EP1655755A1 - Actionneur électromagnétique à bobine mobile - Google Patents

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EP1655755A1
EP1655755A1 EP05110059A EP05110059A EP1655755A1 EP 1655755 A1 EP1655755 A1 EP 1655755A1 EP 05110059 A EP05110059 A EP 05110059A EP 05110059 A EP05110059 A EP 05110059A EP 1655755 A1 EP1655755 A1 EP 1655755A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
electromagnetic actuator
movable
actuator according
gap
Prior art date
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Granted
Application number
EP05110059A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1655755B1 (fr
Inventor
Christian Bataille
José Desforges
Stéphane FOLLIC
Didier Vigouroux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries SAS filed Critical Schneider Electric Industries SAS
Publication of EP1655755A1 publication Critical patent/EP1655755A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1655755B1 publication Critical patent/EP1655755B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H53/00—Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them
    • H01H53/01—Details
    • H01H53/015—Moving coils; Contact-driving arrangements associated therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2209—Polarised relays with rectilinearly movable armature

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator intended to be used in a switch electrical appliance, in particular in a relay, contactor or contactor-circuit breaker type apparatus.
  • the switch device comprises fixed contacts cooperating with moving contacts and an electromagnetic actuator which moves the movable contacts between a closed position in which they are pressed against the fixed contacts to circulate the supply current in the electric charge. , and an open position in which they are separated from the fixed contacts, thereby cutting off power to the load.
  • the actuators can use various types of actuation systems based on different magnetic and / or electromagnetic properties.
  • an electromagnet reluctant system is an actuating system frequently used in contactors. It comprises a fixed excitation coil traversed by an electric control current and a variable inductance ferromagnetic circuit comprising a fixed part and a movable part. It can also be polarized by the addition of a permanent magnet.
  • a reluctant system mainly generates a magnetic force that results from the change in reluctance due to the variation of the gap thickness of the magnetic circuit between the open and closed positions. This force is inversely proportional to the thickness of the magnetic gap. In the closed position, when the thickness of the gap is minimal, the motor force generated is therefore maximum. A low holding current in the coil is then sufficient to oppose the resisting force of the return means (such as return springs and contact pressure springs) and maintain the system in the closed position with a pressure of sufficient contact. Nevertheless, a reluctant system is capable of providing this important motor force only over a very short stroke, generally less than a few millimeters.
  • the thickness of the air gap of the magnetic circuit is maximum.
  • a high inrush current in the coil is necessary to create a sufficient motor force capable of attracting the moving part of the magnetic circuit. This can then lead to oversize the entire system (magnetic circuit and coil) with respect to this need for a high inrush current in the coil.
  • An electromechanical voice coil actuation system also called an electrodynamic system, is characterized by a fixed ferromagnetic circuit, a fixed magnet assembly and a voice coil.
  • the magnetic force is mainly a Laplace force that results from the variation of the mutual inductance between the magnet assembly and the coil. It is proportional to the coil current and the magnetic induction generated by the magnet assembly.
  • Such a system therefore provides a motor force having a good linearity throughout the race between the open and closed positions, for a magnetic flux and a given coil current.
  • this system does not provide a significant additional motor force near the closed position to ensure a good contact pressure of the movable contacts on the fixed contacts of the switch device. It is then necessary to greatly increase the coil current in the closed position, resulting in a significant electrical consumption as well as possible thermal problems.
  • the invention therefore proposes to improve the existing devices by combining in the same actuator a reluctant system of the electromagnet type with a voice coil system, so as to combine the advantages of these two technologies. This will in particular improve the dynamics of closing movement of an electromagnet through the action of a voice coil system. Conversely, it will also improve the contact pressure of the moving contacts of a voice coil system by the action of an electromagnet.
  • the invention describes an electromagnetic actuator for a switchgear comprising a fixed ferromagnetic yoke, a fixed magnet assembly and a coil movable along an axis of displacement under the action of the magnet assembly when an electric control current crosses the coil.
  • the actuator comprises a movable ferromagnetic element which is mechanically bonded to the coil and which has at least one gap surface to form a magnetic gap of variable thickness with at least one corresponding gap surface of the fixed yoke.
  • the fixed yoke comprises two lateral flanks and a fixed central core and the magnet assembly is composed of two magnets attached to the lateral flanks symmetrically with respect to the axis of movement of the coil.
  • the actuator comprises a residual magnetic gap of substantially constant thickness formed by an air gap surface of the movable element parallel to the axis of displacement of the coil and a corresponding air gap surface of the cylinder head fixed.
  • the actuator comprises control electric current control means for controlling the force applied to the voice coil.
  • the invention also relates to an electrical switch device comprising one or more fixed contacts cooperating with one or more movable contacts to switch the supply of an electrical load connected downstream of the apparatus and comprising at least one such electromagnetic actuator to actuate the or mobile contacts.
  • the profile of the curve of the motor force of the actuator is much more suited to the profile of the curve of the resisting force of the moving contacts in a contactor type device.
  • the voice coil system provides the necessary motor force during the approach stroke of the movable contacts and the electromagnet provides the additional motor force needed at the end of stroke to press and hold the movable contacts against the fixed contacts.
  • the proposed solution is simple, easy to implement and allows to optimize performance, dimensions and consumption compared to an existing actuator for given characteristics of a device.
  • an actuator of a switchgear comprises a fixed yoke 10 of ferromagnetic material which has a U-shape with two lateral flanks 12, 13 and a base 14, as well as a central core 15 which rests on the base 14.
  • the central core 15 is wholly or partially surrounded by an excitation coil 30 which is movable in translation along a longitudinal displacement axis X when a current flows through it electrical control.
  • the actuator comprises a movable ferromagnetic element, consisting of a movable vane 20 in FIGS. 1 & 2, which is mechanically connected to the coil 30 by connecting means 35.
  • Various conventional connecting means not detailed here can easily be used to secure the moving pallet 20 with the spool
  • the mobile contact (s) of the device are coupled with this mobile arrangement "coil + pallet”.
  • the pallet 20 and the coil 30 thus move along the longitudinal axis X between an open position and a closed position in order to actuate movable contacts of the switch device.
  • the actuator also comprises a magnet assembly which is composed of two magnets 32,33 fixed on the inner wall of the lateral flanks 12, 13, respectively, symmetrically with respect to the longitudinal axis X of the coil.
  • the magnetization axes of the magnets 32, 33 are perpendicular and symmetrical with respect to the X axis, and they are indifferently directed either towards the X axis or opposite the X axis.
  • the magnetic circuit of the actuator thus comprises a fixed part composed of the fixed yoke 10 and a movable part composed of the moving vane 20.
