[0001] La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique destiné à être
utilisé dans un appareil électrique interrupteur, en particulier dans un appareil
de type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur.
[0002] Ces appareils électriques interrupteurs servent habituellement à commuter le circuit
d'alimentation d'une charge ou d'un récepteur électrique, par exemple un moteur électrique,
raccordé en aval de l'appareil. Pour cela, l'appareil interrupteur comporte des contacts
fixes coopérant avec des contacts mobiles et un actionneur électromagnétique qui déplace
les contacts mobiles entre une position fermée dans laquelle ils sont plaqués contre
les contacts fixes pour faire circuler le courant d'alimentation dans la charge électrique,
et une position ouverte dans laquelle ils sont séparés des contacts fixes, coupant
ainsi l'alimentation de la charge.
[0003] Les actionneurs peuvent utiliser divers types de systèmes d'actionnement basés sur
différentes propriétés magnétiques et/ou électromagnétiques. Par exemple, un système
reluctant de type électroaimant est un système d'actionnement fréquemment utilisé
dans des contacteurs. Il comporte une bobine d'excitation fixe parcourue par un courant
électrique de commande et un circuit ferromagnétique à inductance variable comprenant
une partie fixe et une partie mobile. Il peut par ailleurs être polarisé par l'adjonction
d'un aimant permanent.
[0004] Un système reluctant génère principalement une force magnétique qui résulte de la
variation de réluctance due à la variation de l'épaisseur de l'entrefer du circuit
magnétique entre les positions ouverte et fermée. Cette force est inversement proportionnelle
à l'épaisseur de l'entrefer magnétique. En position fermée, quand l'épaisseur de l'entrefer
est minimale, l'effort moteur généré est donc maximal. Un faible courant de maintien
dans la bobine est alors suffisant pour s'opposer à l'effort résistant des moyens
de rappel (tels que des ressorts de rappel et des ressorts de pression de contacts)
et maintenir le système en position fermée avec une pression de contact suffisante.
Néanmoins, un système reluctant n'est capable de fournir cet effort moteur important
que sur une très faible course, généralement inférieure à quelques millimètres.
[0005] En effet, en position ouverte, l'épaisseur de l'entrefer du circuit magnétique est
maximale. Pour démarrer la course de fermeture amenant les contacts mobiles de la
position ouverte vers la position fermée, un fort courant d'appel dans la bobine est
donc nécessaire pour créer un effort moteur suffisant capable d'attirer la partie
mobile du circuit magnétique. Cela peut conduire alors à sur-dimensionner l'ensemble
du système (circuit magnétique et bobine) par rapport à ce besoin d'un fort courant
d'appel dans la bobine.
[0006] Il existe déjà certaines solutions qui permettent de réduire la consommation électrique
d'un électroaimant, en différenciant les étapes d'appel et de maintien. On peut par
exemple appliquer un courant d'appel différent du courant de maintien, grâce à des
résistances adjointes ou non dans le circuit électrique de commande de la bobine.
On peut également utiliser une ou deux bobines pour faire varier le nombre d'ampères-tours
suivant les étapes. Néanmoins, ces systèmes ne permettent pas de gain significatif
en compacité et offrent peu de possibilité de réglage; ils n'offrent en particulier
pas de possibilité de contrôle de la vitesse, de la course ou de l'effort de l'actionneur.
[0007] Un système d'actionnement électromécanique à bobine mobile, appelé aussi système
électrodynamique, se caractérise par un circuit ferromagnétique fixe, un ensemble
aimanté fixe et une bobine mobile. Dans ce cas, la force magnétique est principalement
une force de Laplace qui résulte de la variation de l'inductance mutuelle entre l'ensemble
aimanté et la bobine. Elle est proportionnelle au courant bobine et à l'induction
magnétique générée par l'ensemble aimanté. Un tel système fournit donc un effort moteur
ayant une bonne linéarité tout au long de la course entre les positions ouverte et
fermée, pour un flux magnétique et un courant bobine donné.
