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Perfectionnements aux électro-aimants alimentés en courant alterna-tif (Invention Lucien SIFFROI et Eugène THOMPSON)
Certains appareils électriques, tels que les contacteurs, sont équipés d'un organe moteur constitué par un électro-aimant alimenté en courant alternatif. On sait que ces électro-aimants comportent un circuit magnétique déformable constitué par un noyau fixe et une armature mobile, tous deux en tôles feuilletées, pour réduire les pertes par induction tandis que l'excitation
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de ce circuit est obtenue par un bobinage porté par le noyau complété par un dispositif dit de déphasage, généralement une bague en court-circuit, destinée à empêcher l'attraction magné- tique de s'annuler à chaque demi-période du courant alternatif.
Un tel électro-aimant ne doit pas être rémanent, c'est- à-dire que son armature ne doit pas rester collée lorsque l'exci- tation est coupée, mais on désire cependant, en général, qu'une baisse de la tension d'alimentation de l'ordre de 40 %, par exem- ple, ne réduise pas suffisamment l'attraction du noyau au point que l'armature se décolle.
Pour empêcher l'armature de coller, on a déjà proposé de ménager entre l'une des branches du noyau et l'armature mobile un petit entrefer. Cette solution présente l'inconvénient suivant: à l'usage répété, les branches du noyau, sur lesquelles vient s'appliquer l'armature, finissent par se mater ou s'écraser sous les chocs de cette armature, de sorte que, peu à peu, l'entrefer ménagé entre l'armature et la branche qu'elle ne touche pas, s'amenuise si bien que l'électro-aimant finit par devenir rémanent.
Il est nécessaire, en outre, par exemple dans le cas d'un contacteur, pour obtenir la compression des ressorts des contacts que le travail de fermeture de l'électro-aimant soit aussi élevé que possible. On peut montrer facilement que ce travail est sensiblement proportionnel à la différence entre les volts-ampères absorbés à circuit magnétique ouvert et les volts- ampères absorbés à circuit magnétique fermé. Cette différence sera d'autant plus grande qu'initialement le circuit magnétique sera plus ouvert, étant entendu que le circuit magnétique, après attraction de l'armature, est aussi fermé qu'il est possible, sans que l'électro-aimant soit rémanent.
Afin que l'électro-aimant puisse supporter, sans que l'armature se décolle, des baisses de tension, il faut, en outre, que le couple nécessaire pour arracher cette armature soit aussi
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élevé que possible.
Enfin, pour que l'électro-aimant puisse résister à de nombreuses manoeuvres d'enclenchement et de déclenchement géné- ratrices de chocs, il faut que le dispositif de déphasage soit robuste.
La présente invention a pour objet des électro-aimants perfectionnés qui remédient aux inconvénients signalés et satisfont au mieux aux conditions imposées à ces électro-aimants dans leur utilisation pratique.
Selon la particularité principale de l'invention, l'élec- tro-aimant est constitué par un noyau en U dont une des branches porte le bobinage d'excitation, ce noyau étant interrompu, de préférence en son milieu, par un entrefer, tandis que l'armature mobile vient à la fermeture s'appliquer sur les extrémités de ces branches. Ainsi, malgré les chocs que l'armature applique sur ces extrémités de branches, un entrefer constant est conservé dans le circuit magnétique, ce qui empêche l'électro-aimant de devenir rémanent.
Selon une autre particularité de l'invention, la longueur des.branches du noyau est du même ordre de grandeur que leur largeur et l'intervalle entre ces branches est à peu près égal à leur largeur.
Les branches de cet électro-aimant étant courtes, les fuites magnétiques entre ces branches sont réduites, de sorte que, lorsque l'armature mobile est écartée, les lignes de force extérieures au noyau se ferment dans l'air par un long trajet, si bien que la réluctance du noyau considéré isolément est très forte. Autrement dit, un tel noyau séparé de son armature forme un circuit magné ti que très ouvert.
Selon une autre particularité de l'invention, les arêtes en regard des branches du noyau sont chanfreinées.
Cette disposition procure deux avantages: les lignes
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de force du champ magnétique étant les plus denses au voisinage des arêtes, ces chanfreins réduisent encore les fuites magnéti- ques directes entre les extrémités de branches en regard, en obligeant les lignes de force à allonger leur trajet dans l' air.
De plus, ces chanfreins réduisant la surface des extrémités des branches du noyau augmentent la saturation magnétique au droit de ces extrémités, c'est-à-dire la force portante de l'électro- aimant.
Selon une autre particularité de l'invention, l'armature mobile étant montée avec une certaine liberté dans son support, la liaison de cette armature avec ledit support est telle qu'au moment de l'arrachement de cette armature par ce support l'axe de pivotement de cette armature soit confondu avec l'axe de pivotement de ce support lui-même.
