EP0170562A1 - Electro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation - Google Patents

Electro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation Download PDF

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EP0170562A1
EP0170562A1 EP85401275A EP85401275A EP0170562A1 EP 0170562 A1 EP0170562 A1 EP 0170562A1 EP 85401275 A EP85401275 A EP 85401275A EP 85401275 A EP85401275 A EP 85401275A EP 0170562 A1 EP0170562 A1 EP 0170562A1
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EP
European Patent Office
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air gap
electromagnet
armature
pot
core
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EP85401275A
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German (de)
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Michel Lauraire
Elie Belbel
Christian Bataille
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Telemecanique SA
Original Assignee
Telemecanique Electrique SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding

Definitions

  • Such electromagnets which are, for example, known from French Patent No. 1,051,651, have advantages and disadvantages which the user must be satisfied with when considering their application in particular fields; among the advantages, it should be mentioned that the surfaces of the two air gaps participate at the same time in the generation of the initial calling force; however, due, on the one hand, to the ratio of the surfaces of these two air gaps and, on the other hand, due to the presence of two air gaps in series in the magnetic circuit, it can be seen that the initial flux is not very high and that, if the induction is relatively high in the nucleus, its value on the peripheral air gap remains low, so that for given ampere-turns, the initial calling force cannot reach interesting values, or that in order to reach these values, it becomes necessary to increase the volume of the coil .
  • the invention therefore intends to provide an electromagnet having the general constitution mentioned above, in which measures will be taken so that ampere-turns of low value (or, in other words, a power low coil excitation) are likely to impart to the armature an initial call force greater than that obtained with the prior techniques, when the stroke of the armature and the volume of the electromagnet are practically fixed in advance.
  • this closing air gap (e, S) has a large surface area and has a low first reluctance opposite the second reluctance presented by the working air gap when the latter is open, and has cylindrical surfaces, parallel to the direction of movement of the armature so that this first reluctance is not substantially affected by this movement.
  • the reluctance of the closing air gap which should favor the importance of the flux, cannot here bring force. of initial attraction, a significant improvement insofar as the polar surfaces of the working air gap cannot exceed a certain value without causing a parallel increase in the volume of the coil, and where the covering surfaces of the closing air gap are weak.
  • the reduction in the intensity of these shocks is determined by a choice of the diameter of the nucleus which locally causes there to appear saturation phenomena which take on a preponderant importance only when the reluctance of the air gap of work decreases.
  • An electromagnet l 'in accordance with the invention and visible in FIG. 1 has two magnetizable parts of revolution 2, 3, movable relative to each other along a common axis of revolution XX', and engaged in each other. These parts take on, once engaged, the appearance of a pot whose internal volume 18 is occupied by a coil 4 having current leads 5, 6, which pass through, for example, part 3 considered here as fixed, while the reverse would also be possible.
  • the part 3 has a substantially flat bottom 7 in the center of which projects a cylindrical core 8 provided on its outer surface with a thin layer 9 of a non-magnetic material having good friction properties.
  • An annular skirt 10 extends externally the bottom parallel to the core and has at its free end a conical surface 11 of revolution making an angle a with the axis.
  • the second part 2 which is therefore assumed here to be mobile, has a shape comparable to that of the part 3, but has at the center of its bottom 16 a tubular extension 12, the bore 13 of which passes through the core 8 and slides over it with gentle friction, while its short skirt 14 has a conical surface 15 of angle a which is parallel to the previous one, opposite which it is located.
  • a return spring 17 which, for example has been placed inside the volume 18 comprised between parts 2 and 3, but which could be placed outside, communicates to the piece 3 a restoring force towards a rest position where it meets a stop 19 and where a distance "c" equal to the relative stroke of the pieces 2 and 3 separates the conical surfaces parallel to axis XX '.
  • the moving part 2 which will henceforth be called the armature, can be mechanically coupled to any part or device to communicate to it a displacement of amplitude equal to "c" which, to occur, requires that the amp-turns circulating in the coil are sufficient to overcome, initially an initial resistant force, thanks to an initial calling force developed by the attraction of the reinforcement, and are then used effectively to overcome other resistant forces which appear during displacement , for example to operate the compression of pressure springs, if the armature is associated with movable contacts of switches (not shown).
  • the initial induction B i in the air gap E, as well as the dimensions of the pole surfaces 15 and 11, must themselves be sufficient for the initial calling force f to be greater than the initial resistive forces R i .
  • FIG. 2 Another electromagnet has it, represented in FIG. 2, where the same references relate to bodies having the same functions, derives directly from the previous one by reversing the position of the core 8 ′ and of the tubular extension 12 ′ which are now connected to the frame 2 'and to the cylinder head pot 3'.
  • the axial length along which the air gap extends -e-, respectively -e'- will be as large as possible for reasons explained later; in all cases, this length will always be close to the height -H- of the coil 4.
  • the electromagnet 1b shown in FIG. 3 shows how the position of the working air gap E b can be modified in one or other of the embodiments illustrated in FIGS. 1 or 2, by bringing this air gap closer to the bottom 7b of the fixed cylinder head 3b to reduce the leakage fluxes which could not contribute to the attraction of the frame; the skirt 14 'of the movable frame 2b is here longer than in the previous case and the skirt 10' is, on the other hand, shorter.