[0008] Inversement, ce système ne permet pas de fournir un effort moteur supplémentaire
important au voisinage de la position fermée pour garantir une bonne pression de contact
des contacts mobiles sur les contacts fixes de l'appareil interrupteur. Il faut alors
augmenter fortement le courant bobine en position fermée, entraînant une consommation
électrique importante ainsi que d'éventuels problèmes thermiques.
[0009] Il existe aussi des systèmes d'actionnement électromécaniques à aimant mobile possédant
un circuit ferromagnétique fixe, une bobine fixe et un ensemble aimanté mobile. Dans
ce type de système, il faut en permanence assurer un bon guidage de l'aimant mobile
ce qui peut générer des frottements importants.
[0010] L'invention se propose donc d'améliorer les dispositifs existants en associant dans
un même actionneur un système reluctant de type électroaimant avec un système à bobine
mobile, de façon à combiner les avantages de ces deux technologies. Cela permettra
en particulier d'améliorer la dynamique du mouvement de fermeture d'un électroaimant
grâce à l'action d'un système à bobine mobile. Réciproquement, cela permettra également
d'améliorer la pression de contact des contacts mobiles d'un système à bobine mobile
grâce à l'action d'un électroaimant.
[0011] C'est pourquoi l'invention décrit un actionneur électromagnétique pour appareil électrique
interrupteur comprenant une culasse ferromagnétique fixe, un ensemble aimanté fixe
et une bobine mobile selon un axe de déplacement sous l'action de l'ensemble aimanté
lorsqu'un courant électrique de commande traverse la bobine. L'actionneur comprend
un élément ferromagnétique mobile qui est mécaniquement lié avec la bobine et qui
comporte au moins une surface d'entrefer pour former un entrefer magnétique d'épaisseur
variable avec au moins une surface d'entrefer correspondante de la culasse fixe.
[0012] Selon une caractéristique, la culasse fixe comprend deux flancs latéraux et un noyau
central fixe et l'ensemble aimanté est composé de deux aimants fixés aux flancs latéraux
symétriquement par rapport à l'axe de déplacement de la bobine.
[0013] Selon une autre caractéristique, l'actionneur comporte un entrefer magnétique résiduel
d'épaisseur sensiblement constante formé par une surface d'entrefer de l'élément mobile
parallèle à l'axe de déplacement de la bobine et une surface d'entrefer correspondante
de la culasse fixe.
[0014] Selon une autre caractéristique, l'actionneur comporte des moyens de régulation du
courant électrique de commande pour piloter l'effort appliqué à la bobine mobile.
[0015] L'invention concerne aussi un appareil électrique interrupteur comportant un ou plusieurs
contacts fixes coopérant avec un ou plusieurs contacts mobiles pour commuter l'alimentation
d'une charge électrique connectée en aval de l'appareil et comportant au moins un
tel actionneur électromagnétique pour actionner le ou les contacts mobiles.
[0016] Grâce à l'invention, le profil de la courbe de l'effort moteur de l'actionneur est
beaucoup plus adaptée au profil de la courbe de l'effort résistant des contacts mobiles
dans un appareil de type contacteur. En effet, le système à bobine mobile fournit
l'effort moteur nécessaire pendant la course d'approche des contacts mobiles et l'électroaimant
fournit l'effort moteur supplémentaire nécessaire en fin de course pour plaquer et
maintenir les contacts mobiles contre les contacts fixes. La solution proposée est
simple, facile à mettre en oeuvre et permet d'optimiser les performances, les dimensions
et la consommation par rapport à un actionneur existant pour des caractéristiques
données d'un appareil.
[0017] D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée
qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté
par les dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente une coupe longitudinale simplifiée d'un premier mode de réalisation
d'un actionneur conforme à l'invention et en position ouverte,
- la figure 2 montre l'exemple de la figure 1 en position fermée,
- les figures 3 & 4 schématisent deux variantes de la figure 1,
- la figure 5 représente une coupe longitudinale simplifiée d'un second mode de réalisation
d'un actionneur en position ouverte,
- la figure 6 montre l'exemple de la figure 5 en position fermée,
- la figure 7 schématise une variante de la figure 6.
