Actionneur à entrainement direct pour serrure mécatronique Jean-Daniel ALZINGRE To cite this version: Jean-Daniel ALZINGRE. Actionneur à entrainement direct pour serrure mécatronique. Symposium de Génie Électrique 2014, Jul 2014, Cachan, France. <hal-01065388> HAL Id: hal-01065388 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01065388 Submitted on 18 Sep 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
8-9 juillet 2014, Cachan Actionneur à entrainement direct pour serrure mécatronique Jean-Daniel ALZINGRE MOVING MAGNET TECHNOLOGIES SA 1 rue Christiaan Huygens - 25000 BESANCON RESUME Nous exposons ci-après comment a été résolu le problème de maintien en position du mobile d un actionneur électromagnétique à entrainement direct face à des chocs de haute intensité. Le contexte est celui des serrures mécatroniques, soumises à des tentatives d effraction. Un prototype et des mesures étayent la théorie présentée. MOTS-CLES serrure, chocs, consommation, stabilité, filtre. 1. Spécifications et aperçu de l état de l art De nos jours, le besoin en contrôle d accès aux biens et aux lieux est de plus en plus important. En effet, on ne souhaite plus seulement autoriser ou non un accès, mais aussi moduler cet accès en fonction de plages horaires ou encore d autorisations délivrées ou non à une personne. De ce fait, ont été développées des serrures électromécaniques permettant de prendre la place de serrures de formats traditionnels. Ces serrures ont une construction proche des serrures mécaniques traditionnelles avec notamment une clé qui bouge un pêne. La différence est que le lien mécanique entre la clé et le pêne n incombe pas (ou pas seulement) aux goupilles et pistons des serrures mécaniques, mais à un dispositif de couplage actionné électriquement. Les trois caractéristiques essentielles de ces dispositifs électromécaniques sont, dans l ordre d importance: Un faible encombrement compatible avec celui d une serrure traditionnelle, une stabilité sans courant pour maintenir la serrure fermée, une consommation restreinte pour fonctionner avec une batterie. Par stabilité sans courant, il est entendu que le dispositif électromécanique doit être insensible aux attaques portées sur la serrure, même si celle-ci n est plus alimentée. Elles peuvent être de plusieurs natures, mais pour ce qui nous concerne les chocs ainsi que les perturbations magnétiques sont les plus préoccupants. Depuis des années, les principales entreprises du domaine de la serrure proposent des solutions mécatroniques reposant sur l emploi d un moteur à courant continu miniature. Ce qui est en aval du moteur peut être bien différent. En effet, on trouve chez certains le moteur relié à un mécanisme de réduction du mouvement pour le rendre insensible aux chocs, mais au prix d une consommation d énergie élevée (typiquement une centaine de mj). Alors que chez d autres, le moteur n est employé que sur quelques dizaines de degrés (consommation réduite à quelques mj), mais il est alors associé à d autres éléments (serrure mécanique traditionnelle) pour assurer le maintien de la position fermée. Dans les deux cas, cela résulte en un assemblage complexe et critiqué pour la mauvaise fiabilité du moteur à commutations mécaniques potentiellement exposé aux aléas climatiques et à de longues périodes d inactivité. 2. Présentation de l actionneur pour serrure MMT 2.1 Analyse de la problématique et solutions proposées par MMT Comme mentionné précédemment, la fonction qui incombe à l actionneur est de déplacer un élément de couplage. Ce déplacement a une course finie. Une consommation minimale étant recherchée pour que le dispositif puisse fonctionner avec une grande autonomie sur une batterie, nous choisissons un actionneur rapide à entrainement direct et monophasé (pour ne pas avoir de commutation). Ce choix est renforcé par le faible encombrement disponible ainsi que par la meilleure fiabilité inhérente au faible nombre de pièces de tels actionneurs. La tenue d une position face aux chocs est le point le plus complexe d un actionneur en direct, car il ne peut pas bénéficier de l irréversibilité d un mécanisme. Nous avons retenu une topologie d actionneur rotatif car par nature elle
est moins sensible aux accélérations linéaires causées par les coups de masse ou de marteau frappés sur la serrure. Il a été observé que l onde de choc se propage à l ensemble des pièces de la serrure si bien que chaque pièce en contact mécanique rigide avec une autre pièce se trouve expulsée, et ce même avec des forces de liaison importantes. Différents essais nous ont amenés à envisager un découplage mécanique maximum entre le rotor de notre actionneur et les pièces environnantes. Le seul contact ne pouvant être supprimé étant au niveau de l axe de guidage, le rotor de l actionneur est construit parfaitement équilibré autour de cet axe comme c est l usage, afin qu une accélération radiale de l axe ne résulte pas en un couple de rotation au rotor. Du fait que les liaisons mécaniques rigides du rotor avec le bâti sont bannies en dehors de l axe, le rotor est maintenu dans sa position de sécurité (position serrure verrouillée) par une liaison non rigide, s apparentant à une raideur. Elle pourrait être réalisée par un ressort, mais nous avons choisi d assurer cette stabilité magnétiquement et donc dimensionné l actionneur rotatif de manière à ce que son couple sans courant présente une raideur autour de la position de sécurité. En construisant l actionneur de la sorte, nous filtrons l onde de choc. Pour se prémunir des attaques magnétiques (effraction en employant un aimant contre la serrure), un blindage ferromagnétique est disposé autour de l actionneur. Piston Levier Stator bobiné Serrure Pêne Liaison non-rigide Gâche -Le levier est libéré sous l action du stator bobiné libérant le pêne et autorisant le mouvement. -Le levier est bloqué et maintenu en position verticale par une liaison nonrigide (filtre) avec le stator. Il bloque le pêne via le piston. -Sous un choc extérieur, le levier, dont le centre de gravité passe par l axe de rotation et grâce à la liaison mécanique non-rigide, reste en position. La serrure reste inviolée Figure 1 : vue de principe de la solution MMT de filtrage des vibrations et son blindage pêne piston levier aimant stator Figure 2 : séquence de fonctionnement de la solution MMT 2.2 Présentation du démonstrateur MMT 2.2.1 Topologie d actionneur choisie Sur notre démonstrateur, nous souhaitions effectuer une course de 45 avec le rotor, depuis sa position stable de sécurité. L actionneur devait être construit le plus simplement possible, aussi a-t-il été choisi une structure plane, pouvant être réalisée à partir de tôles empilées. La structure de base de l actionneur retenu est exposée par exemple dans le brevet FR2688105.
2.2.2 Modelage du couple sans courant Figure 3 : vue de l actionneur libre de droit, du brevet FR2688105 Sur cette base d actionneur, nous avons modifié le profil des dents du stator, de manière à créer deux positions stables sans courant distantes de 45. L une des positions stables étant une raideur magnéto-statique (0 = position de sécurité) et la seconde un couple magnétostatique forçant le rotor en appui contre une butée physique (à 45 = position serrure ouverte). Le profil de couple recherché est représenté ci-dessous : Figure 4 : besoin en couple et structure d actionneur retenue 2.3 Résultats du démonstrateur MMT Le prototype d actionneur a été intégré à un canon de serrure de format européen. Différents tests de chocs ont été passés avec succès. La transition de la position verrouillée à déverrouillée (et vice versa) s effectue en 10ms par la décharge d une capacité dans la bobine de l actionneur, avec une énergie de 3,8mJ.
3. Conclusion Figure 5 : vues CAO du prototype, mesures de couple et de temps de parcours Dans cet article, MMT a présenté son analyse de la problématique des actionneurs implantés dans les serrures mécatroniques et la solution imaginée pour résister aux tentatives d effractions par chocs. L article a notamment montré comment créer une forte raideur magnétostatique, gage d une excellente stabilité de position et d une sécurité accrue de la serrure. 4. Références [1] Brevet FR2688105 «Monophase electromagnetic actuator with a movement between 60 and 120 degrees», MOVING MAGNET TECHNOLOGIES SA.