Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un moteur couple. En particulier, l’invention concerne un moteur couple à déplacement limité, c’est-à-dire un moteur couple permettant par exemple de déplacer en rotation et de positionner très précisément un mobile dans un intervalle réduit. Le moteur couple peut être utilisé dans tout type de domaine industriel, notamment dans le domaine des transports tel que l’aéronautique. Par exemple, le moteur couple peut être utilisé pour déplacer un mobile tel qu’un élément mobile d’un actionneur rotatif ou bien d’une vanne de type servovalve, permettant de contrôler la quantité de fluide distribuée par la servovalve, et fonctionnant avec tout type de fluide liquide ou gazeux, circulant dans une conduite fermée.

Arrière-plan technologique

Les moteurs couples à débattement limités permettent le positionnement d’un mobile avec un déplacement également limité. Ces moteurs couples sont alimentés par un courant électrique de puissance faible. Le courant électrique permet la formation d’un couple électromagnétique par l’alimentation d’une bobine agissant sur une armature, aussi appelée palette, agencée entre deux masses polaires formant chacune un pôle magnétique reliées à des aimants permanents. L’espace entre l’armature et les masses polaires forme un entrefer.

L’armature se déplace en rotation autour d’une direction dite axiale en cas d’alimentation de la bobine par la formation d’un flux magnétique traversant l’entrefer et interagit avec le flux magnétique produit par les aimants permanents. Un couple électro-magnétique est donc appliqué à l’armature. L’armature est généralement reliée à un tube de torsion permettant d’appliquer un couple résistant à l’armature s’opposant au couple électro magnétique. Ce couple résistant permet de rendre l’armature à sa position initiale lorsque le courant électrique est coupé. L’augmentation du courant électrique augmente le couple électro-magnétique et s’oppose au couple résistant de sorte à ce que l’armature prenne une position angulaire variable. Au repos, lorsqu’aucun courant n’est appliqué, le couple magnétique et le couple résistant sont nuis. La position de l’armature est dite position neutre et l’entrefer a une longueur connue dite longueur de l’entrefer au repos. Cette longueur doit être limitée pour que la réluctance du circuit magnétique ne soit pas trop élevée.

Lors du mouvement de rotation de l’armature, les extrémités de l’armature se rapprochent des masses polaires et la longueur de l’entrefer diminue. Lorsque le déplacement est égal à 1/3 de l’entrefer au repos, la limite de stabilité statique est atteinte et l’armature entre en contact avec les masses polaires sans nécessité d’apporter un courant plus important. Ce phénomène de collage n’est pas souhaité et le déplacement de l’armature est donc limité pour ne pas atteindre cette limite de stabilité statique.

Les inventeurs ont donc cherché à proposer un moteur couple qui pallie au moins en partie les inconvénients des solutions connues.

Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un moteur couple permettant un déplacement plus large que les moteurs couples de l’art antérieur.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un moteur couple permettant un déplacement plus grand et un couple plus important que celui produit dans un moteur couple conventionnel.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un moteur couple évitant les phénomènes de collage au- delà d’une plage de déplacement.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un moteur couple configuré pour permettre le positionnement d’un mobile par rotation du moteur, comprenant au moins un aimant permanent, au moins une bobine et une armature configurée pour pouvoir être entraînée en rotation autour d’une direction, dite direction axiale, par application d’un couple électro-magnétique, en partant d’une position neutre, en cas d’alimentation d’au moins une bobine par un courant électrique, ladite armature s’étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale et étant agencée entre deux masses polaires reliées par l’aimant permanent et formant chacune un pôle magnétique et l’espace minimal entre l’armature et les masses polaires formant au moins un entrefer, l’armature étant reliée à un tube de torsion s’étendant sensiblement selon la direction axiale et présentant une raideur permettant l’application d’un couple résistant principal à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique, le couple résistant principal étant nul en position neutre, caractérisé en ce que le moteur couple comprend en outre au moins un ressort configuré pour appliquer un couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé, de sorte que :

- l'armature est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et une première position intermédiaire correspondant au premier angle de rotation prédéterminé,

- l’armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal et au couple résistant supplémentaire au-delà de la première position intermédiaire.