[0018] En référence au premier mode de réalisation correspondant aux figures 1 & 2, un actionneur
d'un appareil électrique interrupteur comporte une culasse fixe 10 en matériau ferromagnétique
qui présente une forme de U avec deux flancs latéraux 12,13 et une base 14, ainsi
qu'un noyau central 15 qui s'appuie sur la base 14. Le noyau central 15 est entouré
totalement ou partiellement par une bobine d'excitation 30 qui est mobile en translation
suivant un axe de déplacement longitudinal X lorsqu'elle est traversée par un courant
électrique de commande.
[0019] L'actionneur comporte un élément ferromagnétique mobile, constitué par une palette
mobile 20 dans les figures 1 & 2, qui est mécaniquement lié à la bobine 30 par des
moyens de liaison 35. Divers moyens de liaison classiques non détaillés ici peuvent
facilement être utilisés pour solidariser la palette mobile 20 avec la bobine mobile
30. Le ou les contacts mobiles de l'appareil sont couplés avec cet agencement mobile
"bobine + palette". La palette 20 et la bobine 30 se déplacent donc suivant l'axe
longitudinal X entre une position ouverte et une position fermée dans le but d'actionner
des contacts mobiles de l'appareil interrupteur.
[0020] L'actionneur comporte également un ensemble aimanté qui est composé de deux aimants
32,33 fixés sur la paroi interne des flancs latéraux 12, respectivement 13, de façon
symétrique par rapport à l'axe longitudinal X de la bobine. Les axes d'aimantation
des aimants 32,33 sont perpendiculaires et symétriques par rapport à l'axe X, et ils
sont indifféremment dirigés soit vers l'axe X, soit à l'opposé de l'axe X.
[0021] Le circuit magnétique de l'actionneur comprend donc une partie fixe composée de la
culasse fixe 10 et une partie mobile composée de la palette mobile 20. Dans ce premier
mode de réalisation, le circuit est constitué de deux moitiés symétriques par rapport
à l'axe X qui génèrent un flux magnétique B2 lorsqu'un courant circule dans la bobine
30.
[0022] Chaque moitié de circuit magnétique possède un entrefer magnétique d'épaisseur variable
E1 qui est formé entre la surface de l'extrémité des flancs latéraux 12,13 et les
surfaces d'entrefer correspondantes de la palette 20 situées en regard de l'extrémité
des flancs 12,13. Chaque moitié du circuit magnétique possède également un entrefer
magnétique résiduel d'épaisseur sensiblement constante E2 formé entre le noyau central
15 et la palette 20 par des surfaces parallèles à l'axe X et en vis-à-vis l'une de
l'autre. Cet entrefer résiduel permet de ne pas saturer le circuit magnétique en positon
fermée.
[0023] L'entrefer global de chaque moitié du circuit magnétique est donc égal à E1 + E2
en position ouverte et égal à E2 en position fermée, si la palette 20 est plaquée
contre les flancs 12,13 en position fermée. Le chemin du flux magnétique B2 est le
suivant (voir figure 2) : noyau central 15, base 14, flancs 12,13, entrefers E1 entre
les flancs 12,13 et la palette 20, entrefers E2 et noyau central 15. Le flux B2 engendre
une force d'attraction F
A qui s'applique sur la palette mobile 20 de façon à faire diminuer l'entrefer E1.
[0024] De plus, chaque aimant 32,33 crée un flux magnétique B1 (voir figure 1) qui traverse
la bobine 30, le noyau central 15, la base 14 et les flancs 12,13 avant de se reboucler
dans les aimants 32,33. Etant donné l'axe d'aimantation des aimants 32,33, le flux
B1 traverse la bobine 30 de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal
X. Ainsi, lorsqu'un courant de commande traverse la bobine 30, il se crée alors une
force de Laplace F
L qui tend à faire déplacer la bobine suivant l'axe X. Cette force F
L est proportionnelle notamment au courant de commande et ne dépend pas de la position
de la bobine 30, ce qui entraîne un déplacement régulier de la bobine. Cet effort
peut de plus être facilement piloté et régulé en faisant varier le sens et l'intensité
du courant de commande.
