FR2982068A1 - Dispositif electromagnetique et actionneur electromagnetique correspondant - Google Patents

Abstract

Ce dispositif électromagnétique (4) comprenant une première (8) et une deuxième (10) bobines ainsi qu'un circuit magnétique principal (11) assurant un couplage magnétique entre lesdites bobines (8, 10), lesdites première (8) et deuxième (10) bobines présentant en outre une inductance de fuite respective est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit magnétique secondaire (20) permettant d'augmenter l'inductance de fuite de la première (8) et/ou de la deuxième (10) bobine.

Description

Dispositif électromagnétique et actionneur électromagnétique correspondant La présente invention concerne un dispositif électromagnétique, de type électroaimant.

Elle concerne également un actionneur électromagnétique correspondant. Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques utilisés dans les applications automobiles. En effet, dans de nombreuses applications automobiles, comme la commande de soupapes d'admission et/ou d'échappement, la commande d'injecteurs, des actionneurs électromagnétiques sont utilisés. Généralement, un actionneur est muni d'au moins une inductance (ou self inductance) qui, lorsqu'elle est parcourue par un courant, provoque le déplacement d'une pièce mobile. Dans le cas d'une soupape électromagnétique, l'actionneur est généralement constitué de deux électroaimants : l'un est dédié à l'ouverture de la soupape et l'autre à la fermeture de la soupape. La soupape est reliée mécaniquement à une palette qui est localisée dans l'entrefer des électroaimants. La palette est attirée par l'un ou l'autre des électroaimants par des forces électromagnétiques lorsque les électroaimants sont magnétisés et elle est rappelée au centre de l'entrefer par des ressorts. En général, un microcontrôleur calcule des signaux MLI ("Modulation de Largeur d'Impulsion") de commande du courant circulant dans les électroaimants à haute fréquence, jusqu'à environ 120 kHz. La commande de l'actionneur a généralement lieu à partir d'une source de tension continue. Par conséquent, il est souvent nécessaire d'adopter une architecture de type pont en H pour commander cet actionneur dans les quatre quadrants. En outre, pour accélérer la commande de l'actionneur, il est souvent utile d'appliquer une surtension aux bornes de l'inductance, de manière à provoquer une mise en action plus rapide de l'actionneur. De nombreux dispositifs générateurs de surtension (ou dispositifs élévateurs de tension) sont connus. Un tel générateur de surtension est généralement relié au pont en H dans lequel se trouve l'inductance de l'actionneur.

Toutefois, cela augmente le nombre de composants utilisés. Or, dans une optique de miniaturisation et de diminution des coûts, on cherche à diminuer le nombre de composants utilisés. Par conséquent, différentes solutions techniques ont été développées afin de permettre de créer une surtension aux bornes du pont en H, sans pour autant augmenter de manière significative le nombre de composants utilisés. La Demanderesse a mené des travaux en ce sens pour développer un dispositif de commande d'un actionneur et d'élévation simultanée de la tension, qui permet un gain de place en réutilisant des composants de l'actionneur pour réaliser la surtension.

Plus précisément, la Demanderesse a développé un dispositif électromagnétique comprenant deux bobines couplées magnétiquement et aptes à assurer à la fois l'entraînement de la palette et la création de la surtension. Ces bobines présentent des inductances de fuite qui se magnétisent et permettent la création de la surtension tout en étant assez faibles pour ne pas perturber l'entraînement de l'élément mobile.

Cependant, il s'avère que la mise en oeuvre d'un tel dispositif s'accompagne d'une fluctuation de courant de quelques microsecondes. Cette fluctuation de courant a des effets néfastes sur l'actionneur. Plus particulièrement, cette fluctuation de courant entraîne des difficultés pour la régulation du courant et nécessite un surdimensionnement du filtre CEM (Compatibilité ElectroMagnétique) généralement prévu entre la source de tension et l'actionneur. En outre, cette fluctuation de courant entraîne une surconsommation qui peut causer un échauffement local de l'actionneur. La présente invention vise à améliorer la situation. A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un dispositif électromagnétique comprenant une première et une deuxième bobines ainsi qu'un circuit magnétique principal assurant un couplage magnétique entre lesdites bobines, lesdites première et deuxième bobines présentant en outre une inductance de fuite respective. Selon l'invention, ce dispositif électromagnétique comprend un circuit magnétique secondaire permettant d'augmenter l'inductance de fuite de la première et/ou de la deuxième bobine.