Un moteur couple selon l’invention permet donc au moteur couple d’avoir un déplacement plus large en évitant d’atteindre le point de stabilité qui entraînerait un collage de l’armature aux masses polaires.

Les raideurs mécaniques du tube de torsion et du ou des ressorts s’additionnent au-delà d’un certain angle de rotation de l’armature. L’addition des raideurs mécaniques au cours de la course de l’armature permet d’augmenter le déplacement utile du moteur couple, et ainsi d’augmenter le couple produit par le moteur.

Le moteur couple peut comprendre une pluralité de ressorts qui agissent chacun sur l’armature à des angles de rotation différents. Par exemple, avantageusement et selon l’invention, le moteur couple comprend au moins deux ressorts, un premier ressort configuré pour appliquer un premier couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro -magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé et un deuxième ressort configuré pour appliquer un deuxième couple résistant supplémentaire à l’armature s’opposant au couple électro-magnétique lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un deuxième angle de rotation prédéterminé, de sorte que :

- l'armature est soumise au couple électro-magnétique et au couple résistant principal entre la position neutre et la première position intermédiaire,

- armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire entre la première position intermédiaire et une deuxième position intermédiaire correspondant au deuxième angle de rotation prédéterminé,

- l’armature est soumise au couple électro-magnétique, au couple résistant principal, au premier couple résistant supplémentaire et au deuxième couple résistant supplémentaire au-delà de la deuxième position intermédiaire.

Les ressorts fonctionnent de la même façon mais sont simplement agencés pour agir sur l’armature à des angles de rotations différents. Par exemple, chaque ressort est positionné sur un bout d’une masse polaire sans être face à face. On entend par ressort un élément mécanique ou un ensemble d’éléments mécaniques reliés, caractérisé par une raideur, susceptible d’être déformé et configuré pour exercer une force ou un couple lorsqu’il est déformé de sorte à retrouver sa forme initiale. Dans le cadre de l’invention, chaque ressort peut prendre une forme différente connue de l’homme du métier pour un ressort du moment qu’il répond à sa fonction dans le moteur couple. Le ressort peut être composé de sous-éléments, par exemple être constitué d’une pluralité de sous-ressorts en combinaison dont les raideurs sont combinées pour former la raideur totale du ressort.

Le ressort est par exemple fabriqué avec un des matériaux suivants : acier, acier inoxydable, inconel (pour ses propriétés en température), alliage de cuivre, alliage à base de Nickel, titane et cuivre (pour leurs propriétés en mémoire de forme), composite, élastomères et plomb.

Le couple total produit par ledit moteur couple est la somme du couple électromagnétique produit par le courant traversant les bobines et du couple d’attraction magnétique produit par les aimants permanents. Ce couple peut être représenté par une formule linéaire valable pour les petits déplacements, inférieurs à la longueur de de l’entrefer au repos, en particulier inférieurs à un tiers de la longueur de l’entrefer au repos, comme le montre l’équation suivante :

[Math 1]

C _T = K _t l + K _m e

Avec CT le couple total produit par le moteur couple (en N.m), I le courant d’alimentation traversant les bobines (en A), Q l’angle de rotation de la palette (en rad), Ki le gain en courant, ou gain constant de moteur couple (en N.m/A) et K _m le gain ou raideur magnétique de moteur couple (N.m/rad).

L’équation ci-dessus est valable pour de petits déplacements tels que e/e ₀ « 1 avec e le déplacement linéaire de l’extrémité de l’armature et eo la longueur de l’entrefer en position de repos, et pour un flux magnétique produit par le courant étant inférieur à celui produit par les aimants permanents tels que 4>f /F _b « 1, où F, est le flux magnétique produit par le courant et Fo le flux produit par les aimants permanents.

Le couple électro-magnétique produit par le moteur couple s’oppose au couple résistant du moteur couple engendré par, dans un premier temps, le tube de torsion uniquement, puis par le tube de torsion et un ou plusieurs ressorts.