[0025] Lorsque l'actionneur est en position ouverte (figure 1) et qu'un courant de commande
circule dans la bobine 30, il se crée une force F
L qui entraîne la bobine 30 dans son mouvement de fermeture. Par contre, l'épaisseur
de l'entrefer E1 étant maximale, la force d'attraction F
A créée par le flux B2 sur la palette 20 est minimale puisque inversement proportionnelle
à l'épaisseur de l'entrefer du circuit magnétique. Le démarrage du mouvement de fermeture
de l'agencement mobile "bobine + palette" est donc principalement provoqué par la
force F
L.
[0026] Au fur et à mesure que la bobine 30 va se rapprocher de la position fermée en entraînant
la palette mobile 20 grâce aux moyens de liaison 35, l'entrefer E1 va diminuer et
la force F
A va alors augmenter. Lorsque l'actionneur est en position fermée (figure 2), l'entrefer
global du circuit magnétique est au minimum et la force F
A appliquée à la palette 20 est maximale et vient s'ajouter à la force F
L appliquée à la bobine 30.
[0027] Grâce à ce dispositif, on combine ainsi très simplement un actionneur à bobine mobile,
par exemple de type Voice-coil, capable de fournir un mouvement régulier sur toute
la course de la bobine avec un actionneur de type électroaimant, capable de fournir
un effort supplémentaire important au voisinage de la position fermée. Il n'est donc
plus nécessaire de fournir dans la bobine soit un courant de maintien important en
position fermée pour garantir une pression de contact satisfaisante comme avec un
simple actionneur à bobine mobile, soit un courant d'appel important en position ouverte
pour démarrer le mouvement de fermeture de la palette mobile comme avec un simple
électroaimant.
[0028] La valeur E1 de l'entrefer magnétique variable est par exemple choisie pour que la
force F
A intervienne notablement durant la course de fermeture avant que les contacts mobiles
de l'appareil n'entrent en contact avec les contacts fixes. Ceci permet de vaincre
efficacement l'augmentation de l'effort résistant survenant à cet instant et de pouvoir
appliquer ensuite aux contacts mobiles une pression de contact suffisante, par rapport
aux caractéristiques voulues de l'appareil. La valeur E2 de l'entrefer résiduel est
choisie pour minimiser la saturation du circuit magnétique en position fermée.
[0029] Pour effectuer le mouvement d'ouverture (position fermée vers position ouverte),
l'actionneur peut comporter des moyens de rappel connus (tels qu'un ressort de rappel
non représenté sur les figures) et peut en plus envoyer un courant de commande inverse
dans la bobine pour mieux piloter ce mouvement (par exemple pour l'accélérer).
[0030] La figure 3 montre une première variante du premier mode de réalisation de l'actionneur,
en position ouverte. Dans cette variante, en remplacement de la palette 20, la partie
mobile du circuit magnétique est désormais composée d'un noyau mobile 21 en matériau
ferromagnétique qui est mécaniquement lié à la bobine mobile 30. La culasse fixe 10
du circuit magnétique comporte une base 14 portant un noyau central fixe 16 et deux
flancs latéraux 12,13 ainsi qu'une palette 18 fixe placée transversalement sur les
extrémités des flancs 12,13. La palette 18 comporte une ouverture centrale pour laisser
passer le noyau mobile 21. L'entrefer variable E1 du circuit magnétique est formé
entre la surface d'une extrémité du noyau mobile 21 et la surface d'une extrémité
correspondante du noyau central fixe 16. Préférentiellement, la bobine 30 entoure
alors l'entrefer variable E1. Un entrefer résiduel E2 du circuit magnétique est formé
entre le noyau mobile 21 et la palette 18 par leurs surfaces d'entrefer parallèles
à l'axe longitudinal X en vis-à-vis les unes des autres.