On doit noter qu'il est connu par le brevet belge N 485.687 du 6 Novembre 1948 , au nom de la Demanderesse, de monter avec une certaine liberté une'armature dans son support afin d'obtenir, sans ajustage rigoureux, une parfaite application de l'armature mobile sur les extrémités des branches du noyau. En réalisant .ce montage de telle sorte qu'à l'arrachement l'axe de pivotement de cette armature soit confondu avec l'axe du support, le bras de levier du couple d'arrachement est aussi grand que possible et par conséquent pour une force d'attraction déterminée le couple d'arrachement est maximum.
A cette fin, l'armature peut comporter une arête géométriquement confondue avec l'axe de pivotement du support qui s'appuie sur une partie fixe solidaire du noyau, ou bien l'armature peut être reliée au support par une attache élastique située dans le plan médian entre les surfaces d'extrémités des branches du noyau.
Enfin, selon une autre particularité de l'invention, le dispositif de déphasage peut être constitué par des tiges,
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de préférence des rivets, qui assemblent, entre joues conductri- ces, les tôles du noyau par leurs bords,, les bords desdites tôles étant tous semblablement encochés jusqu'aux forages de passage desdites tiges et les encoches correspondant à l'une des tiges voisines de la surface polaire d'une des extrémités de branches du noyau débouchant dans ladite surface.
Ainsi, la tige correspondante :forme avec au moins l'une de s autres tiges d'assemblage, pe.r l'intermédiaire des joues c onduc tric e s qui assemblent les tôles du noyau, une spire en court-circuit qui partage l'induction magnétique traversant ce noyau et joue donc le rôle de la bague de déphasage usuelle sans en avoir les inconvénients.
De leur côté, les encoches correspondant aux autres tiges réduisent l'induction magnétique passant dans les bords des tôles et évitent en grande partie les pertes électro-magnétiques qu'entraîneraient les multiples spires en court-circuit consti- tuées par les tiges autres que celles dont les encoches débouchent dans la surface polaire du noyau.
Les différentes particularités de l'invention sont, de préférence, appliquées simultanément dans un même électro-aimant, afin de donner à celui-ci les propriétés les plus avantageuses, mais il doit être entendu que chacune d'elles améliorant les électro-aimants à curant alternatif connus peut aussi être appli- quée séparément à ces élec tro-aimant s.
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 figure 1 est une coupe, passant par l'un des plans de feuilletage, d'un électro-aimant, selon l'invention, appliqué à un appareil d'enclenchement électrique par exemple un contacteur.
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Sur cette figure, l'armature mobile est supposée attirée.
La figure 2 reproduisant partiellement la figure 1 montre l'armature mobile en position écartée.
La figure 3 est une coupe selon III-III de la figure 1.
Les figures 4a et 4b sont des coupes correspondant à
IV-IV de la figure 1 montrant deux variantes de réalisation du noyau d'électro-aimant.
La figure 5 est une coupe analogue à la figure 1 d'une variante d'électro-aimant selon l'invention.
La figure 6 est une coupe selon VI-VI de la figure 5.
Le noyau de l'électro-aimant représenté sur les figures
1 et 2 ,est, en forme générale de U à branches larges et courtes.
Il est constitué par deux empilements de t8les magnétiques 1 et
2 séparés par une mince plaquette 3 de matière non magnétique qui constitue un entrefer médian dans ce noyau.
Les empilements de tôles 1 et 2 sont assemblés au moyen des tiges 4, (qui peuvent être avantageusement des rivets) dont celle qui porte la référence 4a (et éventuellement sa symétrique) est en matière non magnétique, ces tiges enserrent ces paquets de tôles entre desjoues de plus forte épaisseur.
Comme le montre la figure 4a, ces joues 5, si elles sont de matière non magnétique,peuvent être continues ; au contraire, comme le montre la figure 4b, si ces joues sont de matière magnétique, afin qu'elles ne court-circuitent pas magnétiquement l'entrefer constitué par la plaquette 3, ces joues sont en deux parties 6a et 6b.
Les forages prévus dans les tôles 1 et 2 pour le passage des tiges 4 sont disposés au bord de ces tôles et sont prolongés par des encoches 7 qui débouchent dans le bord desdites tôles.
L'une de ces séries d'encoches, 7a en l'espèce, débouche dans la surface polaire la constituée par l'extrémité meulée de l'empilement de tôles 1.