Grâce à l'augmentation de l'inductance de fuite d'au moins une des deux bobines, la fluctuation de courant est réduite lorsque la palette est entraînée et lorsque la surtension est créée. Avantageusement, ledit dispositif est configuré pour assurer une première fonction exploitant une magnétisation du circuit magnétique principal grâce au moins au couplage magnétique des bobines et une seconde fonction exploitant les inductances de fuite des bobines. Selon une réalisation préférée, la première fonction est une fonction électromécanique, notamment de commande d'un actionneur pour l'entraînement d'une pièce mobile alors que la deuxième fonction est une fonction de conversion électrique, par exemple de conversion de tension pour créer une surtension. Avantageusement, une borne intermédiaire destinée à être raccordée à une source d'alimentation électrique est prévue entre les deux bobines. Le fait de relier la source d'alimentation à la borne intermédiaire des deux bobines permet de réaliser la deuxième fonction sans que cela influence la première fonction. De préférence, la première et la deuxième bobines présentent un même nombre de spires, la borne intermédiaire étant alors un point milieu. La source d'alimentation étant reliée à la borne intermédiaire, les courants d'alimentation issus de la source d'alimentation circulent dans les deux bobines dans des sens opposés et selon des valeurs proportionnelles au nombre de spires de la bobine traversée de sorte que lorsqu'on envoie un courant dans la première bobine et le courant opposé dans la deuxième bobine, leurs effets mutuels s'annulent, lesdits courants générant une force électromotrice fonction du rapport des nombres de spires de la première et de la deuxième bobine. Ainsi, grâce à l'utilisation d'un même nombre de spires, chaque bobine génère une force électromotrice opposée et aucune force électromotrice résultante n'est créée par l'ensemble des deux bobines. Selon une réalisation, la deuxième bobine présente une inductance de fuite inférieure à l'inductance de fuite de la première bobine et le circuit magnétique secondaire est apte à augmenter l'inductance de fuite de la deuxième bobine.

Avantageusement, le circuit magnétique secondaire comprend au moins un court-circuit magnétique. De préférence, le circuit magnétique principal est configuré de façon à laisser libre au moins un côté, dit côté latéral des première et deuxième bobines, et le court-circuit magnétique est disposé sur le ou lesdits côtés latéraux. Avantageusement, la première et la deuxième bobines comprenant un enroulement d'un ou plusieurs conducteurs, le côté latéral sur lequel est disposé le court-circuit magnétique est un côté opposé à un côté de raccordement du conducteur.

La première et la deuxième bobine peuvent comprendre un enroulement bobiné autour d'une portion du circuit magnétique principal et le court-circuit magnétique peut relier deux endroits différents de ladite portion du circuit magnétique principal tout en entourant tout ou partie d'un côté de la bobine. Selon une variante, le circuit magnétique secondaire comprend deux courts-circuits magnétiques disposés sur deux côtés latéraux, prévus opposés de la bobine. De préférence, le court-circuit magnétique a une forme de « U » ou de « C ». Avantageusement, le circuit magnétique principal est du type en E, les première et deuxième bobines sont sur la branche centrale du E et la bobine munie du circuit magnétique secondaire est la bobine se trouvant à l'extrémité distale de la branche centrale.

Cette bobine présente en effet un coefficient de couplage fort favorable à la première fonction mais ayant pour effet une plus faible inductance de fuite de cette bobine. L'augmentation de cette inductance de fuite par le circuit magnétique secondaire permet de la ramener à un niveau similaire à celui de l'autre bobine afin de réduire la fluctuation de courant générée.

De préférence, le court-circuit magnétique est fabriqué en un matériau choisi dans le groupe comprenant les ferrites, les amorphes, les permalloys, les nanocristallins et les ferromagnétiques. Ces matériaux présentent l'avantage d'avoir une perméabilité élevée, une coercivité faible, une résistance électrique relativement importante ainsi qu'une excellente tenue en 30 fréquence.

Avantageusement, le court-circuit magnétique comprend des tôles présentant une épaisseur inférieure à 0,35 mm. La présente invention propose également un actionneur électromagnétique comprenant le dispositif électromagnétique de l'invention.

Des modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un actionneur électromagnétique comprenant un dispositif électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente le dispositif électromagnétique de la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente un court-circuit magnétique en exemple ; - la figure 4 représente une bobine munie du court-circuit magnétique de la figure 3 ; et - la figure 5 représente une bobine munie de deux court-circuits magnétiques selon la figure 3. La figure 1 représente un actionneur électromagnétique 2 comprenant un dispositif électromagnétique 4 apte à assurer une première fonction d'entraînement d'un élément mobile et une deuxième fonction de conversion de tension, notamment une élévation de tension.