  • FIG. 4 Another 1 "electromagnet according to the invention, and visible in FIG. 4, comprises a fixed yoke 20 which is formed by the assembly of two magnetizable revolution parts 21 and 22, a movable magnetizable armature 23, a coil 24 and a spring 17 '.
  • the cylinder head 20 retains, in an internal volume 80, the coil which was previously introduced around a solid core 25 of the concentric piece 21 and secured to a bottom 26 carrying at its periphery a conical surface 81 forming an angle a with the axis YY '.
  • the free end 27 of the core is here anchored in the flat bottom 28 of the part 22, which is extended by an annular skirt 29 whose surface is preferably covered with a thin layer of non-friction anti-friction material 30 and which extends parallel to the core 25.
  • the movable frame 23 takes the form of a ring, the internal cylindrical surface 31 of which slides with an appropriate clearance on the layer 30 and the end of which faces the surface 81 has a parallel conical surface 32; the length "m" of this frame is preferably greater than the height "h" of the skirt 29, to allow it to slide without the contact surface being reduced and therefore the reluctance increased; it will be seen later that certain adjustments can however be made to the value thereof to meet particular objectives. liers. It can be seen that, thanks to this arrangement, the entire internal volume 80 of the cylinder head 20 is occupied by the coil 24.
  • the ampere-turns -ni- developed by the coil when the latter is traversed by the current will cause a flux founded which will circulate in the magnetizable parts, crossing, d 'on the one hand, a working air gap, which is placed between the conical surfaces 81, 32, respectively 11, 15 and whose dimension is - E - and, on the other hand, a closing air gap, which is materialized by the thickness - e - of the layer of anti-friction material.
  • the air gap E whose surface is - s - and the air gap - e - whose surface is - S -, define reluctances R 1 and R 2 which give the flux a value ⁇ revealing inductions B 1 and B 2 .
  • the electromagnets it is arranged so that the reluctance R 2 is as low as possible in front of the reluctance R1 when the armature is in the open position and the product of the square of the initial induction B 1 by the surface - s - (or initial attraction force - F i ) is as high as possible when the reinforcements are at rest, so as to easily overcome the initial resistance forces R i .
  • this initial induction B 1 must be chosen so that the current attractive force is able to evolve while remaining, for example, greater than the progressive or stepped resistance forces which are encountered successively or simultaneously when the armature actuates moving contacts of a contactor. Indeed, if the initial induction was already high, the appearance of saturation in the magnetic circuit would give a weak growth to the forces of attraction when the armature moves.
  • the air gap E .... is determined by the value of the stroke - C - necessary to operate a good isolation and a good compression of the movable contacts associated with the frame and the inclination has as a result, while the value of the air gap - e - cannot drop below a reasonable threshold, which is determined by the means and materials used in economic mass production; one can for example choose 0.1 mm ⁇ e ⁇ 0.5 mm.
  • the initial attraction force Fi is given by:
  • the expression of the useful net force Fu then includes a coefficient of the form (1- r K) which shows, if there were 2, that this force is greater when the coefficient of friction r is low and that K 2 is high.
  • the invention may know, in a variant 56 of the electromagnet, embodiments which always place it in the context of obtaining a high initial attraction force; instead of using surfaces inclined governed by cones, the pole surfaces of the working air gap could each have a series of teeth 50, respectively 51, with inclined sides, coming in cooperation by penetration of the projections of one in the intervals of the other; angular orientation means 52, 53, for example with axial groove and transverse pin, may then prove to be necessary to prevent rotation of the armature 54 relative to the yoke 55 when the coil is excited, see figure 9.
  • a progressive angular distribution of the cutouts 75, 76 would make it possible, if necessary, to choose one of several possible attraction curves, by giving the armature 70 of the electromagnet 69 before mounting, a particular angular orientation by relative to the cylinder head pot 71, orientation which would be ensured by guide means such as pin 72 and grooves 73, 74 visible in FIGS. 12 and 13.
  • the orientation chosen can be defined as that which passes, in the vicinity of a central point 0, placed on the axis of symmetry XX ', respectively YY', a normal half-line raised on a concave conical surface such that 15 , respectively 81, see Figure 4.
  • cylindrical pot which has been used in the previous examples, should not be limited to that of a cylinder of revolution, which however constitutes the most advantageous embodiment thereof.
  • electromagnet pots of quasi-prismatic shape or, in other words, pots of square or rectangular section with rounded edges, in order to increase the areas which limit the call air gap; the production of the closing air gap can then make use of an insulating layer in the form of a film, which is bonded to the skirt of this pot and to a sliding frame having a corresponding section.

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Abstract

Electro-aimant à courant continue développant une force d'appel importante avec une consommation de courant réduite. Cet électro-aimant a la forme d'un pot cylindrique et présente une armature mobile (23) qui coulisse le long d'une pièce de culasse (20) grâce à un entrefer de fermeture -e, S-, dont la réluctance est faible par rapport à la réluctance de l'entrefer de travail -E, s- lorsque celui-ci est ouvert et sensiblement constante pendant le mouvement. Application aux petits contacteurs, où l'on souhaite substituer un électro-aimant continu de faible consommation à un électro-aimant alternatif.

Description

  • L'invention concerne un électro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation, comprenant une culasse magnétisable en forme de pot présentant :
    • - un noyau central,
    • - une bobine disposée dans ce pot concentriquement au noyau, et
    • - une armature mobile soumise à l'action d'un ressort de rappel et dont des surfaces polaires périphériques, ayant une forme qui augmente leurs valeurs, coopèrent avec des surfaces de même forme portées par une jupe annulaire du pot, à travers un entrefer de travail qui se trouve placé magnétiquement en série avec un entrefer de fermeture du flux.