En résumé, le couple résistant C _r peut s’exprimer sous cette forme (dans une variante à deux ressorts :

[Math 2]

C _r = avec K _t la raideur mécanique du tube de torsion résistant au déplacement de l’armature (en N.m/rad), Q l’angle de rotation de l’armature, K _ri la raideur du premier ressort (en N.m/rad), K _r 2 la raideur du 2 ^e ressort (en N.m/rad), 0i le premier angle de rotation prédéterminé, correspondant à l’angle auquel le premier ressort entre en contact avec l’armature (en rad), 02 le deuxième angle de rotation prédéterminé, correspondant à l’angle auquel le deuxième ressort entre en contact avec l’armature (rad).

L’angle 0 de rotation de l’armature est lié au déplacement linéaire de l’extrémité de l’armature e par la relation e = L x 0 avec L la longueur de l’armature à partir de l’axe de rotation confondu avec la direction axiale.

Le couple résistant varie selon l’angle de rotation et le gain total variable produit par les éléments résistifs, comme le tube et un ou des ressorts qui sont en contact avec l’armature. Le gain variable est assuré par les différents effets du ou des ressorts qui rentrent en action les uns après les autres pour accumuler leurs raideurs. Lorsque l’armature bouge sous l’effet du couple électromagnétique créé par ledit moteur couple, le tube de torsion se déforme en appliquant un couple résistant au mouvement, qui est inférieur au couple moteur. Lorsque l’armature atteint le premier angle de rotation prédéterminé, le premier ressort entre en contact avec l’armature ce qui engendre un couple supplémentaire, ainsi, le couple résistant du tube de torsion est augmenté en ajoutant l’effet de ce ressort. Pour un déplacement de l’armature plus grand au deuxième angle de rotation prédéterminé, le deuxième ressort entre à son tour en contact avec cette dernière, et le couple résistant du tube de torsion est augmenté en ajoutant l’effet de ce deuxième ressort. Par conséquent, le couple résistant global dans une certaine plage de déplacement est la somme des couples du premier et du deuxième ressort ainsi que celui du tube de torsion.

Avantageusement et selon l’invention, au moins un ressort est un ressort de compression en hélice, fixé sur une masse polaire, agencé dans l’entrefer, et configuré de sorte à ce que lorsque l’armature est entre la position neutre et la première position intermédiaire, l’armature n’est pas en contact avec le ressort, et lorsque l’armature est au-delà de la première position intermédiaire, l’armature est en contact avec le ressort et comprime celui-ci. Selon cet aspect de l’invention, le ressort à hélice a comme principaux avantages d’être facile à mettre en œuvre et économique.

Avantageusement et selon l’invention, au moins un ressort est composé d’une pluralité de sous-ressorts, les raideurs combinés des sous-ressorts formant une raideur totale permettant l’application du couple résistant supplémentaire.

Selon cet aspect de l’invention, l’utilisation d’une pluralité de sous-ressorts permet d’avoir un gain variable multiple et de réduire l’encombrement. L’invention concerne également une servovalve, configurée pour réguler la circulation d’un fluide dans un conduit fermé, comprenant un élément mécanique de régulation du débit du fluide, caractérisée en ce que l’élément mécanique de régulation du débit du fluide est commandé par un moteur couple selon l’invention. L’invention concerne également un moteur couple et une servovalve, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci- dessus ou ci-après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. la] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une position neutre.

[Fig. lb] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une première position intermédiaire.

[Fig. le] est une vue schématique de haut d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans une deuxième position intermédiaire.

[Fig. 2] est une vue schématique en perspective simplifiée d’éléments d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig. 3] est une courbe représentant l’évolution de la raideur mécanique appliquée à un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, en fonction de l’angle de rotation de l’armature du moteur couple.

[Fig. 4] est une courbe représentant l’angle de rotation de l’armature en fonction du courant fourni aux bobines d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

Les figures la, lb et le représentent schématiquement un moteur 10 couple selon un mode de réalisation de l’invention, dans différentes positions, en vue de haut. La figure 2 représente schématiquement le moteur 10 couple en vue en perspective, seuls certains éléments étant visibles pour une raison de clarté. Le moteur 10 couple comprend deux aimants permanents, un premier aimant 12a permanent et un deuxième aimant 12b permanent, reliant deux masses polaires, une première masse 14a polaire et une deuxième masse 14b polaire, formant ainsi un circuit magnétique. Comme visible sur la figure 2, les aimants 12a et 12b sont disposés en dessous de l’armature et sont portés par une plaque 26 support. L’ensemble des éléments peut être protégé par un capot non visible sur les figures.

