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PROCEDE ET DISPOSITIF, DESTINES A RENDRE SENSIBLEMENT CONSTANTE .LA FORCE D'ATTRACTION INSTANTANEE, EXERCEE PAR UN ELECTROAIMANT, ALIMENTE EN COURANT
ALTERNATIF.
On sait qu'un électroaimant alimenté en courant alternatif mono- phasé fournit une force d'attraction qui s'annule en même temps que l'inten- sité du courant traversant les bobinages de cet électroaimant, c'est-à-dire deux fois par période du courant d'excitation. De tels électroaimants sont utilisés dans les appareils, du type contacteur ou relais, pour ouvrir ou fermer des circuits par le déplacement d'une armature mobile. L'armature pi- vote généralement autour d'un axe et elle est assujettie à un organe de rap- pelo En conséquence de l'annulation périodique de la force d'attraction de l'électroaimant et de la présence de l'organe de rappel, cette armature vi- bre, en général, avec une assez faible amplitude, ce qui nuit à la qualité des contacts réalisés et rend l'appareil bruyant.
Pour éviter cet inconvénient, il est de pratique courante de munir l'un des pôles magnétiques de l'électroaimant, en général celui qui est le plus éloigné de l'axe de pivotement de l'armature, d'une bague dite de dé- calage formée par une simple spire conductrice en court-circuit enfermant une partie de la surface polaire. Cette bague empêche la force d'attraction de s'annuler à chaque passage par zéro du courant d'excitation. En effet, la bague étant traversée par un flux magnétique variable, elle induit un flux magnétique auxiliaire qui se trouve déphasé par rapport au flux principal, si bien que la force d'attraction résultante ne s'annule jamais.
Cependant, cette force d'attraction n'est pas constante : elle varie périodiquement entre un minimum non nul et un maximum, si bien que la vibration de l'armature mobile persiste surtout si son inertie est faible comme l'exige la sensibilité de l'appareil.
La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient et d'assurer un fonctionnement parfaitement silencieux de ce genre d'appareils.
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A cet effet, elle a pour objet un procédé destiné à rendre constante là force d'attraction d'un électroaimant alimenté en courant alternatif et pourvu sur l'une de ses pièces polaires au moins d'une bague de décalage, procédé qui consiste, d'une part, à mettre en quadrature de phase le flux résultant tra- versant la portion de circuit magnétique intérieure à la bague de décalage et le flux résultant traversant la portion de ce circuit extérieure à cette bague, et d'autre, part à égaliser la valeur des forces électromagnétiques partielles dues à chacun desdits flux.
Pour mettre en oeuvre ce procédé, la présente invention prévoit un dispositif comportant un électroaimant à courant alternatif, pourvu d'une bague de décalage enfermant une partie d'une surface polaire de cet électro- aimant, de manière à délimiter deux portions de circuit magnétique : une portion intérieure à la bague et une portion extérieure à celle-ci, cette dernière étant agencée pour avoir une réluctance très supérieure à la pre- mière, les caractéristiques électriques de la bague de décalage étant ré- glées de telle sorte que le rapport des carrés des flux magnétiques résul- tants traversant lesdites portions de circuit magnétique soit sensiblement égal au rapport des surfaces transversales de ces portions.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 représente schématiquement et partiellement un circuit magnétique muni d'une bague de décalage.
La fig. 2 est le diagramme vectoriel des flux traversant ce circuit.
La fig. 3 est une vue schématique partielle illustrant le prin- cipe de l'invention.
Les fig. 4 et 5 sont des diagrammes de flux correspondants.
La fig. 6 est une vue analogue à la fig. 3 d'un cas possible de répartition des flux.
La fig. 7 est un diagramme correspondant au cas de la fig. 6.
La fig. 8 montre schématiquement un relais congu selon l'inven- tion.
Avant de décrire le procédé et le dispositif faisant l'objet de l'invention, on rappellera les calculs théoriques sur le fonctionnement des circuits magnétiques pourvus d'une bague de décalage.
Le circuit magnétique (fig. 1) est constitué par un noyau 1 por- tant une bobine d'excitation 2 et par une armature mobile 3 représentée en position attirée. Sur le pôle 4 du noyau est montée une bague de décalage 5 qui enferme une partie de la surface polaire.
Lorsque la bobine 2 est parcourue par un courant monophasé, elle crée dans le circuit un flux alternatif d'amplitude maximum qui se divise dans la région polaire en deux flux :un flux 1 traversant la sur- face S1 limitée par la bague et un flux # 2 traversant la surface S2 exté- rieure à celle-ci. Les variations du flux 1 induisent dans la bague un courant qui crée un flux auxiliaire µ ' dont on peut admettre qu'il 'Se fer- me presque entièrement à travers les surfaces S1 et S2.