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Les joues 5 ou 6a, 6b sont utilisées pour la fixation de l'électro-aimant au moyen de boulons 8, sur une pièce métal- lique 9 de matière non magnétique qui forme en quelque sorte, pour le noyau en U constitué par les paquets de tôles 1 et 2, une troisième branche non magnétique. La pièce 9 peut être utilisée pour la fixation de l'électro-aimant sur un barreau prismatique 10 orienté perpendiculairement à la/figure 1 qui sert également de support aux autres organes élec tri que s que comprend l'appareil équipé de l'électro-aimant montré sur cette figure, les plots de contact fixes d'un contacteur par exemple.
Le noyau magnétique constitué par les tôles 1 et 2 est excité par le bobinage 11 qui entoure :L'une des branches de ce noyau et qui, en raison de la forme de celles-ci, est aplati.
L'épaisseur de ce bobinage remplit avantageusement tout l'inter- valle compris entre les branches du noyau.
Avec le noyau formé par les tôles 1 et 2 coopère l'armature mobile 12 formée de tôles empilées qu'assemblent le s rivets 13.
Dans l'exemple de réalisation montré par les figures 1 et 2, cette armature 12 est prolongée par ses deux tôles maîtresses ou joues 14 dont les extrémités 14a sont entretoisées par le bloc 22 s'appuyant sur le bloc d'usure 21 de la branche non magnétique 9a. Le support 16 est rendu solidaire du barreau 19 par l'intermédiaire d'une entretoise 30 et de la vis 18.
L'extrémité supérieure en forme de bec 12a de l'armature est engagée dans le crochet 16a du support 16 de section géné- rale en U. Une garniture élastique 17 de caoutchouc, par exemple, est interposée entre ce bec et le crochet 16a. Les extrémités 19a du barreau 19 sont contre-coudées en forme de vilebrequin et arrondies ; tourillonnent dans des paliers 20 portés par le même bâti que le barreau 10, c'est-à-dire fixes dans l'espace. Le barreau 19 peut supporter, en outre, d'autre organes de l'appareil électrique équipé avec cet électro-aimant,
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par exemple les doigts de contact mobiles dans le cas d'un c ontac teur.
Les blocs de métal 21 et 22 s'appuient l'un sur l'autre par leurs arêtes inférieures, arêtes qui sont confondues avec l'axe géométrique 23 des paliers 20.
L'entretoise 30 passant librement entre les tôles maîtresses 14 de l'armature 12, celle-ci n'est pas rigidement fixée au support 16 et peut par conséquent se déplacer légèrement par rapport à celui-ci. Les déplacements latéraux (perpendiculai- res à la figure 1) sont limités, comme on peut le voir sur la figure 3, par le jeu des tôles maîtresses par rapport à l'entre- toise 30. Dans le sens parallèle au plan de la figure 1, les déplacements de cette armature sont limités par la déformation de la garniture élastique 17 et par le contact des blocs 21 et 22.
Le support 16 est soumis au ressort de rappel 24 accro- ché par une extrémité à une patte 25 solidaire du barreau fixe 10 et à l'autre, par l'intermédiaire de l'organe de réglage 26, à l'extrémité inférieure du support 16.
Enfih les arêtes en regard des branches constituées par les empilements des tôles 1 et 2 comportent respectivement les chanfreins 27 et 28.
Dans l'électro-aimant qui vient d'être décrit, lorsque l'armature mobile est attirée par le noyau, elle s'applique étroi- tement, grâce à la liberté de son montage dans son support, contre les extrémités des branches de ce noyau. Dans cette position, représentée par la figure 1, le plan de contact P de l'armature mobile avec les extrémités des branches passe par l'axe des paliers 20, c'est-à-dire par les arêtes en contact, suivant 23, des blocs 21 et 22. Malgré cette fermeture du circuit magnétique, l'électro-aimant n'est pas rémanent grâce à la présence de l'entrefer constitué par la plaquette non magnétique 3. En dépit de l'usure ou du matage des surfaces de contact, cet entrefer conserve évidemment une valeur constante.
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Lorsque l'armature est ouverte comme montré par la figure 2, étant donné la. faible longueur des branches du noyau magnétique, les fuites magnétiques qui peuvent s'établir entre ces branches sont très réduites et, de plus, grâce aux chanfreins 27 et 28 les ligne s de force magnétiques dans l'air prennent la forme incurvée L sur la figure 2 de sorte que leur trajet est relativement long.
La réluctance du noyau magnétique lorsque l'armature mobile est écartée est donc forte et par conséquent la self-induction du bobinage 11 faible., Les volts-ampères absor- bés dans cet état par le bobinage sont donc élevés ; par conséquent lorsqu'on lance le courant dans le bobinage 11 et que celui-ci attire l'armature, le travail de fermeture de cette armature est considérable,ce qui donne à cette armature une forte énergie cinétique qui lui permet, par exemple dans le cas d'un contacteur, de bien écraser les contacts.
