Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
1
ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE EQUIPE DE MOYENS
D'AJUSTEMENT DE LA POSITION DE SON ELEMENT POLAIRE MOBILE
Le domaine de l'invention est celui des actionneurs
électromagnétiques et notamment ceux faisant partie d'accéléromètres
destinés à des applications de géophone. Les géophones permettent
d'analyser très finement la nature des couches terrestres afin de détecter
d'éventuelles sources pétrolières. Des sources d'excitation envoient des
ondes mécaniques dans le sol qui agissent sur l'accéléromètre, sa réponse
renseigne sur la nature des couches terrestres rencontrées par les ondes
mécaniques. Dans une telle application l'actionneur fonctionne avec une
course de très faible amplitude et doit avoir une très grande précision.
Un actionneur électromagnétique comporte un élément statorique
fixe couplé à un aimant, une bobine et un élément polaire mobile.
L'actionneur est destiné à déplacer un organe extérieur, solidaire de
l'élément polaire mobile.
Dans un accéléromètre, l'organe mobile extérieur est une masse
~ 5 mobile, couplée à un système d'asservissement avec des moyens de
détection de sa position. Le système d'asservissement délivre un courant
d'asservissement à la bobine pour compenser par des phénomènes
d'induction électromagnétique un déplacement de la masse sous l'effet de
conditions extérieures, par exemple des mouvements sismiques.
2o La valeur de l'accélération subie par la masse est déduite de la
valeur du courant d'asservissement circulant dans la bobine qui est
nécessaire pour empêcher le déplacement de la masse.
L'actionneur électromagnétique peut être employé dans d'autres
applications dans lesquelles son fonctionnement est similaire, par exemple,
25 l'organe extérieur à déplacer peut être un pointeau de vanne que l'élément
polaire mobile doit déplacer depuis une position initiale jusqu'à une position
finale de travail. Des moyens de détection de la position du pointeau ou de
l'élément polaire mobile sont prévus pour commander l'alimentation de la
bobine par un courant d'asservissement qui permet un déplacement par
3o induction électromagnétique de l'élément polaire mobile. Dans cette
application une très grande précision dans les déplacements est également
requise.
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
2
La figure 1 illustre de manière schématique un exemple
d'accéléromètre intégrant un actionneur électromagnétique de type connu.
L'actionneur électromagnétique référencé 10 comporte un élément -
statorique fixe 12 comprenant un aimant 5 permanent aimanté radialement.
L'aimant 5 entoure une bobine 6 à l'intérieur de laquelle se trouve un élément
polaire mobile 14 solidaire d'une masse 2 à déplacer. L'élément statorique
fixe 12 et l'élément polaire mobile 14 définissent entre eux au moins deux
entrefers 51 et forment un circuit magnétique. L'aimant 5 crée des lignes de
champ magnétique dans le circuit magnétique à travers les entrefers. Dans
i o l'exemple, l'élément statorique fixe 12 est en forme d'une enceinte
représentée comme un cylindre de révolution et l'aimant est représenté
comme un anneau. Dans l'application accéléromètre, la masse 2 est
suspendue à un cadre périphérique 3 par des bras 80, 81. Le cadre
périphérique 3 est fixé à l'élément statorique fixe 12. Un système
~ 5 d'asservissement 7 de la position de la masse 2 à déplacer et donc de la
position de l'élément polaire mobile 14 engendre un courant
d'asservissement dans la bobine 6 tant que la masse 2 à déplacer n'est pas
dans une position de référence. Ce système d'asservissement a pour effet
d'empêcher tout déplacement de la masse 2 sous l'effet de conditions
2o extérieures, par exemple de mouvements sismiques. Plus précisément, le
système d'asservissement 7 comporte des moyens de détection 82, 83 de la
position de la masse mobile 2 et donc de l'élément polaire mobile 14 et des
moyens 70 pour faire circuler un courant d'asservissement dans la bobine 6,
lorsque la masse quitte une position dite de référence de manière à déplacer
25 l'élément polaire mobile 14 par des phénomènes d'induction
électromagnétique jusqu'à ce que la masse 2 retrouve sa position de
référence. L'élément polaire mobile 14 compense le déplacement que la
masse 2 subit sous l'effet des conditions extérieures.