Les deux masses 14a, 14b polaires entourent une armature 16 configurée pour être mobile en rotation autour d’une direction axiale représentée par un axe 18 de rotation de l’armature 16. L’espace entre l’armature 16 et les masses polaires 14a, 14b forment un entrefer 20 initial. L’armature s’étend dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction axiale.

La rotation de l’armature 16 est possible grâce à l’alimentation de deux bobines par un courant électrique, une première bobine 22a et une deuxième bobine 22b, qui aimantent l’armature. Ainsi, l’interaction entre le flux magnétique produit par les bobines 22a, 22b et celui-ci produit par les aimants 12a, 12b permanents génère un couple électro-magnétique dans le moteur couple qui entraîne l’armature 16 en rotation. Ce couple dépend du courant appliqué et les caractéristiques magnétiques du moteur couple. L’armature 16 est reliée à un tube 18 de torsion formant l’axe de rotation s’étendant sensiblement selon la direction axiale et configuré pour appliquer un couple résistant principal à l’armature 16, s’opposant au couple électro-magnétique. Comme visible sur la figure 2, le tube de torsion peut être composé de plusieurs parties, une partie 18’ intermédiaire présentant la raideur permettant d’appliquer le couple résistant.

La figure la représente l’armature 16 dans une position neutre, lorsque le couple magnétique est nul, c’est-à-dire que les bobines 22a, 22b ne sont pas alimentées.

Lors de l’alimentation des bobines, l’armature 16 subit un mouvement de rotation par application du couple électro-magnétique. Ce couple produit par le moteur (grâce au courant appliqué et le gain magnétique du moteur) doit vaincre tous les couples résistants au mouvement, comme le couple résistant principal produit par le tube, le couple d’amortissement, l’inertie de la partie mobile, et également le couple extérieur appliqué sur la partie mobile, s’il existe. En absence du courant, le couple résistant doit rendre l’armature à sa position initiale.

Pour éviter un phénomène de collage de l’armature 16 aux masses 14a, 14b polaires au-delà d’un certain déplacement angulaire, le moteur couple comprend ici deux ressorts, un premier ressort 24a configuré pour appliquer un couple résistant supplémentaire lorsque l’angle de rotation de l’armature par rapport à la position neutre est supérieur à un premier angle de rotation prédéterminé, et un deuxième ressort 24b. Pour s’adapter aux mouvements de rotation dans un sens ou dans l’autre, chaque ressort est doublé sur la masse polaire opposée. Dans ce mode de réalisation, les ressorts sont des ressorts en hélice, fixés aux masses polaires et agencés dans l’entrefer.

La figure lb représente le moteur couple dans une première position intermédiaire correspondant au premier angle qi de rotation prédéterminé. Dans cette première position intermédiaire, l’armature 16 rentre en contact avec le premier ressort. Ainsi, pour tout angle inférieur ou égal au premier angle qi de rotation prédéterminé, le premier ressort n’applique pas de couple à l’armature 16, et pour tout angle de rotation supérieur au premier angle qi prédéterminé, le premier ressort applique un premier couple résistant supplémentaire à l’armature 16, qui s’oppose au couple électro-magnétique et s’additionne au couple résistant principal.

La figure le représente le moteur couple dans une deuxième position intermédiaire correspondant au deuxième angle 0 ₂ de rotation prédéterminé. Dans cette deuxième position intermédiaire, l’armature 16 rentre en contact avec le deuxième ressort. Ainsi, pour tout angle inférieur ou égal au premier angle 0i de rotation prédéterminé, le deuxième ressort n’applique pas de couple à l’armature 16, et pour tout angle de rotation supérieur au deuxième angle 02 prédéterminé, le deuxième ressort applique un deuxième couple résistant supplémentaire à l’armature 16, qui s’oppose au couple électro-magnétique et s’additionne au premier couple résistant supplémentaire et au couple résistant principal.

La figure 3 représente une courbe de l’évolution du couple mécanique résistant total (exprimé en N.m) appliquée à la partie mobile d’un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention, en fonction de l’angle (exprimé en radians) de rotation de l’armature du moteur couple.