Lorsque la tension baisse aux bornes du bobinage 11, le ressort de rappel 24 (auquel. viennent s'ajouter le plus souvent d'autres forces, par exemple dans le cas d'un contacteur l'effort de répulsion des contacts) tend à écarter l'armature 12 du noyau.
Dans le cas des figures 1 et 2, cet effort d'arrachement est essentiellement exercé par le crochet 16a qui agit sur l'extrémité supérieure de l'armature. Or, le couple d'arrachement de l'arma- ture 12 est égal au produit des forces d'attraction exercées par chacune des branches du noyau par les bras de levier avec lesquels ces forces résistent à la traction du crochet 16.
Cependant, d'une part, grâce à. la réduction de surface des extrémités polaires du noyau par les chanfreins 27 et 28, la force d'attraction de chacune des branches est aussi élevée que po ssible. D'autre part, le point d'appui de l'armature est cons- titué par la ligne de contact 23 des arêtes des blocs 21 et 22, ligne qui est confondue avec l'axe des tourillons pivotant dans les paliers 20. Ces bras de levier ont donc la longueur maximum
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compatible avec les liaisons de l'armature avec son support. En effet, il est facile de se rendre compte qu'il est possible de raccourcir ces bras de levier sans gêner le mouvement de pivote- ment du support 16 autour des paliers 20, mais non de les allon- ger.
En particulier au moment de l'arrachement, l'armature 12 pourrait pivoter autour de l'arête A du noyau, mais dans ce cas, comme on peut s'en rendre compte sur les figures et comme on peut le vérifier expérimentalement pour un électro-aimant ayant les proportions indiquées sur les figures 1 et 2, le couple d'arrache- ment serait sensiblement diminué de moitié.
Un résultat sensiblement analogue peut être obtenu avec l'électro-aimant montré par les figurée 5 et 6. Dans cette réali- sation, l'armature 12, comme précédemment formée d'un empilement de tôles, est traversée, dans un plan de symétrie transversal, par un axe 31 dont les extrémités sont fixées dans les ailes du support 16.
¯ Le forage 32 pratiqué dans les tôles de l'armature 12 pour le passage de l'axe 31 est agrandi. vers ses extrémités, de sorte que l'armature 12 peut, non seulement, pivoter autour de l'axe 16, mais aussi osciller autour de la partie centrale plus étroite, dudit forage.
La fixation élastique de l'armature est assurée par les ressorts 33 égaux et symétriquement disposés. Dans cette réalisa- tion, les prolongements coopérants 9a et 14a du noyau sont supprimé s.
Dans ce cas, l'effort d'arrachement du support 16 s'exerce sur l'armature, par l' intermédiaire de l'axe 31 disposé au milieu de cette armature et au milieu de l'intervalle entre les branches 1 et 2 du noyau. De ce fait, le bras de levier moyen des forces d'attraction du noyau est encore égal à la distance entre le plan médian du noyau et l'axe des paliers 20, ce qui procure le même couple d'arrachement que précédemment.
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Dans le cas de la figure 1, la tige d'assemblage 4a qui correspond à l'encoche 7a forme avec l'une des autres tiges d'assemblage 4b par exemple et les joues conductrices 5 ou 6a, une spire en court-circuit schématisée par la ligne S en traits mixtes. Par rapport à cette spire le flux d'induction magnétique se partage en deux parties Fl et F2. Cette spire en court-circuit est donc équivalente aux bagues de déphasage usuelles des électro- aimants à courant alternatif. Cependant,, il est facile de voir que ce résulta.t est obtenu par l'utilisation des seuls organes d'assemblage de l'électro-aimant, c'est-à-dire sans organes additio,nnels et que, de plus, le montage ainsi réalisé est très robuste, puisqu'il ne fait pas intervenir des pièces rapportée s.
Les autres encoches 7 empêchent pratiquement l'induction magnétique de passer le long des bords du noyau, de sorte que l'induction électrique dans les spires en court-circuit formée par chacune de ces tiges 4, les joues (5 ou 6a, 6b) et la pièce 9 par exemple, est négligeable.
Dans le cas de la figure 5, l'expérience prouve qu'en raison de la symétrie du montage de l' élec tro-aimant, un disposi- tif de déphasage est nécessaire sur chacune des branches du noyau. Ces dispositifs sont constitués, respectivement, par les tiges ou rivets d'assemblage 4a, 4b pour la branche 1 et les tiges ou rivets 4c, 4d pour la branche 2.
Il va de soi que des modifications peuvent être appor- tées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention.
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