  • the circuit consists of two halves symmetrical with respect to the axis X that generate a magnetic flux B2 when a current flows in the coil 30.
  • Each magnetic circuit half has a magnetic gap of variable thickness E1 which is formed between the surface of the end of the lateral flanks 12, 13 and the corresponding gap surfaces of the pallet 20 located opposite the end of the flanks 12.13.
  • Each half of the magnetic circuit also has a residual magnetic gap of substantially constant thickness E2 formed between the central core 15 and the pallet 20 by surfaces parallel to the X axis and facing each other. . This residual gap makes it possible not to saturate the magnetic circuit in closed position.
  • the global air gap of each half of the magnetic circuit is therefore equal to E1 + E2 in the open position and equal to E2 in the closed position, if the pallet 20 is pressed against the sidewalls 12, 13 in the closed position.
  • the magnetic flux path B2 is as follows (see FIG. 2): central core 15, base 14, flanks 12, 13, gaps E1 between flanks 12, 13 and pallet 20, airlocks E2 and central core 15. Flow B2 generates an attractive force F A which is applied to the movable pallet 20 so as to decrease the gap E1.
  • each magnet 32,33 creates a magnetic flux B1 (see FIG. 1) which passes through the coil 30, the central core 15, the base 14 and the flanks 12,13 before loop back into the magnets 32,33.
  • the flow B1 passes through the coil 30 substantially perpendicular to the longitudinal axis X.
  • a control current passes through the coil 30, then it creates a Laplace F L force which tends to move the coil along the X axis.
  • This force F L is proportional in particular to the control current and does not depend on the position of the coil 30, which causes a regular movement of the coil . This effort can be further easily controlled and regulated by varying the direction and intensity of the control current.
  • this device thus very simply combines a voice coil actuator, for example of the Voice-coil type, capable of providing a smooth movement over the entire travel of the coil with an electromagnet-type actuator capable of providing additional effort. important in the vicinity of the closed position. It is therefore no longer necessary to provide in the coil either a large holding current in the closed position to ensure a satisfactory contact pressure as with a simple voice coil actuator, or a large inrush current in the open position to start the closing movement of the mobile pallet as with a simple electromagnet.
  • the value E1 of the variable magnetic air gap is, for example, chosen so that the force F A intervenes substantially during the closing stroke before the movable contacts of the apparatus come into contact with the fixed contacts. This effectively overcomes the increase in the resisting force occurring at this time and can then apply to the movable contacts a sufficient contact pressure, relative to the desired characteristics of the device.
  • the value E2 of the residual air gap is chosen to minimize the saturation of the magnetic circuit in the closed position.
  • the actuator may comprise known return means (such as a return spring not shown in the figures) and may additionally send a reverse control current in the coil to better control this movement (for example to accelerate it).
  • known return means such as a return spring not shown in the figures
  • FIG. 3 shows a first variant of the first embodiment of the actuator, in the open position.
  • the moving part of the magnetic circuit is now composed of a movable core 21 of ferromagnetic material which is mechanically connected to the voice coil 30.
  • the fixed yoke 10 of the magnetic circuit comprises a base 14 carrying a fixed central core 16 and two lateral flanks 12,13 and a fixed pallet 18 placed transversely on the ends of the flanks 12,13.
  • the pallet 18 comprises a central opening for passing the movable core 21.
  • the variable air gap E1 of the magnetic circuit is formed between the surface of one end of the movable core 21 and the surface of a corresponding end of the fixed central core 16.
  • the coil 30 then surrounds the variable gap E1.
  • a residual gap E2 of the magnetic circuit is formed between the movable core 21 and the pallet 18 by their air gap surfaces parallel to the longitudinal axis X vis-à-vis each other.
  • FIG. 3 shows an end of the movable core 21 whose surface 29 is not perpendicular to the axis of displacement X, but which has non-orthogonal inclined shapes with respect to the axis X.
  • the fixed core 16 then obviously has shapes complementary to this air gap surface 29.
  • Figure 4 shows a second variant of the first embodiment of the actuator, in the closed position.
  • the moving part of the magnetic circuit is now composed of a mobile pallet 22 full.
  • the central core 17 of the fixed yoke 10 no longer crosses the pallet 22.
  • the gap of the magnetic circuit is formed between the surfaces of the ends of the lateral flanks 12, 13 and the central core 17 with corresponding surfaces of the pallet 22. maintain a residual air gap in the closed position, non-magnetic shims 23 may for example be placed on the ends of the cylinder head 10.
  • the cross section, that is to say in a plane orthogonal to the longitudinal axis X, of the coil 30 may be of substantially circular shape allowing in particular to lighten the structure of the coil, or of substantially rectangular shape in particular to improve the efficiency of the Voice-coil effect.
  • Figures 5 & 6 show a second embodiment of the invention.
  • the electromagnetic actuator of the switch device no longer has two halves of magnetic circuit on either side of the longitudinal axis of displacement X but only one half.
  • the magnetic circuit now comprises a fixed yoke 40 and a movable member 45.
  • a magnetic gap of variable thickness E1 is formed between an air gap surface of the movable member 45 and a corresponding surface of the yoke 40. In the example FIGS. 5 to 7, these gap surfaces are substantially perpendicular to the X axis.
  • a fixed residual magnetic gap is formed between an air gap surface of the movable element 45 parallel to the X axis and a screw surface. to the corresponding screw of the bolt 40.
  • the fixed magnetic assembly is composed of a magnet 52 which is placed against the fixed yoke 40 and whose magnetization axis is perpendicular to the longitudinal axis X.
  • a coil 50 movable in translation along the X axis is linked Mechanically to the movable member 45.
  • the coil 50 may surround the variable gap E1 ( Figures 5 & 6) to better use the effect produced by the coil, but could also surround the magnet 52 ( Figure 7).
  • the operation of this actuator is the same as before.
  • the movement of the coil 50 is obtained mainly by a force F L generated by the flow B1 of the magnet 52 when a current flows in the coil 50.
  • the decreasing gap E1 causes the increase of a magnetic force F A which is added to the force F L.
  • the actuator may also have means for regulating the electric control current making it possible to control and regulate the motor force applied to the voice coil so as to be able to control the position and the speed of the mobile part of the actuator.
  • These regulation means can be coupled to means for measuring the power current flowing in the contacts of the device so as to be able to switch the contacts at a predefined time.
  • the regulation means may choose to delay the opening movement until the current flowing in the contacts is less than one. predetermined threshold (switching to zero current).
  • a switch device powered by alternating current and comprising an actuator for each power pole can thus actuate the movable contacts of each pole at different times.
  • the regulating means also make it possible to slow down the end of the closing movement (possibly by sending an inverted control current in the coil) in order to minimize the risks of bouncing of the movable contacts against the fixed contacts.
  • Other functions for regulating the position and the speed of the arrangement "moving coil + moving element of the magnetic circuit" are obviously possible.
  • the regulating means may allow to go back without closing the contacts by reversing the direction of the control current in the coil, which would be impossible with a conventional electromagnet.