  • De tels électro-aimants qui sont, par exemple, connus par le brevet français No 1 051 651, présentent des avantages et des inconvénients dont l'utilisateur doit se satisfaire lorsqu'il envisage leur application à des domaines particuliers ; parmi les avantages, il faut mentionner le fait que les surfaces des deux entrefers participent en même temps à la génération de la force d'appel initiale ; toutefois, en raison, d'une part, du rapport des surfaces de ces deux entrefers et, d'autre part, en raison de la présence de deux entrefers en série dans le circuit magnétique, on constate que le flux initial n'est pas très élevé et que, si l'induction est relativement élevée dans le noyau, sa valeur sur l'entrefer périphérique reste faible, de sorte que pour des ampères-tours donnés, la force initiale d'appel ne peut atteindre des valeurs intéressantes, ou que pour atteindre ces valeurs, il devient nécessaire d'augmenter le volume de la bobine.
  • L'invention se propose, par suite, de fournir un électro-aimant présentant la constitution générale mentionnée ci-dessus, dans lequel des mesures seront prises pour que des ampères-tours de faible valeur (ou, en d'autres termes, une puissance d'excitation de bobine faible) soient susceptibles de communiquer à l'armature une force d'appel initiale supérieure à celle que l'on obtient avec les techniques antérieures, lorsque la course de l'armature et le volume de l'électro-aimant sont pratiquement fixés à l'avance.
  • Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que cet entrefer de fermeture (e, S) possède une grande surface et présente une première réluctance faible en regard de la seconde réluctance que présente l'entrefer de travail lorsque celui-ci est ouvert, et comporte des surfaces cylindriques, parallèles à la direction du mouvement de l'armature de façon que cette première réluctance ne soit sensiblement pas affectée par ce mouvement.
  • On connaît déjà, par exemple, par la demande de brevet allemand publiée DE.AS-NR 1.097.563, un électro-aimant à courant continu dans lequel un entrefer central de fermeture de flux ayant des surfaces parallèles à la direction de mouvement de l'armature est placé magnétiquement en série avec deux entrefers de travail latéraux, dont les surfaces sont inclinées par rapport à ladite direction ; comme le circuit magnétique utilisé ici prend la forme classique de deux pièces en forme de E, on constate que non seulement les bénéfices que fournit la présente invention ne peuvent être obtenus ici, mais que, de plus, une tentative pour obtenir ces avantages en donnant aux. pièces du circuit magnétique une forme de révolution serait vouée à l'échec en raison des proportions respectives que présentent initialement ces deux entrefers ; une telle tentative s'opposerait, par ailleurs, constructivement à la mise en place des moyens de guidage et de transmission qui y sont décrits.
  • En effet, dans l'un des modes de réalisation présentés où l'entrefer de fermeture est placé hors de la bobine, la réluctance de l'entrefer de fermeture, qui devrait favoriser l'importance du flux, ne peut ici apporter à la force d'attraction initiale une sensible amélioration dans la mesure où les surfaces polaires de l'entrefer de travail ne peuvent dépasser une certaine valeur sans provoquer une augmentation parallèle du volume de la bobine, et où les surfaces de recouvrement de l'entrefer de fermeture sont faibles.
  • Dans un second mode de réalisation proposé, où les entrefers de travail sont placés hors de la bobine et où l'entrefer de fermeture est placé à l'intérieur de celle-ci, la valeur de la réluctance initiale est très élevée en raison du fait que les surfaces mobiles en regard dans l'entrefer de fermeture sont extrêmement réduites ; de plus, toute augmentation de leur recouvrement provoquerait une diminution sensible de la course, qui s'opposerait aux buts que se propose d'atteindre le mécanisme associé à cet électro-aimant.
  • Dans les deux modes de réalisation, on remarque enfin que la liberté qui doit être donnée aux deux pièces mobiles de l'armature, ainsi que l'espace nécessaire au passage d'un arbre de transmission, réduisent si considérablement les ampères-tours appliqués au circuit que le coefficient de remplissage de la fenêtre ne peut ici dépasser 30 %.
  • On rencontre actuellement le problème de loger dans un faible volume, habituellement occupé par un électro-aimant alternatif de contacteur de petite taille, un électro-aimant alimenté en courant continu dont la consommation soit très faible (ou en tout cas, voisine de celle d'un relais de signalisation), pour que de tels électro-aimants puissent être alimentés en grand nombre par les étages de sortie des appareils électroniques modernes de traitement d'information que sont, par exemple, les contrôleurs programmables.
  • Les difficultés de la solution à apporter à ce problème peuvent être évaluées lorsque l'on sait que de tels petits contacteurs doivent être en mesure de fermer simultanément, d'une part trois interrupteurs de puissance où parfois les forces de pression de contact devront permettre l'alimentation de moteurs dont la puissance est de l'ordre de 1,5 KW sous 220 V, et dont les courses doivent être suffisantes pour assurer le cas échéant de bons isolements pour des tensions d'alimentation de l'ordre de 600 V et, d'autre part, jusqu'à trois interrupteurs auxiliaires de signalisation ; on sait, par ailleurs, qu'il est difficile de fabriquer, à performances égales, deux électro-aimants de même volume dont l'un est alimenté en courant alternatif, et l'autre en courant continu, compte tenu des différences physiques importantes qui distinguent leurs fonctionnements respectifs.