La valeur du déplacement qu'aurait subi la masse mobile 2, sous
30 l'effet des conditions extérieures est déduite de la valeur du courant
d'asservissement nécessaire pour empêcher le déplacement de la masse
mobile 2.
Dans l'application accéléromètre électromagnétique, les moyens
de détection de la position de la masse peuvent être des jauges 82, 83 de
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
3
contraintes piézoélectriques placées sur les bras 80, 81 de suspension de la
masse 2.
Lorsque la bobine 6 n'est pas alimentée, l'élément polaire mobile -
14 se trouve soumis à différents champs magnétiques représentés par des
flèches sur la figure 1. Ces flèches sont relatives aux champs magnétiques
créés par l'aimant permanent 5. L'élément polaire 14 est dans un équilibre
instable et tend à bouger le long d'un axe YY' perpendiculaire au plan
médian de l'aimant 5 et quitte une position médiane représentée par l'axe
AA' et par la-même déplace la masse mobile 2. Dans cette position médiane,
l'élément polaire mobile 14 est placé symétriquement par rapport à l'aimant
permanent 5.
Lorsque le système d'asservissement 7 entre en jeu et qu'un
courant d'asservissement circule dans la bobine 6, il crée un champ
magnétique de compensation (non représenté) qui tend à ramener l'élément
~ 5 polaire mobile 14 dans le plan médian AA' et donc à ramener la masse
mobile 2 dans sa position de référence.
Etant donné la haute sensibilité demandée à de tels
accéléromètres, qui doivent détecter de très faibles accélérations, les pièces
de l'actionneur doivent être parfaitement dimensionnées et aussi
2o positionnées par rapport à la masse, au cadre périphérique et aux jauges de
contraintes avant de débuter une série de mesures.
On cherche à ce qu'à la mise en . route de l'accéléromètre, en
l'absence de mouvement, la masse 2 soit dans sa position de référence ce
qui correspond à un état sans contrainte pour les jauges de contraintes 82,
25 83 piézoélectriques. Cet état correspond à « un zéro électrique ». Cette
condition implique que la base de l'élément statorique fixe 12 qui est
solidaire
du cadre périphérique 3 et que la face de l'élément amagnétique fixée à la
masse 2 soient dans un même plan à environ un micromètre près. Cet
élément amagnétique fait l'interface entre l'élément polaire mobile 14 et la
30 masse 2 car l'élément polaire mobile 14 n'est généralement pas relié
directement à la masse 2. Ce positionnement entre l'élément statorique fixe
12 et l'élément amagnétique correspond à « un zéro mécanique ». Cette
condition implique également que l'élément polaire mobile 14 soit dans une
position de « zéro magnétique ». Dans cette position la somme vectorielle
35 des forces qui s'appliquent sur l'élément polaire mobile 14 est nulle. Si
les
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
4
pièces de l'actionneur avaient des dimensions idéales, les lignes de champ
magnétique dans l'actionneur se répartiraient de façon sensiblement égale
entre les deux entrefers 51. _
Or les chaînes de côtes qui entrent dans la réalisation des pièces
de l'actionneur ne peuvent assurer qu'une précision de 10 micromètres si on
ne veut pas augmenter de manière inconsidérée le coût de réalisation de ces
pièces. On s'aperçoit alors que même si on assemble les pièces de
l'actionneur avec le plus grand soin, à la mise en route de l'accéléromètre,
en
l'absence de mouvement, la masse 2 n'est pas en position de « zéro
électrique », que l'actionneur n'est pas en position de « zéro mécanique »
même si l'élément polaire mobile 14 est en position de « zéro magnétique ».
La qualité des mesures effectuées s'en ressent.