Lorsque l’angle 0 de rotation est compris entre 0 et 0i, le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion.

Lorsque l’angle 0 de rotation est compris entre 0i et 0 ₂ , le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion à laquelle s’ajoute le couple K _ri du premier ressort.

Lorsque l’angle 0 de rotation est supérieur à 0 ₂ , le couple résistant augmente selon une pente définie par la raideur Kt du tube de torsion à laquelle s’ajoute la raideur K _ri du premier ressort et la raideur K _r 2 du deuxième ressort.

Les paramètres de ce modèle (0i, 0 ₂ , K _t , K _ri , K _r 2) sont identifiés à partir de la cartographie réalisée dans un logiciel de simulation des phénomènes électromagnétiques qui permettent d’obtenir une relation la plus linéaire possible entre le courant de commande alimentant les bobines et l’angle de rotation de l’armature.

Le moteur couple selon l’invention permet ainsi d’augmenter l’angle de rotation en augmentant le courant de commande. Cet angle de rotation est plus grand que celui produit dans un moteur conventionnel sans gain variable, et ainsi d’augmenter le couple fourni par le moteur couple.

La figure 4 est une courbe représentant l’angle de rotation de l’armature en fonction du courant fourni aux bobines dans un moteur couple selon un mode de réalisation de l’invention.

Lorsque le courant de commande atteint une valeur L, l’angle Q de rotation atteint le premier angle qi de rotation prédéterminé. Ce premier angle qi de rotation prédéterminé correspondant de préférence à l’angle maximal que l’armature peut atteindre sans phénomène de collage en cas d’absence de ressorts, le couple résistant étant constitué du seul couple résistant principal par la présence du tube de torsion. La présence du premier ressort, qui rentre en contact avec la palette au premier angle qi de rotation prédéterminé, permet à l’armature d’atteindre un angle de rotation plus élevé en augmentant le couple résistant, grâce à l’ajout du premier couple résistant supplémentaire sans atteindre la limite de stabilité, par opposition au phénomène de collage mis en évidence par la courbe 40a fictive en pointillé représentant le comportement du moteur couple en l’absence du premier ressort.

Lorsque le courant de commande atteint une valeur h, l’angle Q de rotation atteint le deuxième angle 0 ₂ de rotation prédéterminé. Ce deuxième angle 0 ₂ de rotation prédéterminé correspondant de préférence à l’angle maximal que l’armature peut atteindre sans phénomène de collage en cas de présence du premier ressort mais en l’absence du deuxième ressort, le couple résistant étant constitué du couple résistant principal par la présence du tube de torsion et du premier couple résistant supplémentaire par la présence du deuxième ressort. La présence du deuxième ressort, qui rentre en contact avec la palette au deuxième angle 0 ₂ de rotation prédéterminé, permet à l’armature d’atteindre un angle de rotation plus élevé en augmentant le couple résistant, grâce à l’ajout du deuxième couple résistant supplémentaire sans atteindre la limite de stabilité, par opposition au phénomène de collage mis en évidence par la courbe 40b fictive en pointillé représentant le comportement du moteur couple en l’absence du deuxième ressort mais en présence du premier ressort.

Lorsque l’angle 0 de rotation atteint 0 ₃ pour un courant de commande de valeur I3, le moteur couple parvient à sa nouvelle limite de stabilité.

Le moteur couple selon l’invention peut donc permettre de linéariser approximativement la relation entre le courant de commande et l’angle de rotation sur une plus large plage de commande et d’angle de rotation.

L’invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits. En particulier, les ressorts peuvent être de différents types, par exemple des ressorts à gaz, ressorts magnétiques, ressorts hélicoïdaux de compression à fil droit (dite hélice), ressorts hélicoïdaux de compression conique à fil, ressorts à lame, ressorts à volute (hélicoïdal à lame), ressorts à rondelle type Belleville, ressorts à diaphragme, ressorts ondulés. En outre, le nombre de ressorts peut varier selon l’angle de rotation maximale souhaité, qui dépend à son tour de la longueur d’entrefer au repos, chaque ressort permettant l’ajout d’un couple résistant grâce à sa raideur à partir d’un certain angle de rotation de l’armature.