Si l'on admet, en outre,¯que le circuit magnétique n'est pas saturé, les flux résultats '1 et '2 à travers les surfaces S1 et S2 sont la somme géométrique des flux dus à la bobine 2 et du flux dû à la ba- gue 5, ce qui permet d'écrire :
EMI2.1
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Ces équations ne traduisent pas le diagramme de la fig. 2. A partir de 0, on porte OA = 1 et OB = 2 en phase. Les vecteurs M et BM' représentent respectivement #' et - ' , et les vecteurs OM et OM', '1 et µ '2 qui sont déphasés de #.
En vertu des lois sur l'induction, le flux résultant $ '1 à travers la bague et le flux propre #' dû à la bague sont rectangulaires; de ce fait le point M décrit le cercle de diamètre OA = 1 lorsqu'on fait varier les caractéristiques électriques de la bague et, en particulier, sa résistance.
La force portante instantanée qui est la somme des forces por- tantes dues respectivement aux flux instantanés # '1 et # '2 a, dans un système approprié d'unités, pour expression
EMI3.1
Or on peut écrire
EMI3.2
ce qui donne
EMI3.3
On voit donc que l'expression de la force portante (qui ne s'an- nule jamais), comporte un terme constant et un terme périodique de pulsation 2#. Selon l'invention on se propose d'annuler le terme périodique de cette expression ou tout au moins de le réduire au minimum. Pour cela il est néces- saire que
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ce qui revient à décrire que les forces électromagnétiques partielles dues à chacun des flux résultants intérieur et extérieur à la bague sont égales et que ces flux sont en quadrature.
Ces conditions sont réalisées dans le dispositif faisant l'objet de la présente invention, en rendant 2 négligeable devant 1. A cet ef- fet, un entrefer e est ménagé sur la surface S2 non enfermée par la bague 5 (fig. 3), ce qui entraine dans cette partie du circuit magnétique un accrois- sement considérable de réluctance. Le diagramme représentatif de la fige 2 devient dans ce¯cas celui de la fige 4. Dans ce diagramme, # 2 étant négli- geable devant .± 1, on peut considérer que OM' se confond avec BM', de sorte que, BM4 étant parallèle à MA, les angles M et # sont supplémentaires, ce
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qui revient à dire que = '2 puisque, ainsi qu'on l'a vu, l'angle M est toujours un angle droit.
On obtient l'égalité "- 1 ,2 2 ,2 par le choix de 8 - S2 la position du point M sur la demi-circonférence de diamètre OA. On a vu que ce choix dépendait de celui des caractéristiques électriques de la bague. En pratique, on règle la résistance de la bague 5 jusqu'à ce que des bobinages explorateurs mesurant les divers flux, indiquent que les valeurs désirées sont atteintes. On constate alors que le relais ou contacteur demeure parfai- tement silencieux jusqu'à son point de déclenchement, lorsqu'on fait décroî- tre progressivement l'intensité d'excitation. Le diagramme des flux reste en effet semblable à lui-même quelle que soit la valeur de l'induction magnéti- que, car la matière magnétique reste à l'état non saturé.
On pourrait crandre que la présence de l'entrefer e dans la sur- face polaire réduise notablement la force portante de l'électroaimant; on peut montrer, au moins en première approximation qu'il n'en est rien.
En effet, dans le triangle rectangle OMA,
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comme 2 2 est négligeable, 9? 1 est pratiquement égal au flux total µ induit par l'enroulement d'excitation et) # 'l = l # '2
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D'ou ( 2 - 1 'z + 2 '2 Mais, - 1 2 µ 2 ,2 d) 1 , 2 ,2 µ Mais, = -'-2 ='2 Si S2 S S D'où .2 .2 (f)2 D'où ''- 1 + ''- 2 -2 Si S2 S et l'expression de la force portante donnée par les équations (1) et (2) devient
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étant l'amplitude de la valeur du flux total engendré par la bobine d'ex- citation.
Si l'on veut exprimer la force portante en fonction de la valeur efficace # e de ce flux, on aura
EMI4.5
La valeur de f pour l'électroaimant bagué à entrefer selon l'in- vention est égale à celle d'un électroaimant ordinaire ayant un même nombre d'ampères-tours. Mais alors que dans un électroaimant ordinaire f est effec- tivement une valeur moyenne autour de laquelle varie la force d'attraction, dans l'électroaimant selon l'invention, cette valeur est constante.
Il est bien entendu que dans le cas où S1 = S2, il suffira pour atteindre les conditions de fonctionnement susmentionnées que - '1 soit égal
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à # '2. On aura dans ce cas le diagramme de la fig. 5 dans lequel le point M est situé au milieu de l'arc AMO.
On a supposé dans les raisonnements précédents que la totalité du flux engendré par la bague traverse l'entrefer e, aucune fuite ne s'effec- tuant par le circuit magnétique principal. Ceci revient à admettre que la ré- luctance de ce dernier est très grande relativement à celle de l'entrefer.
Lorsque cette condition n'est pas réalisée, le schéma des flux peut être représenté par la fig. 6 dans laquelle le flux engendré par la ba- gue 5 se décompose en un flux #' qui se ferme par l'entrefer e et en un flux 2. " qui se ferme par le circuit magnétique principal, ces deux flux é- tant en phase. Le diagramme vectoriel correspondant est représenté sur la fig. 7.