Pour s'affranchir des problèmes de dimensionnement des pièces
de l'actionneur et pour faciliter leur montage et leur positionnement, la
~ 5 présente invention propose d'inclure dans l'actionneur un élément polaire
d'ajustement de la position de l'élément polaire mobile par rapport à celle de
l'élément statorique fixe. On peut alors effectuer une opération d'ajustement
avant de faire travailler l'actionneur électromagnétique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un actionneur
2o électromagnétique destiné à déplacer un organe extérieur, comprenant un
élément statorique fixe associé à un élément polaire mobile solidarisable à
l'organe extérieur, l'élément statorique fixe et l'élément polaire mobile
formant un circuit magnétique et définissant entre eux au moins deux
entrefers, un aimant contribuant à créer des lignes de champ magnétique
25 dans le circuit magnétique, une bobine pour commander par des
phénomènes d'induction électromagnétique le déplacement de l'élément
polaire mobile, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un élément polaire
d'ajustement qui coopère avec l'élément statorique fixe pour mettre l'élément
polaire mobile dans une position ajustée par rapport à celle de l'élément
3o statorique fixe en déviant les lignes de champ magnétique.
L'élément polaire d'ajustement est insérable dans une ouverture
de l'élément statorique fixe, l'enfoncement de l'élément polaire d'ajustement
provoquant un déplacement de l'élément polaire mobile, depuis une position
initiale donnée vers la position ajustée détectée par un capteur de position,
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
dans la position initiale l'élément polaire mobile étant plus proche de
l'ouverture que dans la position ajustée.
On donnera de préférence à l'élément polaire d'ajustement la -
forme d'une cheville.
5 Afin de garder l'élément polaire d'ajustement en place après
l'ajustement, il peut comporter une portion striée longitudinalement qui
coopère avec l'ouverture dont le bord est lisse.
Afin de manipuler de manière relativement aisée l'élément polaire
d'ajustement, la portion striée peut être suivie d'une portion conique, elle-
même suivie d'une portion active qui pénètre la première dans l'ouverture, la
portion active étant de diamètre inférieur à celle de la portion striée.
On pourra réaliser l'élément polaire d'ajustement à base d'un
matériau ferromagnétique doux tel qu'un alliage fer-nickel.
On pourra utiliser une vis différentielle pour l'insertion de l'élément
polaire d'ajustement dans l'ouverture, elle permet un enfoncement lent et
régulier dans l'ouverture.
II est avantageux que le capteur de position détecte la position de
l'organe extérieur solidarisé à l'élément polaire mobile et donc donne la
position de l'élément polaire mobile, il peut être utilisé lors de
l'ajustement
2o mais aussi lorsque l'actionneur fonctionne. w
On associe un système d'asservissement de la position de
l'élément polaire mobile au capteur de position, ce système fournissant un
courant d'asservissement à la bobine.
L'invention concerne également un accéléromètre
25 électromagnétique comportant une masse mobile suspendue à un cadre
périphérique et associée à des jauges de contraintes et qui intègre un
actionneur électromagnétique sus mentionné et dans lequel l'organe
extérieur est la masse mobile, le capteur de position les jauges de
contraintes, l'élément polaire statorique fixe étant fixé au cadre
périphérique.
3o Dans la position ajustée de l'élément polaire mobile, la masse
mobile et le cadre périphérique sont sensiblement dans un même plan.