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  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)

Abstract

Actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur comprenant une culasse ferromagnétique fixe (10,40), un ensemble aimanté fixe (32,33,52) et une bobine mobile (30,50) selon un axe de déplacement (X) sous l'action de l'ensemble aimanté lorsqu'un courant électrique de commande traverse la bobine. L'actionneur comprend un élément ferromagnétique mobile (20,21,22,45) qui est mécaniquement lié avec la bobine et qui comporte au moins une surface d'entrefer pour former un entrefer (E1) d'épaisseur variable avec au moins une surface d'entrefer correspondante de la culasse fixe.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 FA qui s'applique sur la palette mobile 20 de façon à faire diminuer l'entrefer E1.
  • 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 FL qui tend à faire déplacer la bobine suivant l'axe X. Cette force FL 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.
  • 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 FL qui entraîne la bobine 30 dans son mouvement de fermeture. Par contre, l'épaisseur de l'entrefer E1 étant maximale, la force d'attraction FA 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 FL.
  • 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 FA va alors augmenter. Lorsque l'actionneur est en position fermée (figure 2), l'entrefer global du circuit magnétique est au minimum et la force FA appliquée à la palette 20 est maximale et vient s'ajouter à la force FL appliquée à la bobine 30.
  • 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.
  • La valeur E1 de l'entrefer magnétique variable est par exemple choisie pour que la force FA 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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 FA, 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.
  • 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.
  • Diverses autres variantes de structure de circuit magnétique pourraient également permettre d'obtenir un actionneur conforme à l'invention.
  • 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.
  • 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.
  • 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 FL 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 FA qui vient s'ajouter à la force FL.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (14)

  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.
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