  • Ces données peuvent être précisées, par exemple, par le constat que, lorsque le volume imposé est inférieur à 20 cm3, que des isolements tels que précisés ci-dessus nécessitent des courses d'ouverture de 3 à 4 mm, que l'obtention d'une pression de l'ordre de 250 g sur des contacts fermés est nécessitée par la présence des interrupteurs mentionnés, et qu'une puissance de 0,5 W pour alimenter la bobine est actuellement un objectif visé par les constructeurs, on ne peut disposer que d'environ 130 Ampères-tours pour que l'électro-aimant développe à l'appel une force de l'ordre de 100 cN (même lorsque se présentent une baisse de tension ou une élévation de température importante) pour que soit remplie l'obligation de maintenir avec sécurité l'ensemble des masses mobiles à leur position de repos.
  • Par ailleurs, les tendances modernes à la réduction des coûts techniques de montage et à l'augmentation de la fiabilité font que l'on souhaite transmettre directement aux contacts, c'est-à-dire sans moyens de multiplication de mouvement, les déplacements qu'effectue l'armature de l'électro-aimant.
  • Dans les contacteurs de ce type, où le nombre des manoeuvres peut atteindre des chiffres très élevés, il est nécessaire de réduire des détériorations et usures que pourraient produire les percussions répétées de l'armature sur la culasse fixe.
  • Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, où la réduction de l'intensité de ces chocs a été prise en compte, et qui s'accompagne d'une réduction supplémentaire du volume de la bobine allant dans le même sens que les objectifs définis ci-dessus, la réduction de l'intensité de la force d'attraction terminale est déterminée par un choix du diamètre du noyau qui y fait localement apparaître des phénomènes de saturation ne prenant une importance prépondérante que lorsque la réluctance de l'entrefer de travail diminue.
  • Selon une exécution particulière de ces dernières mesures qui vise à donner à la courbe d'attraction une allure croissante sensiblement linéaire, ces phénomènes de saturation font sensiblement évoluer l'induction dans le noyau dans un rapport de 1 à 2.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après.
  • Au dessin annexé :
    • Les figures 1, 2 et 3 représentent un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'entrefer de fermeture est disposé à l'intérieur de la bobine, tandis que l'entrefer de travail est situé à la périphérie du pot ;
    • La figure 4 illustre un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel les entrefers de travail et de fermeture sont placés à la périphérie du pot ;
    • La figure 5 montre les dimensions que peut prendre un électro-aimant selon l'invention pour répondre à des données numériques définies par ailleurs ;
    • La figure 7 illustre une répartition du flux développé dans le circuit pour une certaine position de l'armature ;
    • La figure 6 représente un diagramme de l'évolution des forces d'attraction et des forces résistantes rencontrées par un électro-aimant selon l'invention, lorsqu'il est appliqué à un petit contacteur ;
    • La figure 8 représente, à des fins de comparaison, un électro-aimant en forme de pot connu dans l'art antérieur ;
    • La figure 9 montre un électro-aimant conforme à l'invention, dans lequel l'augmentation de la surface de l'entrefer de travail a été obtenue par des voies différentes des précédentes ;
    • La figure 10 montre un exemple de mesures pouvant être prises pour diminuer la réluctance de l'entrefer de fermeture ;
    • La figure 11 représente, dans une vue extérieure en élévation, un électro-aimant dans lequel la réluctance de l'entrefer de fermeture évolue pendant la course de l'armature ;
    • Les figures 12 et 13 illustrent, dans une vue en élévation extérieure et, respectivement, dans une vue de dessus coupée par le plan TT', un électro-aimant ayant les mêmes propriétés que le précédent, mais où l'évolution de la réluctance peut être choisie parmi l'une de deux évolutions possibles.
  • Un électro-aimant l' conforme à l'invention et visible à la figure 1 présente deux pièces de révolution magnétisables 2, 3, mobiles l'une par rapport à l'autre le long d'un axe de révolution commun XX', et engagées l'une dans l'autre. Ces pièces prennent, une fois engagées, l'allure d'un pot dont le volume intérieur 18 est occupé par un bobinage 4 ayant des amenées de courant 5, 6, qui traversent par exemple la pièce 3 considérée ici comme fixe, alors que l'inverse serait également possible.
  • La pièce 3 comporte un fond 7 sensiblement plat au centre duquel saille un noyau 8 cylindrique pourvu sur sa surface extérieure d'une mince couche 9 d'un matériau amagnétique présentant de bonnes propriétés de frottement. Une jupe annulaire 10 prolonge extérieurement le fond parallèlement au noyau et comporte à son extrémité libre une surface conique 11 de révolution faisant un angle a avec l'axe.
  • La seconde pièce 2, qui est donc ici supposée mobile, présente une forme comparable à celle de la pièce 3, mais comporte au centre de son fond 16 un prolongement tubulaire 12 dont l'alésage 13 est traversé par le noyau 8 et glisse sur lui à frottement doux, tandis que sa courte jupe 14 présente une surface conique 15 d'angle a qui est parallèle à la précédente, en regard de laquelle elle se trouve.