La présente invention concerne aussi un procédé d'ajustement de
la position d'un élément polaire mobile d'un actionneur électromagnétique,
l'actionneur électromagnétique comportant un élément statorique fixe
35 associé à l'élément polaire mobile, l'élément statorique fixe et l'élément
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
6
polaire mobile formant un circuit magnétique et définissant entre eux au
moins deux entrefers, un aimant contribuant à créer des lignes de champ
magnétique dans le circuit magnétique, une bobine pour commander par des -
phénomènes d'induction électromagnétique un déplacement de l'élément
polaire mobile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
- placement de l'élément polaire mobile dans une position initiale
par rapport à l'élément statorique fixe,
- orientation de l'actionneur électromagnétique de manière à ce
qu'un déplacement de l'élément polaire mobile puisse se faire sensiblement
perpendiculairement à la pesanteur,
- insertion dans une ouverture de l'élément statorique fixe d'un
élément polaire d'ajustement de la position de l'élément polaire mobile par
rapport à celle de l'élément statorique fixe, cette insertion en déviant les
lignes de champ magnétique provoquant un déplacement de l'élément
polaire mobile, jusqu'à ce que l'élément polaire mobile ait atteint la
position
ajustée recherchée, cette position étant détectée par un capteur de position,
l'élément polaire mobile étant, dans la position initiale, plus rapproché de
l'ouverture que dans la position ajustée recherchée.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va
2o suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi
lesquelles
- la figure 1 (déjà décrite) illustre de manière schématique un
exemple d'accéléromètre intégrant un actionneur électromagnétique de type
connu;
- les figures 2a, 2b des coupes transversales d'un exemple
d'accéléromètre intégrant un actionneur électromagnétique selon l'invention
dans lequel l'élément polaire mobile est respectivement dans sa position
initiale et dans sa position ajustée recherchée ;
- la figure 3 une vue en trois dimensions d'un accéléromètre selon
3o l'invention dans laquelle un secteur a été ôté ;
- les figures 4a, 4b des vues en coupe longitudinale et
transversale d'un élément polaire d'ajustement de la position d'un élément
polaire mobile d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention.
Les figures 2a, 2b montrent, en coupe transversale, un exemple
d'actionneur électromagnétique selon l'invention, respectivement avant et
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
7
Les figures 2a, 2b montrent, en coupe transversale, un exemple
d'actionneur électromagnétique selon l'invention, respectivement avant et
après, l'ajustement de la position de son élément polaire mobile. La figure 3
est une vue en trois dimensions du même actionneur avec un secteur ôté.
Cet actionneur est comparable à celui de la figure 1 qui illustre
l'art antérieur mais les figures 2 sont moins schématiques. On distingue
l'élément statorique fixe 12, assemblé au cadre périphérique 3 dans
l'application accéléromètre et couplé à l'aimant 5, la bobine 6 et l'élément
polaire mobile 14 définissant avec l'élément statorique fixe 12 au moins deux
entrefers 51. Dans cet exemple, l'élément statorique fixe 12 est en forme
d'enceinte de révolution d'axe YY' mais d'autres configurations sont
envisageables notamment l'élément statorique fixe pourrait être plat. La
bobine 6 est maintenue dans l'enceinte 12 par une cale 60 amagnétique. La
bobine est reliée à des contacts 61 permettant son alimentation électrique.
~ 5 Le système d'asservissement n'est pas représenté complètement comme à
la figure 1 mais on voit les jauges de contraintes 82, 83 sur les bras qui
maintiennent la masse 2.
L'aimant 5 permanent annulaire est placé, dans l'exemple, dans le
diamètre intérieur de la bobine 6. L'inverse serait possible. L'aimant 5 est
2o maintenu dans l'enceinte 12 à l'aide d'une cale amagnétique 50.
L'élément polaire mobile 14 qui est réalisé par une pièce en
matériau magnétique doux, est lui dans le diamètre intérieur de l'aimant 5. II
peut se déplacer selon l'axe YY'. Les entrefers 51 sont disposés de part et
d'autre du plan médian de l'aimant 5 sensiblement perpendiculairement à
25 l'axe YY'.
L'élément statorique fixe 12 présente deux ouvertures 121, 122
dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe YY'. La première 121
située dans l'exemple à la base de l'élément statorique fixe 12, du côté du
cadre périphérique 3, permet la fixation de l'élément polaire mobile 14 à la
3o masse mobile 2 par l'intermédiaire d'une pièce intermédiaire 140
amagnétique qui peut être en verre par exemple. Une des faces de cette
pièce intermédiaire 140 peut être collée à la masse mobile 2 et la face
opposée est fixée à l'élément polaire mobile 14. Lors du déplacement de la
masse mobile 2, la pièce intermédiaire 140 se déplace en translation à
35 travers la première ouverture 121.
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
8
La seconde ouverture 122 située dans l'exemple, au sommet de
l'élément statorique fixe 12, permet l'introduction d'un élément polaire
d'ajustement 15 de la position de l'élément polaire mobile 14 par rapport à -
celle de l'élément statorique fixe 12. Cet élément polaire d'ajustement 15 est
introduit dans le circuit magnétique formé par l'élément statorique fixe 12 et
l'élément polaire mobile 14.
L'introduction de l'élément polaire d'ajustement 15 dans l'enceinte
par l'ouverture 122 a pour effet de dévier les lignes de champ magnétique,
dues notamment à l'aimant 5, et qui s'établissent dans le circuit magnétique
en traversant les entrefers 51.
L'introduction de l'élément polaire d'ajustement 15 a donc comme
action de déplacer électromagnétiquement l'élément polaire mobile 14 par
rapport à l'élément statorique 12 fixe.
Sur la figure 2a, l'actionneur selon l'invention associé à une masse
~ 5 2 à déplacer est à un stade d'avant ajustement. L'actionneur
électromagnétique a été monté en ayant pris soin de placer son élément
polaire 14 mobile, dans une position initiale à une distance d1 de la seconde
ouverture 122. L'élément polaire d'ajustement 15 n'est pas introduit dans la
seconde ouverture 122. Dans cette position initiale, l'élément polaire 14
2o mobile est plus proche de la seconde ouverture 122 que lorsqu'il est dans
une position ajustée recherchée représentée à la figure 2b. Lorsque
l'élément polaire mobile 14 est dans cette position initiale, la masse 2
qu'elle
est destinée à déplacer n'est pas dans sa position de référence et les jauges
de contraintes 82, 83 sont sollicitées.
25 L'ajustement de la position de l'élément polaire mobile 14 par
rapport à celle de l'élément statorique fixe 12 peut s'effectuer en mettant
l'actionneur électromagnétique sous tension et en enfonçant l'élément polaire
d'ajustement 15 dans l'ouverture 122. Ces actions ont pour effet de déplacer
électromagnétiquement l'élément polaire 14 mobile en l'éloignant de
30 l'ouverture 122. On arrête d'enfoncer l'élément polaire d'ajustement 15
dans
l'ouverture 122 lorsque l'élément polaire mobile 14 a atteint la position
ajustée recherchée, cette position ayant été détectée par les moyens de
détection de sa position 82, 83.
La figure 2b illustre l'actionneur selon l'invention avec son élément
35 polaire mobile 14 dans sa position ajustée recherchée. II est maintenant
situé
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
9
à une distance d2 de l'ouverture 122 pour l'élément polaire d'ajustement 15.
La distance d2 est supérieure à la distance d1. Dans l'application
accéléromètre décrite, lorsque l'élément polaire mobile 14 est dans la _ ,
position ajustée recherchée, la position de la masse 2 correspond à un "zéro
électrique", l'élément polaire mobile 14 est dans une position de "zéro
mécanique" par rapport à l'élément statorique fixe 12 et dans la position de
"zéro magnétique" quelles que soient les tolérances des pièces entrant dans
la composition de l'actionneur. L'élément polaire d'ajustement 15 contribue à
ce que l'élément polaire mobile 14 soit dans sa position de "zéro
magnétique". .
Sur la figure 3, l'actionneur selon l'invention donné en exemple est
vu en trois dimensions et un secteur a été ôté ce qui permet d'apercevoir
l'élément polaire mobile 14, la bobine 6, l'aimant 5 et l'élément polaire
d'ajustement 15 à l'intérieur de l'élément statorique fixe 12 formant
enceinte.
~ 5 L'élément polaire d'ajustement 15 est en forme de cheville. On suppose que
l'ajustement vient d'ëtre réalisé et que l'élément polaire mobile est en
position
ajustée recherchée.
De préférence l'ouverture 122 pour l'élément polaire 15
d'ajustement a des parois lisses et l'élément polaire d'ajustement 15
2o comporte une portion 15.1 striée longitudinalement.
Le diamètre de la cheville 15 au fond des stries est. sensiblement
le même que celui de l'ouverture 122. Lors de l'enfoncement de la cheville 15
dans l'ouverture 122 une certaine résistance apparaît et cette résistance
permet notamment de garder la cheville en place après l'ajustement. Les
25 dimensions de tels actionneurs ne dépassent pas les dix centimétres cubes
et ces dimensions imposent un élément polaire 15 d'ajustement avec une
partie active magnétiquement qui pénètre dans l'ouverture 122 ayant un
diamètre inférieur au millimètre et une longueur de l'ordre du millimètre.
Pour
que cette cheville puisse être manipulée relativement aisément et qu'elle
3o possède une tenue mécanique satisfaisante lors de l'enfoncement, on
configurera cette cheville avec plusieurs portions consécutives 15.1, 15.2,
15.3 dont la portion striée 15.1 d'un côté, la portion magnétiquement active
15.3, de plus petit diamètre, de l'autre, et entre les deux portions une
portion
conique 15.2. Les figures 4a, 4b illustrent une telle cheville.
CA 02358209 2001-06-26
WO 00/41189 PCT/FR99/03238
On pourra utiliser pour faciliter l'enfoncement de la cheville 15
dans l'ouverture 122, une vis différentielle 16 engendrant une translation de
la cheville 15 de l'ordre de quelques micromètres par tour, typiquement 5 -
micromètres par tour. On pourra choisir pour l'élément polaire 15
5 d'ajustement un matériau ferromagnétique doux tel qu'un alliage fer nickel
notamment celui connu sous la dénomination SUPRANHUSTER 50 de la
Société IMPHY SA.
Lors de la recherche de la position ajustée de l'élément polaire
mobile 14 conduisant, dans l'exemple de l'accéléromètre, à la position de
"zéro électrique" référence de la masse mobile 2, il est préférable de n'avoir
qu'à enfoncer l'élément polaire d'ajustement 15 dans l'enceinte 12 et de ne
pas avoir à l'en extraire, car l'extraction est mécaniquement plus difficile
compte tenu des dimensions mises en jeu. C'est pourquoi, lors de
l'assemblage de l'élément polaire mobile 14, on le place dans l'enceinte 12
~ 5 au coeur de l'aimant 5 plus près de l'ouverture 122 pour l'élément polaire
de
réglage 15 que lorsqu'il a atteint sa position ajustée. Cette position
correspond à la position initiale avant l'ajustement de sa position.
Dans l'application accéléromètre, lorsque l'élément polaire mobile
14 est dans sa position ajustée, l'élément intermédiaire 140 assurant la
liaison entre l'élément polaire mobile 14 et la masse 2 a sa face reliée à la
masse 2 dans le même plan que la face extérieure de l'élément statorique
fixe 12 qui possède la première ouverture 121. L'accéléromètre est prêt à
fonctionner et l'actionneur peut alors être utilisé dans un mode de travail.
La présente invention concerne aussi un procédé d'ajustement de
la position de l'élément polaire mobile d'un actionneur électromagnétique par
rapport à celle de son élément statorique fixe.
On procède de la manière suivante. On donne à l'élément polaire
mobile une position initiale par rapport à celle de l'élément statorique fixe
et
dans cette position initiale, il est plus proche de l'ouverture pour l'élément
3o polaire d'ajustement que dans la position ajustée recherchée. Dans
l'application accéléromètre, on le solidarise avec la masse à déplacer et l'on
fixe l'élément statorique fixe au cadre périphérique. La masse ne doit pas
être sollicitée de l'extérieur pendant l'ajustement. On est bien dans un mode
hors travail.