[0031] Par ailleurs, pour augmenter la taille des surfaces d'entrefer du noyau mobile 21
et du noyau fixe 16 et donc pour augmenter la force F
A, la figure 3 montre une extrémité du noyau mobile 21 dont la surface 29 n'est pas
perpendiculaire à l'axe de déplacement X, mais qui présente des formes inclinées non
orthogonales par rapport à l'axe X. Le noyau fixe 16 présente alors évidemment des
formes complémentaires à cette surface d'entrefer 29.
[0032] La figure 4 montre une seconde variante du premier mode de réalisation de l'actionneur,
en position fermée. Dans cette variante, la partie mobile du circuit magnétique est
désormais composée d'une palette mobile 22 pleine. Le noyau central 17 de la culasse
fixe 10 ne traverse plus la palette 22. L'entrefer du circuit magnétique est formé
entre les surfaces des extrémités des flancs latéraux 12,13 et du noyau central 17
avec des surfaces correspondantes de la palette 22. Pour maintenir un entrefer résiduel
en position fermée, des cales non magnétiques 23 peuvent par exemple être placés sur
les extrémités de la culasse 10.
[0033] Diverses autres variantes de structure de circuit magnétique pourraient également
permettre d'obtenir un actionneur conforme à l'invention.
[0034] La section transversale, c'est-à-dire selon un plan orthogonal à l'axe longitudinal
X, de la bobine 30 peut être soit de forme sensiblement circulaire permettant en particulier
d'alléger la structure de la bobine, soit de forme sensiblement rectangulaire permettant
notamment d'améliorer l'efficacité de l'effet Voice-coil.
[0035] Les figures 5 & 6 montrent un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce
mode, l'actionneur électromagnétique de l'appareil interrupteur ne comporte plus deux
moitiés de circuit magnétique de part et d'autre de l'axe longitudinal de déplacement
X mais une seule moitié. Le circuit magnétique comprend désormais une culasse fixe
40 et un élément mobile 45. Un entrefer magnétique d'épaisseur variable E1 est formé
entre une surface d'entrefer de l'élément mobile 45 et une surface correspondante
de la culasse 40. Dans l'exemple des figures 5 à 7, ces surfaces d'entrefer sont sensiblement
perpendiculaires à l'axe X. Un entrefer magnétique résiduel fixe est formé entre une
surface d'entrefer de l'élément mobile 45 parallèle à l'axe X et une surface en vis-à-vis
correspondante de la culasse 40.
[0036] L'ensemble aimanté fixe est composé d'un aimant 52 qui est placé contre la culasse
fixe 40 et dont l'axe d'aimantation est perpendiculaire à l'axe longitudinal X. Une
bobine 50 mobile en translation selon l'axe X est liée mécaniquement à l'élément mobile
45. La bobine 50 peut entourer l'entrefer variable E1 (figures 5 & 6) pour mieux utiliser
l'effet produit par la bobine, mais pourrait également entourer l'aimant 52 (figure
7). Le fonctionnement de cet actionneur est le même que précédemment. En position
ouverte (figure 5), le mouvement de la bobine 50 est obtenu principalement par une
force F
L généré par le flux B1 de l'aimant 52 quand un courant circule dans la bobine 50.
Au voisinage de la position fermée (figure 6), l'entrefer E1 diminuant provoque l'augmentation
d'une force magnétique F
A qui vient s'ajouter à la force F
L.
[0037] Avantageusement, l'actionneur peut également posséder des moyens de moyens de régulation
du courant électrique de commande permettant de piloter et réguler l'effort moteur
appliqué à la bobine mobile de manière à pouvoir contrôler la position et la vitesse
de la partie mobile de l'actionneur. Ces moyens de régulation peuvent être couplés
à des moyens de mesure du courant de puissance circulant dans les contacts de l'appareil
de façon à pouvoir effectuer la commutation des contacts à un moment prédéfini.