EMI5.1
Dans ce cas également, 6 = puisque, ' et çp étant ¯z en phase et BM' se confondant avec OM', # est le supplément de Me Comme pré- cédemment, on ajuste la bague 5 de façon que
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1 ¯ az ''- 2 ou bien, si 8:J. = 82' defagonquef 1= 2 Ôl 82
Cependant dans ce cas, la force portante sera inférieure à celle des cas précédents. En effet, dans le triangle rectangle OMA :
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Comme 1 = et P ' = S 'p puisque comme précédemment 2 est négligeable, on peut écrire çe 2 > p i2 + é 2 Or, comme on l'a vu
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ou en exprimant la force en fonction du flux efficace
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Cette diminution de la force portante de l'électroaimant dans la position attirée de l'armature mobile loin de constituer un défaut peut être avantageusement mise à profil dans de nombreux appareils.
En effet, lorsque l'armature est en position écartée, la présence de l'entrefer addi- tionnel ne change guère la force d'attraction de l'électroaimant et l'ar- mature est attirée, autrement dit l'appareil enclenche, pratiquement pour . la même valeur de l'intensité dans le bobinage 2 que dans un appareil usuel équivalent sans entrefer.
Lorsque l'appareil est enclenché, la force portante de l'élec- troaimant se trouve par contre réduite par rapport à celle d'un électroai- mant sans entrefer, c'est-à-dire que le couple de collage antagoniste du couple de rappel fourni par exemple par le ressort 6 (fige 8), est plus faible que dans les appareils usuels. Il est ainsi possible de réduire l'é- cart inévitable entre l'intensité d'enclenchement et l'intensité de déclen- chement. En pratique, cette différence rapportée à l'intensité d'enclenche- ment, peut être ramenée à 15 % environ. On peut ainsi obtenir des contac- teurs ou des relais dont la précision de fonctionnement est, par des moyens
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simples, rendue très supérieure à celle des contacteurs ou relais usuels.
On remarquera, en outre, que les phénomènes magnétiques décrits ne subissent aucun changement si, comme il est usuel, le noyau et l'armatu- re du dispositif sont feuilletés, c'est-à-dire formés de tôles accolées pa- rallèlement au plan de la figo 80
On notera enfin, sur cette dernière figure, que la bague 5 est située vers l'intérieur de la pièce polaire, autrement dit du côté du pivot 7 de l'armature 3, alors que l'entrefer est ménagé sur le bord extérieur de cette pièce polaire. Ceci a pour but de réduire davantage la fraction µ 2 du flux principal 9? , fraction qui traverse la section non baguée et qui a été considérée comme négligeable dans les raisonnements exposés plus haut.
Cette réduction supplémentaire provient de l'allongement de la portion, de circuit magnétique parcourue par # 2 du fait que cette portion de circuit est située vers l'extérieur du circuit principal.
Le dispositif montré schématiquement par la fig. 8 peut être un relais d'intensité, un relais de tension, de manière générale un contac- teur quelconque, si on le munit de contacts de travail ou de repos ou des deux à la fois.
Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux procédé et dispositif qui viennent d'être décrits, notamment par substitu- tion d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
1. Procédé permettant d'obtenir une force électromagnétique à attraction instantanée pratiquement constante à l'aide d'un circuit magné- tique pourvu d'une bague ou enroulement de décalage et alimenté en courant alternatif, procédé qui consiste d'une part à mettre en quadrature de phase le flux magnétique résultant traversant la portion dudit circuit intérieur à ladite bague et le flux magnétique résultant traversant la portion de ce circuit extérieur à cette bague, et d'autre part à égaliser la valeur des forces électromagnétiques d'attraction partielles dues à chacun desdits flux.
2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé spécifié sous 1, caractérisé en ce qu'il comporte un électroaimant à courant alternatif pourvu d'une bague de décalage enfermant une partie d'une surface polaire de cet électroaimant, de manière à délimiter deux portions de circuit ma- gnétique :une portion intérieure à la bague et une portion extérieure à celle-ci, cette dernière étant agencée pour avoir une réluctance très su- périeure à la première, les caractéristiques électriques de la bague de dé- calage étant réglées de telle sorte que le rapport des carrés des flux ma- gnétiques résultants traversant lesdites portions de circuit magnétique soit sensiblement égal au rapport des surfaces transversales de ces por- tions.
3. Dispositif comme revendiqué en 2, caractérisé en ce que l'accroissement de réluctance est obtenu en prévoyant un entrefer dans la portion de circuit magnétique extérieure à la bague.
4. Dispositif comme revendiqué en 2 ou 3, caractérisé en ce que les surfaces transversales des portions de circuit magnétique sont égales, les caractéristiques électriques de la bague de décalage étant réglées de telle sorte que les flux magnétiques résultants traversant lesdites portions soient sensiblement égaux.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.