  • En raison des propriétés et de la fonction même de l'électro-aimant, un ressort de rappel 17, qui, à titre d'exemple a été disposé à l'intérieur du volume 18 compris entre les pièces 2 et 3, mais qui pourrait être placé à l'extérieur, communique à la pièce 3 une force de rappel vers une position de repos où elle rencontre une butée 19 et où une distance "c" égale à la course relative des pièces 2 et 3 sépare les surfaces coniques parallèlement à l'axe XX'.
  • La pièce mobile 2, qui sera désormais appelée l'armature, peut être mécaniquement attelée à toute pièce ou dispositif pour lui communiquer un déplacement d'amplitude égale à "c" qui, pour se produire, nécessite que les ampères-tours circulant dans la bobine soient suffisants pour vaincre, d'abord une force résistante initiale, grâce à une force d'appel initiale développée par l'attraction de l'armature, et soient ensuite utilisés efficacement pour vaincre d'autres forces résistantes qui apparaissent au cours du déplacement, par exemple pour opérer la compression de ressorts de pression, si l'armature est associée à des contacts mobiles d'interrupteurs (non représentés).
  • On voit que les ampères-tours développés par une bobine sont essentiellement utilisés pour magnétiser, d'une part, l'entrefer de travail E qui sépare les surfaces polaires coniques et, d'autre part, l'inévitable entrefer de fermeture -e- que doit traverser le flux magnétique.
  • L'induction initiale Bi dans l'entrefer E, ainsi que les dimensions des surfaces polaires 15 et 11, doivent elles- mêmes être suffisantes pour que la force d'appel initiale f soit supérieure aux efforts résistants initiaux Ri.
  • Les dimensions d'un électro-aimant apte à développer une telle force d'appel, lorsqu'une course "c" doit être effectuée en dépassant des forces résistantes initiales dont la variation ultérieure est connue d'avance, peuvent être obtenues sans difficulté par des moyens et un calcul connus, lorsque la puissance et le volume dont peut disposer l'électro-aimant ne font l'objet d'aucune contrainte particulière.
  • Il n'en est pas de même lorsque, par exemple, on se propose, soit de placer, dans un boîtier de contacteur utilisant un électro-aimant à courant alternatif, un électro-aimant alimenté par un courant continu, car le volume de ce dernier est généralement supérieur d'environ 50 %, soit de limiter la puissance d'un électro-aimant, par exemple à une puissance d'un demi-Watt, tout en lui demandant de développer à l'appel des forces initiales de l'ordre de 100 cN, en effectuant ensuite une course de l'ordre de 3 à 4 mm.
  • On sait par ailleurs que, si à l'inverse du comportement des électro-aimants alimentés en courant alternatif, l'armature d'un électro-aimant alimenté en courant continu ne subit qu'une faible force d'attraction à l'appel, cette dernière connaît ensuite une évolution croissante très rapide dont l'excédent par rapport aux forces résistantes devient, non seulement inutile, mais encore nuisible, en raison de la vitesse finale qu'atteint alors l'armature lorsqu'aucun moyen ou phénomène auxiliaire ne vient en contrecarrer l'évolution.
  • Un autre électro-aimant l'a, représenté à la figure 2, où les mêmes références concernent des organes ayant de mêmes fonctions, dérive directement du précédent par inversion de la position du noyau 8' et du prolongement tubulaire 12' qui sont maintenant reliés à l'armature 2' et au pot de culasse 3'. Dans les deux exemples de réalisation des figures 1 et 2, la longueur axiale le long de laquelle s'étend l'entrefer -e-, respectivement -e'- sera aussi grande que possible pour des raisons justifiées plus loin ; dans tous les cas, cette longueur sera toujours voisine de la hauteur -H- de la bobine 4.
  • L'électro-aimant lb représenté à la figure 3 montre comment la position de l'entrefer de travail Eb peut être modifiée dans l'une ou l'autre des formes de réalisation illustrées aux figures 1 ou 2, en rapprochant cet entrefer du fond 7b de la culasse fixe 3b pour diminuer les flux de fuite qui pourraient ne pas concourrir à l'attraction de l'armature ; la jupe 14' de l'armature mobile 2b est ici plus longue que dans le cas précédent et la jupe 10' est elle, par contre, plus courte.
  • Un autre électro-aimant 1" conforme à l'invention, et visible à la figure 4, comporte une culasse fixe 20 qui est formée par l'assemblage de deux pièces de révolution magnétisables 21 et 22, une armature magnétisable mobile 23, une bobine 24 et un ressort 17'.
  • Une fois assemblée, la culasse 20 retient, dans un volume intérieur 80, la bobine qui a été auparavant introduite autour d'un noyau massif 25 de la pièce 21 concentrique et solidaire d'un fond 26 portant à sa périphérie une surface conique 81 faisant un angle a avec l'axe YY'.
  • L'extrémité libre 27 du noyau est ici ancrée dans le fond plat 28 de la pièce 22, qui est prolongée par une jupe annulaire 29 dont la surface est de préférence recouverte d'une fine couche de matière amagnétique antifriction 30 et qui s'étend parallèlement au noyau 25.
  • L'armature mobile 23 prend la forme d'un anneau dont la surface cylindrique interne 31 coulisse avec un jeu approprié sur la couche 30 et dont une extrémité placée en regard de la surface 81 présente une surface conique parallèle 32 ; la longueur "m" de cette armature est de préférence supérieure à la hauteur "h" de la jupe 29, pour lui permettre de glisser sans que soit diminuée la surface de contact et donc augmentée la réluctance ; on verra ultérieurement que certains aménagements peuvent être toutefois apportés à la valeur de celle-ci pour répondre à des objectifs particuliers. On constate que, grâce à cette disposition, l'ensemble du volume interne 80 de la culasse 20 est occupé par la bobine 24.