L'élément mobile est, par exemple, une soupape électromagnétique d'un moteur de véhicule automobile entraînée, notamment, en translation. Il comprend une palette 6, destinée à venir en appui contre ledit dispositif dans une position d'ouverture de la soupape et à se trouver à distance dudit dispositif dans une position de fermeture de la soupape. Le dispositif électromagnétique 4 comprend deux bobines 8 et 10 présentant chacune une inductance Ll et L2 respectivement. De préférence, les deux bobines 8 et 10 présentent le même nombre de spires avec Ll = L2. Les deux bobines 8 et 10 sont enroulées sur une branche centrale d'un circuit magnétique principal 11 en forme de E, la bobine 10 se trouvant à l'extrémité distale de la branche centrale.

Les deux bobines 8 et 10 sont couplées par leur noyau magnétique qui est le même pour les deux bobines 8 et 10. Bien que les bobines 8 et 10 présentent théoriquement la même inductance Ll = L2, en pratique, elles présentent également des inductances de fuite, respectivement Lfl et Lf2.

Le point qui se situe entre les deux bobines 8 et 10 est une borne intermédiaire 12 et du fait que Ll = L2, cette borne intermédiaire est, selon ce mode de réalisation, un point milieu. Une source d'alimentation 14 est raccordée au point milieu 12. Dans ce mode de réalisation, la source d'alimentation 14 présente une tension de 12 V.

Le courant IB issu de la source d'alimentation 14 permet d'élever la tension (c'est-à- dire de réaliser une surtension) aux bornes d'une charge 16 qui est un condensateur. L'élévation de tension est pilotée en contrôlant le courant IB grâce à quatre éléments de commutation Ql, Q2, Q3 et Q4 qui sont par exemple des transistors MOS. Les bobines 8 et 10 et les quatre éléments de commutation Ql, Q2, Q3 et Q4 forment un pont en H, dans lequel les deux bobines 8 et 10 forment la barre horizontale du H, les deux transistors Q1 et Q3 forment un premier bras du H et les deux transistors Q2 et Q4 forment un deuxième bras du H. La charge 16 est raccordée en parallèle au deuxième bras du pont en H. En pratique, pour réaliser l'élévation de tension : - on ferme les éléments de commutation Q3 et Q4 de manière à magnétiser les inductances de fuite Lfl et Lf2 ; - puis on ouvre ensuite Q3 et Q4 et on ferme Q1 et Q2 de manière à ce que l'énergie magnétique stockée par Lfl et Lf2 se décharge dans le condensateur 16, ce qui permet d'élever la tension aux bornes de ce condensateur 16.

Par ailleurs, pour entraîner l'élément mobile, il faut commander le courant qui traverse les deux bobines 8 et 10. Ce courant est égal à la différence du courant qui traverse la première bobine 8 et du courant qui traverse la deuxième bobine 10. Il est donc possible de commander l'actionneur 2 en contrôlant la différence des courants traversant les deux bobines 8 et 10 grâce aux éléments de commutation Ql, Q2, Q3 et Q4.

En pratique, le courant nécessaire à la commande de l'actionneur est obtenu en fermant Q1 et Q3 tandis que Q2 et Q4 sont ouverts, et inversement. Autrement dit, les inductances de fuite, en se magnétisant, permettent la création de la surtension souhaitée par une commande appropriée du pont en H auquel les bobines 8 et 10 sont reliées. Ces inductances de fuite Lfl et Lf2 sont néanmoins très faibles de sorte qu'elles ne perturbent pas la commande de l'actionneur 2 pour entraîner l'élément mobile 6. Par ailleurs, les effets des inductances Ll et L2 s'annulent mutuellement. L'élévation de tension ne perturbe donc pas l'actionneur.

Dans cet exemple de réalisation, l'inductance de fuite Lf2 de la bobine 10 est plus faible que l'inductance de fuite Lfl de la bobine 8. Un inconvénient de ce montage consiste dans l'apparition d'une fluctuation de courant due notamment à la faible inductance de fuite Lf2 de la bobine 12. De manière remarquable, un circuit magnétique secondaire est prévu pour augmenter l'inductance de fuite Lf2 de la bobine 10. Selon un premier mode de réalisation, ce circuit magnétique secondaire est un court-circuit magnétique 20 en forme de « C » (figure 3). Il est constitué, par exemple, de tôles présentant une épaisseur inférieure à 0,35 mm. En variante, le circuit magnétique secondaire est constitué d'un matériau ferrite doux. Un tel ferrite a une polarisation magnétique à saturation de l'ordre de 0,60 T et un champ coercitif proches de 10 A/m tout en ayant de très bonnes performances à des fréquences supérieures à 100 kHz. La figure 2 représente le dispositif électromagnétique 4 de la figure 1, selon un exemple de réalisation. Selon cette réalisation, le circuit magnétique principal 11 est configuré de façon à laisser libre deux côtés latéraux 22, 24 des bobines 8, 10. Le court-circuit 20 est disposé sur la bobine 10 se trouvant à l'extrémité distale de la branche centrale du circuit magnétique principal 11 sur le côté latéral 22. La ou les bobines 8, 10 comprennent, par exemple, un enroulement présentant plusieurs spires empilées selon l'axe longitudinal du noyau sur lequel elles sont disposées.