[0038] Par exemple, suite à la réception d'un ordre d'ouverture des contacts mobiles de
l'appareil, les moyens de régulation pourront choisir de temporiser le mouvement d'ouverture
jusqu'à ce que le courant circulant dans les contacts soit inférieur à un seuil prédéterminé
(commutation au zéro de courant). Un appareil interrupteur alimenté en courant alternatif
et comprenant un actionneur pour chaque pôle de puissance pourra ainsi actionner les
contacts mobiles de chaque pôle à des instants distincts.
[0039] Les moyens de régulation permettent également de ralentir la fin du mouvement de
fermeture (en envoyant éventuellement un courant de commande inversé dans la bobine)
afin de minimiser les risques de rebonds des contacts mobiles contre les contacts
fixes. D'autres fonctionnalités de régulation de la position et de la vitesse de l'agencement
"bobine mobile + élément mobile du circuit magnétique" sont évidemment possibles.
[0040] Enfin, s'il survient un défaut durant la course de fermeture, les moyens de régulation
peuvent permettre de revenir en arrière sans fermer les contacts en inversant le sens
du courant de commande dans la bobine, ce qui serait impossible avec un électroaimant
classique.
[0041] Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer
d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de
moyens équivalents.
1. Actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur comprenant une
culasse ferromagnétique fixe (10,40), un ensemble aimanté fixe (32,33,52) composé
d'un ou plusieurs aimants et une bobine mobile (30,50) selon un axe de déplacement
(X) sous l'action de l'ensemble aimanté (32,33,52) lorsqu'un courant électrique de
commande traverse la bobine (30,50),
caractérisé en ce que l'actionneur comprend :
- un élément ferromagnétique mobile (20,21,22,45) qui est mécaniquement lié avec la
bobine (30,50) et qui comporte au moins une surface d'entrefer pour former un entrefer
magnétique (E1) d'épaisseur variable avec au moins une surface d'entrefer correspondante
de la culasse fixe (10,40),
- un entrefer magnétique résiduel (E2) d'épaisseur sensiblement constante formé par
une surface d'entrefer de l'élément mobile (20,21,22,45) parallèle à l'axe (X) et
une surface d'entrefer correspondante de la culasse fixe (10,40),
- des moyens de moyens de régulation du courant électrique de commande pour contrôler
la position et la vitesse de la bobine mobile (30,50) et de l'élément mobile (20,21,22,45).
2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse fixe comprend deux flancs latéraux (12,13) et un noyau central fixe (15,16,17)
et en ce que l'ensemble aimanté est composé de deux aimants (32,33) fixés aux flancs latéraux
symétriquement par rapport à l'axe de déplacement (X) de la bobine (30).
3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétique mobile est composé d'un noyau mobile (21), l'entrefer variable
(E1) étant formé entre une surface du noyau mobile et une surface correspondante du
noyau central (16) de la culasse (10).
4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine mobile (30) entoure l'entrefer variable (E1).
5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétique mobile est composé d'une palette mobile (20), l'entrefer variable
(E1) étant formé entre au moins une surface de la palette mobile et au moins une surface
correspondante des flancs latéraux (12,13) de la culasse (10).
6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la palette mobile (20) présente une ouverture centrale pour le passage du noyau central
(15).
7. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble aimanté est composé d'un aimant placé (52) contre la culasse fixe (40).
8. Actionneur électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bobine mobile (50) entoure l'ensemble aimanté (52).
9. Actionneur électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bobine mobile (50) entoure l'entrefer variable (E1).
10. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (30,50) présente une section transversale de forme sensiblement circulaire.
11. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (30,50) présente une section transversale de forme sensiblement rectangulaire.
12. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'entrefer de l'élément mobile (20,22) est perpendiculaire à l'axe de
déplacement (X) de la bobine (30).
13. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'entrefer (29) de l'élément mobile (21) est inclinée par rapport à l'axe
de déplacement (X) de la bobine (30).
14. Appareil électrique interrupteur comportant des contacts fixes coopérant avec des
contacts mobiles pour commuter l'alimentation d'une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un actionneur électromagnétique selon l'une des revendications
précédentes pour actionner les contacts mobiles.