  • Dans les deux modes de réalisation de l'invention, les ampères-tours -ni- développés par la bobine lorsque celle-ci est traversée par le courant, vont faire développer un flux φ qui va circuler dans les pièces magnétisables, en traversant, d'une part, un entrefer de travail, qui est placé entre les surfaces coniques 81, 32, respectivement 11, 15 et dont la dimension est - E - et, d'autre part, un entrefer de fermeture, qui est matérialisé par l'épaisseur - e - de la couche de matière antifriction.
  • L'entrefer E dont la surface est - s - et l'entrefer - e - dont la surface est - S -, définissent des réluctances R1 et R2 qui donnent au flux une valeur φ faisant apparaître des inductions B1 et B 2.
  • Dans les électro-aimants conformes à l'invention, on s'arrange pour que la réluctance R2 soit aussi faible que possible devant la réluctance R1 lorsque l'armature est en position ouverte et que le produit du carré de l'induction initiale B1 par la surface - s - (ou force d'attraction initiale - Fi) soit aussi élevée que possible lorsque les armatures sont au repos, de façon à vaincre aisément les forces résistantes initiales Ri.
  • On remarquera que cette induction initiale B1 doit être choisie pour que la force d'attraction courante soit en mesure d'évoluer en restant par exemple supérieure aux efforts résistants progressifs ou étagés que l'on rencontre successivement ou simultanément lorsque l'armature actionne des contacts mobiles d'un contacteur. En effet, si l'induction initiale était déjà élevée, l'apparition de la saturation dans le circuit magnétique donnerait une faible croissance aux forces d'attraction lorsque l'armature se déplace.
  • Lorsque l'induction initiale B1 est convenablement choisie, la saturation n'apparaît (si elle apparaît) sur les surfaces - s - que lorsque l'armature est très voisine de la culasse, et les effets de la saturation se développent auparavant soit dans le noyau 8 de section - f -, respectivement 25, soit dans les régions 34, 35, respectivement 36, 37, pour que la croissance des forces d'attraction soit juste supérieure à la croissance des efforts résistants.
  • L'intérêt de faire apparaître la saturation à ces niveaux en leur donnant une section appropriée, résulte du fait que toute diminution de la section du noyau se répercute dans un sens favorable sur le volume de la bobine, donc sur la puissance qui sera nécessaire pour faire apparaître les ampères-tours. Une telle diminution, qui se répercute également sur le volume total de l'électro-aimant, est également favorable à l'évacuation des pertes Joule, car, à densité de courant constante, la surface externe de l'électro-aimant diminue proportionnellement moins que le volume interne.
  • Les dimensions et paramètres d'un électro-aimant 1"' conforme à l'invention, qui sont donnés à la figure 5, et l'évolution de la force d'attraction, qui est donnée au graphique de la figure 6 montrent que, d'une part, le volume d'un tel électro-aimant (alimenté en courant continu) peut rivaliser avec celui d'un électro-aimant alimenté en courant alternatif et que, d'autre part, la puissance nécessaire à son excitation, qui est de l'ordre de 0,5 W, permet de faire alimenter directement un nombre important de petits contacteurs qui utilisent ces électro-aimants par les étages de soitie d'une unité de commande électronique telle qu'un séquenceur programmable.
  • On remarquera, à l'examen de la figure 7, qui montre la distribution du flux à circuit ouvert, que les flux de fuite susceptibles d'apparaître entre les régions L, M, N, Q sont très faibles ; ce bon résultat est du au fait que les sections des masses magnétiques autres que le noyau sont choisies pour ne pas se saturer.
  • On constatera également qu'une grande liberté est donnée au concepteur et/ou à l'utilisateur pour choisir la valeur de la surface - s - la mieux adaptée à ses besoins, grâce à une inclinaison alpha plus ou moins prononcée des surfaces coniques.
  • Dans la pratique, l'entrefer E = .... est déterminé par la valeur de la course - C - nécessaire pour opérer un bon isolement et une bonne compression des contacts mobiles associés à l'armature et l'inclinaison a en résulte, tandis que la valeur de l'entrefer - e - ne peut descendre au-dessous d'un seuil raisonnable, qui est déterminé par les moyens et matériaux utilisés dans une fabrication économique de grande série ; on peut par exemple choisir 0,1 mm <e < 0,5 mm.
  • Un calcul rapide et simplifié dont les détails sont donnés ci-dessous montre que les performances d'un électro-aimant en pot de forme conventionnelle, qui est illustré à la figure 8, sont à dimensions égales nettement inférieures à celles d'un électro-aimant selon l'invention ; la souplesse du contrôle de l'induction B3 du noyau qui est acquise dans l'invention se fait sans détriment, ni pour la force d'attraction, ni pour le volume de la bobine, avantage qui ne peut pas se retrouver dans l'électro-aimant selon la figure 8, en raison du fait que la volumineuse région interne du noyau qui est utilisée pour développer une part importante de la force d'attraction est également celle où les phénomènes de saturation vont d'abord apparaître.
  • Soit - ni - les ampères-tours disponibles, et - R - la réluctance du circuit magnétique considérée comme uniquement représentée par les entrefers, donc en ne tenant pas compte de la saturation ; les coefficients constants sont représentés par la lettre G.
  • Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Si l'on pose E = K1e et S = K2s, R devient
    Figure imgb0005
    d'où :
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
  • La force d'attraction initiale Fi est donnée par :
    Figure imgb0010
  • Dans l'invention, où la course de l'armature est de 3 mm et où les angles a font 30°, un entrefer - e - de fermeture a été choisi égal à 0,3 mm et un entrefer de travail - E - égal à 1,5 mm résulte des choix géométriques ; par suite, K1 = 5.
  • Pour un diamètre extérieur de 30 mm et une hauteur - h - égale à 19 mm, on a s = 4,3 cm2, S = 15 cm2 ; par suite, K 2 = 3,5 d'où
    Figure imgb0011
    Figure imgb0012
  • Si l'on donne à un électro-aimant connu selon la figure 6 les mêmes dimensions extérieures, la même course, les mêmes dimensions d'entrefer de travail (E,s), et que l'on tient compte d'un entrefer de fermetur.e E disposé sur un noyau de même section - f - où l'angle a = 30°, on a
    Figure imgb0013
    Figure imgb0014
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
  • L'application des mêmes formules pour des -ni- identiques et en tenant compte du fait qu'une induction B'1 s'applique à - s - et une induction B'2 s'applique à S' à travers deux entrefers - E - de valeurs égales à 1,5 mm, donne une force initiale totale :
    Figure imgb0017
  • Entre Fi et F'i, il existe donc un rapport de multiplication égal à 170 44 = 3,9.
  • La comparaison entre un électro-aimant l' selon la figure l ou 2, par exemple S = 5,6 cm2 lorsque H = 1,9 cm et donc K2 = 1,3 et un électro-aimant conventionnel amène à une proportion encore très favorable de 143 44 = 3,25.
  • La réserve d'amplification de la force d'attraction initiale fournie par l'électro-aimant selon l'invention permet d'envisager de multiples applications où, non seulement cette force, mais encore son évolution pourront être aisément adaptées aux besoins, en modifiant non seulement les rapports K1 et K2 mais encore, éventuellement, le rapport K3 qui lie la surface polaire de travail - s - et la section - f - du noyau selon l'égalité s = K3f.
  • Ce rapport K3 dont l'augmentation pour une surface - s - et un coefficient K2 donnés, fait apparaître plus tôt la saturation du noyau, permet par exemple de définir l'induction terminale Blt, donc la force d'attraction terminale ; dans l'exemple de réalisation de la figure 5, K3 = 6,8.
  • Une augmentation de K2 qui réduit la réluctance R2 augmente la force d'attraction initiale, ainsi que le taux de croissance ; son ajustement permet également de fixer le cas échéant la force d'attraction à mi-course, juste avant que les effets de la saturation puissent se faire sentir notablement.
  • Dans l'exemple de réalisation selon la figure 5, où l'on s'est donné l'objectif de faire vaincre à l'électro-aimant d'un petit contacteur les forces résistantes -Q-, le calcul et le relevé permettent de voir que (K2 étant égal à 3,5) la force d'attraction F est voisine de la moitié de sa valeur maximale après une course initiale allant de 30 à 40 % de la course totale et que la force initiale est voisine de 100 cN.
  • La mise en œuvre de surfaces polaires de travail très inclinées, qui pourrait éventuellement créer quelques difficultés de coopération à la fermeture, n'est nécessaire que si l'on se propose d'atteindre des forces initiales importantes, sans que les dimensions extérieures et la masse de l'armature deviennent excessives.
  • Le fait de remplacer les surfaces coniques de l'électro-aimant selon la figure 5 par des surfaces droites séparées de la valeur de la course, modifierait à la fois les rapports : S + K2 s en donnant K2 = 7 et E = K1e en donnant K1 = 10 ; ces valeurs ne donnent plus à la force d'attraction initiale une amplification intéressante par rapport à l'art antérieur ; on constate le rôle important que joue l'inclinaison des surfaces de l'entrefer de travail.
  • Dans les calculs simplifiés utilisés ci-dessus pour effectuer des comparaisons, les forces de frottement n'ont pas été prises en compte ; il est clair que si ces forces sont exprimées par les effets d'une force d'attraction latérale que peut communiquer à l'armature annulaire 23 le frottement contre la surface de la jupe 29 du pot, un calcul d'optimisation peut être conduit pour trouver les valeurs les plus appropriées de Kl, K2 et K 3.
  • L'expression de la force nette utile Fu comprend alors un coefficient de la forme (1- r K) qui montre, s'il en était 2 besoin, que cette force est plus importante lorsque le coefficient de frottement r est faible et que K2 est élevé.
  • Des simulations ont permis de choisir une évolution de l'induction B3 dans le noyau qui est avantageusement comprise entre 0,7 Tesla et 1,6 Tesla (soit un rapport voisin de 2) lorsque l'armature se ferme, cette évolution étant bien adaptée à l'application aux contacteurs.
  • L'invention peut connaître, dans une variante 56 de l'électro-aimant, des formes de réalisation qui la placent toujours dans le cadre de l'obtention d'une force d'attraction initiale élevée ; au lieu de mettre en oeuvre des surfaces inclinées régies par des cônes, les surfaces polaires de l'entrefer de travail pourraient présenter chacune une série de dents 50, respectivement 51, à flancs inclinés, venant en coopération par pénétration des saillies de l'une dans les intervalles de l'autre ; des moyens d'orientation angulaire 52, 53, par exemple à rainure axiale et goupille transversale, peuvent alors se révéler nécessaire pour empêcher une rotation de l'armature 54 par rapport à la culasse 55 au moment de l'excitation de la bobine, voir figure 9.
  • Une augmentation de la surface S que doit présenter l'entrefer de fermeture (et donc de K2) peut être obtenue par exemple à l'aide d'un prolongement 59 de l'armature 60 coopérant avec une extension 57 de la jupe 61 appartenant à la culasse 58, voir figure 10.
  • Tout en restant dans le cadre d'une valeur élevée de la surface de l'entrefer de fermeture S, on peut souhaiter, pour des applications où une faible évolution de la courbe d'attraction doit répondre à des prescriptions particulières, que sa valeur diminue pendant la course de l'armature ; un tel résultat peut être obtenu en donnant à la jupe 63 de l'électro-aimant visible à la figure 11 et à son armature annulaire 64, des découpes 66, respectivement 67,-de préférence symétriques, qui modifient les valeurs des surfaces S placées en regard lorsque cette armature se déplace. Une distribution angulaire progressive des découpes 75, 76 permettrait, le cas échéant, de choisir l'une de plusieurs courbes d'attraction possibles, en donnant à l'armature 70 de l'électro-aimant 69 avant montage, une orientation angulaire particulière par rapport au pot de culasse 71, orientation qui serait assurée par des moyens de guidage tels que goupille 72 et rainures 73, 74 visibles aux figures 12 et 13.
  • On peut enfin observer que le choix de l'orientation de la conicité des surfaces de l'entrefer de travail, visible aux figures 1, 2 et 3, a été fait pour que les effets d'un léger jeu radial présent sur l'entrefer de fermeture ne produise pas un déséquilibre des valeurs que peuvent prendre deux portions d'entrefers de travail diamétralement opposés ; un tel déséquilibre, qui se produirait dans le cas contraire, pourrait provoquer des coincements, voir figure 3.
  • L'orientation choisie peut être définie comme celle qui fait passer, au voisinage d'un point central 0, placé sur l'axe de symétrie XX', respectivement YY', une demi-droite normale élevée sur une surface conique concave telle que 15, respectivement 81, voir figure 4.
  • La notion de pot cylindrique, qui a été utilisée dans les exemples précédents, ne doit pas être limitée à celle d'un cylindre de révolution qui en constitue cependant le mode de réalisation le plus avantageux.
  • On peut également envisager l'utilisation de cylindres droits dont la surface externe serait définie par le trajet d'une droite génératrice s'appuyant sur une courbe ou figure directrice différente d'un cercle.
  • Moyennant la mise en oeuvre de moyens et procédés de fabrication particuliers, il est possible de réaliser des pots d'électro-aimant de forme quasi-prismatique, ou, en d'autres termes, de pots à section carrée ou rectangulaire à bords arrondis, afin d'augmenter les surfaces qui limitent l'entrefer d'appel ; la réalisation de l'entrefer de fermeture peut alors faire usage d'une couche isolante sous forme de film, qui est collée sur la jupe de ce pot et à une armature coulissante ayant une section correspondante.

Claims (5)

1. Electro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation, comprenant une culasse magnétisable en forme de pot présentant :
- un noyau central,
- une bobine disposée dans ce pot concentriquement au noyau, et
- une armature mobile soumise à l'action d'un ressort de rappel et dont des surfaces polaires périphériques, ayant une forme qui augmente leurs valeurs, coopèrent avec des surfaces de même forme portées par une jupe annulaire du pot, à travers un entrefer de travail qui se trouve placé magnétiquement en série avec un entrefer de fermeture du flux,

caractérisé en ce que cet entrefer de fermeture (e, S) possède une grande surface (S) et présente une faible réluctance "R2" en regard de celle "Rl" que présente l'entrefer de travail (E, s) lorsque celui-ci est ouvert, et comporte des surfaces cylindriques (13, 9), respectivement (30, 31), parallèles à la direction du mouvement de l'armature (2), respectivement (23), de façon que cette première réluctance "R2" ne soit sensiblement pas affectée par ce mouvement.
2. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force d'attraction terminale Ft de l'armature (2), respectivement (23), est essentiellement déterminée par la dimension du noyau central (8, 12), respectivement (25), dont la section - f - est choisie pour que les phénomènes de saturation magnétique y prennent une importance prépondérante lorsque l'entrefer de travail (E, s) diminue de réluctance.
3. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les phénomènes de saturation dans le noyau (25) y font évoluer sensiblement l'induction dans le rapport de 1 à 2 lorsque l'armature (23) se déplace entre sa position de repos et sa position de travail.
4. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer de fermeture (e, S), qui est disposé entre un noyau (12, 12') tubulaire et un noyau massif (8, 8') placés tous deux au centre de la bobine et liés respectivement à des pièces fixe (3, 3') et mobile (2, 2') de l'électro-aimant (l', l'a), s'étend sensiblement sur la hauteur -H- de la bobine (4).
5. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer de fermeture (e, S) est disposé entre une jupe externe cylindrique (29) d'une pièce (22) du pot magnétique (20) et une armature mobile annulaire (23) qui porte à une extrémité des surfaces polaires (32) définissant l'entrefer de travail (E, s).
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