Le court-circuit magnétique 20 présente deux ailes s'étendant à partir d'un fond, l'extrémité distale desdites ailes venant en contact avec le circuit magnétique principal, ici une face latérale de la branche centrale du E, en enjambant le côté latéral 22 de l'enroulement muni dudit court-circuit. Ainsi que cela est représenté sur la figure 4, le côté latéral 24 est le côté de sortie du conducteur de la bobine 10, c'est-à-dire le côté muni des bornes de raccordement de la bobine, et le côté latéral 22 est alors le côté opposé au côté de sortie 24. Le court-circuit 20 permet de diminuer le coefficient de couplage de la bobine 10 et d'augmenter ainsi son inductance de fuite Lf2. Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 5, deux courts-circuits 20 sont disposés sur les deux côtés latéraux opposés 22, 24 de la bobine 10. Cette configuration permet d'avoir une inductance de fuite Lf2 plus élevée que dans le cas de la figure 4. Bien entendu, d'autres modes de réalisation sont encore envisageables. Un ou deux courts-circuits magnétiques peuvent ainsi être prévus sur la bobine 8 au lieu de la bobine 10 ou sur les deux bobines 8, 10.15

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif électromagnétique (4) comprenant une première (8) et une deuxième (10) bobines ainsi qu'un circuit magnétique principal (11) assurant un couplage magnétique entre lesdites bobines (8, 10), lesdites première (8) et deuxième (10) bobines présentant en outre une inductance de fuite respective, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit magnétique secondaire (20) permettant d'augmenter l'inductance de fuite de la première (8) et/ou de la deuxième (10) bobine.
2. 2. Dispositif électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif (4) est configuré pour assurer une première fonction exploitant une magnétisation du circuit magnétique principal (11) grâce au moins au couplage magnétique et une seconde fonction exploitant les inductances de fuite des bobines (8,10)
3. 3. Dispositif électromagnétique selon la revendication 2, dans lequel une borne intermédiaire (12) destinée à être raccordée à une source d'alimentation électrique (14) est prévue entre la première (8) et la deuxième (10) bobines.
4. 4. Dispositif électromagnétique selon la revendication 3, dans lequel la première (8) et la deuxième (10) bobines présentent un même nombre de spires, la borne intermédiaire (12) étant alors un point milieu.
5. 5. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième bobine (10) présente une inductance de fuite inférieure à l'inductance de fuite de la première bobine (8) et le circuit magnétique secondaire (20) est apte à augmenter l'inductance de fuite de la deuxième bobine (10).
6. 6. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit magnétique secondaire (20) comprend au moins un court-circuit magnétique (20).
7. 7. Dispositif électromagnétique selon la revendication 6, dans lequel le circuit magnétique principal (11) est configuré de façon à laisser libre au moins un côté, dit côté latéral (22,24) des première (8) et deuxième (10) bobines, et le court-circuit magnétique (20) est disposé sur le ou lesdits côtés latéraux (22,24).
8. 8. Dispositif électromagnétique selon la revendication 7, dans lequel la première (8) et la deuxième (10) bobines comprenant un enroulement d'un conducteur, le côté latéral (22) sur lequel est disposé le court-circuit magnétique (20) est un côté opposé à un côté de raccordement (24) du conducteur.
9. 9. Dispositif électromagnétique selon la revendication 8, dans lequel le circuit magnétique secondaire comprend deux courts-circuits magnétiques (20) disposés sur deux côtés latéraux (22,24), prévus opposés de la bobine (10).
10. 10. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le court-circuit magnétique (20) a une forme de « U » ou de « C ».
11. 11. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel le circuit magnétique principal (11) est du type en E, les première (8) et deuxième (10) bobines sont sur la branche centrale du E et la bobine munie du circuit magnétique secondaire (20) est la bobine se trouvant à l'extrémité distale de la branche centrale.
12. 12. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel le court-circuit magnétique (20) est fabriqué en un matériau choisi dans le groupe comprenant les ferrites, les amorphes, les permalloys, les nanocristallins et les ferromagnétiques.
13. 13. Dispositif électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, dans lequel le court-circuit magnétique (20) comprend des tôles présentant une épaisseur inférieure à 0,35 mm.
14. 14. Actionneur électromagnétique (2) comprenant un dispositif électromagnétique (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes.