôles (91 à. 94). Tous ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 1 bobine (4R)
    • 1 bobine (4L)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant i1 dans la bobine (4L), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (4R), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Une autre structure pourrait également être obtenue en scindant la bobine (4L) en 3 ou quatre bobines venant se monter de part et d'autre des pôles axiaux, ou en ajoutant une deuxième bobine (4R), symétriquement à la première par rapport à l'axe.
  • Enfin, pour chacune de ces versions, une autre structure pourrait également être obtenue en multipliant la structure statorique par l'utilisation de plusieurs stators. On obtient ainsi une structure à plus de pôles extérieurs, avec plusieurs aimants, qui offre une course angulaire plus faible mais un couple plus important. On peut ainsi imaginer toute structure à (2N) pôles radiaux écartés angulairement de (360°/2N), à N aimants.
  • La figure 26 représente une première version d'une variante de type « Linéaire intérieur, rotatif extérieur ». L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (100) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators.
    • 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (101, 102) de même diamètre. La bobine (103) sera située entre ces deux pôles, autour d'un noyau ferromagnétique.
    • 1 stator composé de 2 pôles (104, 105) et d'une structure commune (108). Autour d'eux seront enroulées les bobines (106, 107). Ces pôles (104, 105) seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, ce stator pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 1 bobine (106)
    • bobine (107)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (103), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (106, 107), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Une autre structure pourrait également être obtenue en multipliant la structure statorique extérieure suivant la figure 27. On obtient ainsi une structure à plus de pôles extérieurs (110, 111, 112, 113), avec plusieurs aimants (115, 116), qui offre une course angulaire plus faible mais un couple plus important. On peut ainsi imaginer toute structure à (2N) pôles radiaux. Ce principe de multiplication pourra également être appliqué à chaque structure cylindrique décrite dans ce texte.
  • Une autre structure pourrait également être obtenue en n'utilisant qu'une seule bobine pour la création d'un moment de rotation. Les figures 28 et 29 représentent des vues de trois quart face et en coupe d'une telle version. Celle-ci consiste en un nouvel arrangement de la partie extérieure de l'actionneur permettant de n'avoir que 2 bobines. L'actionneur est alors composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (120) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators.
    • 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (121, 122) de même diamètre. La bobine (125) sera située autour de ce stator, entre les 2 pôles (121, 122).
    • 1 stator composé de 2 pôles (123, 124) et d'une structure commune. La bobine (126) entoure ce stator, entre les 2 pôles (123, 124). Ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, ce stator pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 1 bobine (125)
    • 1 bobine (126)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant i1 dans la bobine (125), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe x proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (126), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe X et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Les figures 30 et 31 décrivent un actionneur de type « Linéaire extérieur, rotatif intérieur ».
  • L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant bague (140) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators.
    • 1 stator cylindrique en matériau magnétique à haute perméabilité, composé de deux pôles (141, 142) de même diamètre. La bobine (143) sera située entre les 2 pôles.
    • 1 stator (2R) composé de 2 pôles (144, 145) et d'un noyau commun. La bobine (146) sera située entouré autour de ce noyau, entre les 2 pôles (144, 145). Ces pôles seront également réalisés en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 bobine (143)
    • 1 bobine (146)
  • Eventuellement un support d'aimant venant entourer l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (143), on crée une différence de potentiel magnétique suivant l'axe X: on crée donc une force Fx suivant l'axe X proportionnelle à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (146), on crée cette fois un moment de rotation Mx sur l'aimant colinéaire à l'axe x et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • Cet actionneur permet donc de créer à la fois une force et un moment d'intensités réglables, tous deux colinéaires à l'axe X.
  • Notons qu'en réalisant le stator sous forme de quatre quarts de cylindres (150 à 153) autour desquels s'entourent 2 bobines (154, 155) (cf. Figure 32), on obtient une version 4 pôles en rotatif , de course réduite à moins de 90° mais fournissant un couple plus important. On aura alors 2 aimants de 90° de largeur angulaire.
  • Les figures 33 et 34 représentent des vues d'un actionneur sphérique α-β et de son stator.
  • Plusieurs versions peuvent être imaginées. Les solutions définies ci-après seront définies par la situation (« intérieur » ou « extérieur ») des deux fonctions (rotation autour de 2 axes) assurées par L'actionneur.
  • L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi -aimant sphérique (200) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse, ainsi que montré sur la figure (33).
    • 1 culasse sphérique creuse (201) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (202 à 205) de forme extérieure sphérique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les quatre bobines (206 à 209). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 4 bobines (206 à 209), entourant le stator
  • Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose le même courant il dans les bobines (206) et (208), on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de l'axe X et l'on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans les bobines (207) et (209), on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY.
  • En effet :
    • En alimentant (206) et (208) par un courant i1, on crée un moment Mx
    • En alimentant (207) et (209) par un courant i2, on crée un moment My
  • Alors, en alimentant (206) et (208) par i1, (207) et (209) par i2 , on crée un moment Mx et un moment My.
  • Cet actionneur permet donc de créer des couples indépendants suivant deux axes orthogonaux.
  • La figure 35 représente une deuxième version d'un actionneur sphérique. L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 demi-aimant sphérique (210) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci pourra être indépendant ou collé à la culasse, ainsi que montré sur la figure (35).
    • 1 culasse sphérique creuse (211) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (212 à 215) de forme extérieure sphérique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (216, 217). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 2 bobines (216), et (217), croisées, entourant le stator
  • Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (216), on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de l'axe X et l'on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (217), on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY.
  • La figure 36 correspond à un autre arrangement de ce même système, plus facilement réalisable industriellement mais à plus faible course.
  • Les parties statoriques sont réalisées en forme de quart de secteur sphérique (220 à 223). Ils sont entourés par deux bobines (224, 225).
  • Les figures 37 et 38 représentent des vues d'un actionneur sphérique de type « Tout extérieur »:
  • Le principe de cette solution consiste à inverser l'architecture de l'actionneur précédent, en mettant la culasse et l'aimant à l'intérieur, les pôles statoriques à l'extérieur.
  • La première version de l'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant en forme de calotte sphérique (230) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement.
    • 1 culasse sphérique (231) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (232 à 235) de forme extérieure en quart de cylindre et de forme intérieure sphérique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (236 à 239). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 4 bobines (236 à 239), entourant le stator, 2 par axe de rotation
  • Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur est en tout point le même que celui du premier actionneur sphérique présenté dans ce texte.
  • Les figures 39 et 40 représentent une deuxième version d'un actionneur sphérique de type « tout extérieur ».
  • L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant en forme de calotte sphérique (250) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement.
    • 1 culasse sphérique (251) en matériau magnétique à haute perméabilité
    • 1 stator composé de 4 pôles (252 à 255) de forme intérieure sphérique reliés par des noyaux autour desquels seront enroulées les bobines (256, 257). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité. Selon les préférences de fabrication, il pourra être fait d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces ferromagnétiques.
    • 2 bobines (256, 257), entourant le stator, 1 par axe de rotation
  • Le fonctionnement de cet actionneur est en tout point le même que celui de l'actionneur sphérique présenté en figures 35 et 36.
  • Les figures 41 et 42 représentent des vues de trois quart face et en coupe partielle d'un actionneur hybride (intérieur & extérieur).
  • L'actionneur est composé des parties fonctionnelles suivantes:
    • 1 aimant en forme de calotte sphérique (260) composé d'une nuance d'aimant isotrope ou radialement anisotrope, aimanté radialement. Celui-ci devra être indépendant des deux stators
    • 1 stator intérieur, de formes extérieures sphériques, en matériau magnétique à haute perméabilité. Il présente 2 pôles (261, 262) reliés par un noyau autour duquel est enroulée la bobine (265).
    • 1 stator extérieur composé de 2 pôles (263, 264) de forme intérieure sphérique reliés par un noyau autour duquel sera enroulée la bobine (266). Il sera également réalisé en matériau magnétique à haute perméabilité.
    • 1 bobine (266), entourant le stator extérieur
    • 1 bobine (265), entourant le stator intérieur
  • Eventuellement un support d'aimant venant se fixer à l'aimant pour transmettre l'effort - ou le déplacement - fourni à une pièce externe.
  • Le fonctionnement de cet actionneur peut être expliqué de la manière suivante:
  • Si l'on impose un courant il dans la bobine (266), on crée une différence de potentiel suivant une rotation autour de l'axe X et l'on crée donc un moment Mx suivant l'axe X proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • De la même façon, si l'on impose un courant i2 dans la bobine (265), on crée cette fois un moment de rotation My sur l'aimant colinéaire à l'axe Y et proportionnel à la différence de potentiel magnétique créée.
  • La composition des dits courants nous permettra, par le principe de superposition, de créer tout moment dont l'axe sera compris dans ce plan XY.
  • Chacun des systèmes électromagnétiques ci-dessus pourra être couplé avec des capteurs de position dimensionnels sans contact.
  • On obtiendra alors un ensemble « capteur - actionneur » permettant d'assurer deux fonctions dans un même volume et ainsi de travailler en boucle fermée.
  • Pour cela, on devra séparer les parties fer entre les pôles des stators (à savoir celles autour desquelles on vient entourer les bobines, généralement nommées « noyau » tout au long de ce brevet) au moyen d'une fente.
  • On viendra alors positionner dans la dite fente un élément sensible aux champs magnétiques (par exemple une sonde à effet Hall).
  • Les figures'43 et 44 illustrent l'application de ce principe sur un actionneur XY plan.
  • Le capteur de position permet de mesurer les variations de flux créées par un aimant mobile dans un entrefer.
  • Le stator est constitué de quatre parties rectangulaires (300 à 303) entourées par quatre bobines (310 à 313). Un aimant mince (305) aimanté transversalement est placé dans l'entrefer principal (307) formé entre le stator et la culasse (306). Quatre sondes de Hall (320 à 323) sont placées dans les entrefers secondaires entre les parties statoriques (300 à 303).
  • Dans l'architecture décrite, les sondes mesureront une variation de flux due et au déplacement de l'aimant et au courant circulant dans les bobines. Il nous faut donc « écarter » ce flux dû au courant. Cela pourra être fait de deux façons :
  • En mesurant le courant dans les bobines et en calculant le flux induit par le courant pour le soustraire à la valeur mesurée. En effet, le flux total est la somme du flux dû au courant et du flux dû à l'aimant (Φt = Φni + Φa = A.ni + Φa). En connaissant l'impédance A du circuit magnétique et le courant dans les bobines, on peut aisément calculer Φa. L'intensité peut être mesurée par tout moyen imaginable (en relevant par exemple la chute de tension aux bornes d'une résistance d'échantillonnage traversée par le dit courant).
  • En alternant les fonctions « capteur » et « actionneur ». Pendant un intervalle de temps donné, onalimentera les bobines afin de produire la force (ou le couple) désiré, et, pendant l'intervalle suivant, on supprimera l'alimentation des bobines pour ne plus mesurer que le flux dû à l'aimant. On aura ainsi une force intermittente qui pourra être utilisable pour des fonctions type joystick.

Claims (15)

  1. Actionneur bidirectionnel comportant au moins une structure statorique excitée par au moins une bobine électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un aimant mobile unique placé dans un entrefer principal et en ce que la structure statorique comprend au moins une bobine électrique, et est composée d'une première paire de pôles statoriques (1, 2) définissant entre eux un premier entrefer secondaire, pour le déplacement de l'aimant mobile unique (14) par rapport à un premier degré de liberté, et d'une deuxième paire de pôles statoriques (3, 4) définissant entre eux un deuxième entrefer secondaire, pour le déplacement de l'aimant mobile unique (14) par rapport à un deuxième degré de liberté.
  2. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant mobile est solidaire d'une culasse (25).
  3. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure statorique est composée de 4 pôles en un matériau magnétique doux définissant entre eux deux paires d'entrefers secondaires se croisant en un point médian et en ce que l'entrefer principal (10) est plan.
  4. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 3 caractérisé en ce que les pôles statoriques sont constitués par 4 pièces rectangulaires entourées chacune par une bobine électrique et définissant entre elles deux paires d'entrefers secondaires perpendiculaires.
  5. Actionneur bidirectionnel selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport L/E entre l'épaisseur L de l'aimant et l'épaisseur E de l'entrefer est compris entre 1 et 2.
  6. Actionneur bidirectionnel selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les dimensions des entrefers secondaires sont C1+E et C2+E, où C1 et C2 désignent la course de l'aimant mobile selon les deux directions des entrefers secondaires et en ce que les dimensions de l'aimant sont C1+d1+E et C2+d2+E, où d1 et d2 désignent les largeurs des entrefers secondaires.
  7. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure statorique est composée de deux pièces statoriques disposées de part et d'autre de l'aimant, chacune des pièces statoriques présentant une paire de pôles stacoriques, la paire de pôles statoriques de l'une des pièces étant orientée perpendiculairement à la paire de pôles statoriques de l'autre pièce statorique.
  8. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique formée de 4 pôles statoriques en forme de portions de cylindres, présentant un premier entrefer secondaire dans le plan médian longitudinal, dans lequel est placé au moins une première bobine électrique entourant au moins un noyau ferromagnétique, et un deuxième entrefer secondaire dans le plan transversal, dans lequel est placé une deuxième bobine électrique entourant un noyau ferromagnétique.
  9. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique extérieure formée de 4 pôles statoriques présentant une surface concave définissant l'entrefer principal avec la culasse cylindrique placée à l'intérieur de l'aimant, chacun des quatre pôles statoriques étant entouré par une bobine électrique.
  10. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme tubulaire et est mobile selon un premier degré de liberté en translation axiale et selon un second degré de liberté en rotation axiale par rapport à une structure statorique cylindrique constituée par une première pièce statorique extérieure pour le déplacement selon un premier degré de liberté, et une deuxième pièce statorique intérieure pour le déplacement selon un degré de liberté, chacune des pièces statoriques comportant au moins une bobine électrique d'excitation.
  11. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme sphérique et est mobile en rotation sphérique par rapport à une structure statorique en forme de calotte sphérique formée de 4 pôles statoriques en forme de secteur de calotte, comportant deux bobines logées dans des rainures périphériques dont les plans médians sont perpendiculaires.
  12. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme sphérique et est mobile en rotation sphérique par rapport à une structure statorique de forme tubulaire formée de 4 pôles statoriques en forme de quart de tube, entourés par une bobine électrique.
  13. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'entrefer principal est de forme sphérique.
  14. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme sphérique et est entouré par une culasse sphérique, et est mobile en rotation sphérique autour d'une structure statorique de forme sphérique ou demi-sphérique formée de 4 pôles statoriques en forme de quart ou de huitième de sphère.
  15. Actionneur bidirectionnel selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aimant est de forme sphérique et est entouré par une culasse formée de deux pièces en forme de demi-sphères ou de quart de sphère, et est mobile en rotation sphérique autour d'une structure statorique formé de deux pièces statoriques demi-sphériques.
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