EP2406805B1 - Actionneur électromagnétique à aimant permanent - Google Patents

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EP2406805B1
EP2406805B1 EP10715295.1A EP10715295A EP2406805B1 EP 2406805 B1 EP2406805 B1 EP 2406805B1 EP 10715295 A EP10715295 A EP 10715295A EP 2406805 B1 EP2406805 B1 EP 2406805B1
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armature
electromagnetic actuator
magnet
vane
magnetic
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EP10715295.1A
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Edouard Dezille
Patrice Joyeux
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Hager Electro SAS
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Hager Electro SAS
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/32—Electromagnetic mechanisms having permanently magnetised part
    • H01H71/321—Electromagnetic mechanisms having permanently magnetised part characterised by the magnetic circuit or active magnetic elements
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/2436—Electromagnetic mechanisms with a holding and a releasing magnet, the holding force being limited due to saturation of the holding magnet

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet electromagnetic actuator conventionally comprising a magnetic armature, a movable pallet, a spring mechanism and electrical means comprising at least one conductor whose current makes it possible to vary the flux in the magnetic circuit in order to modify the balance between the magnetic force and that of the spring.
  • the document WO 03/017308A discloses an electromagnetic actuator according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to provide an actuator with very high sensitivity, that is to say operating with a minimum value of ampere-turns generating however at least one gap a flow variation sufficient to counterbalance the mechanical force and cause the movement of a pallet.
  • the idea underlying the invention is to work on a flow bypass scheme, the change of the flux at the gap or air gaps being obtained indirectly because of a configuration of the magnetic circuit in which occurs an imbalance of the magnetic reluctances seen by the magnet.
  • the conductor or conductors capable of generating flow by passage of the current which runs through (s) cooperates (s) with a frame which is closed, and therefore has no gap but at least a reluctance of balanced.
  • the flow produced has an effect aimed at unbalancing said reluctances seen by the magnet, which rebalances the system and makes it possible to break - at the level of the gaps concerned by the flow variations - the equilibrium with the mechanical restoring forces.
  • the actuator of the invention more precisely comprising a permanent magnet, a ferromagnetic armature, a pallet creating at least one gap with the armature and movable between at least one open position and one closed position, mechanical means for returning the pallet in the open position and at least one electrical conductor capable of generating a magnetic flux in the armature, is essential in that the armature forms a closed magnetic loop in which the conductor or conductors are capable of generating a magnetic flux, the magnet being disposed in the moving vane and generating flux in two parallel magnetic circuits, one of which comprises a portion of the armature and the other formed in the pallet, has a cap saturable zone by the magnet or an air zone.
  • the principle of the structure of the invention consists in generating a strong variation of flux on the polar surface or surfaces of the pallet with a minimum of ampere-turns, thanks to the modification of the balance of the reluctances obtained in the set of said circuit.
  • the pallet comprises two air gaps.
  • the pallet may be U-shaped whose legs are connected by the magnet.
  • one of the two magnetic circuits in parallel is constituted by the magnet, two portions of the legs and the base of the U.
  • the saturable plug area is then preferably located in said base of the U.
  • the second circuit in parallel is then constituted, besides the magnet, by the remaining portions of the jambs, the gaps, and the section of the armature connecting the polar surfaces forming the air gaps with the pallet.
  • the pallet may be U-shaped whose legs are placed on either side of the central branch comprising the magnet, their free ends forming two air gaps with a portion of the closed loop of the frame.
  • the closed magnetic loop may either comprise a coil wound around a portion of the closed loop of the armature separate from the parallel magnetic circuits, or surround at least two power supply conductors of an electrical circuit.
  • the closed loop of the frame can obviously take various forms, for example rectangular, circular shape, etc.
  • a conductor is wound around a portion of the frame. It is then created, in case of passage of a current in the coil, a magnetic flux in the armature, and consequently in the section of the latter which is part of the second magnetic circuit supplied with flux by the magnet in parallel with the base of the U.
  • the variation of the resulting reluctance in this portion of the second circuit causes an imbalance in the two branches of reluctances seen by the magnet, which it compensates by varying the flow in the first circuit in parallel, thereby breaking the balance with the mechanical forces of recall.
  • At least two conductive wires pass through the central window of the armature.
  • the armature (1) forms a loop surmounted by the two lateral jambs (3, 4) of the U constituting the pallet (2).
  • a permanent magnet (5) joins these two legs (3, 4).
  • the buckle of the frame (1) is provided with a coil (6) surrounding one of its branches.
  • the base of the pallet (2) has a cap area (7) saturable by the magnet (5).
  • the Rmat_gauche and Rmat_droit reluctances can represent a gap and / or a saturable magnetic material.
  • the Rent1 and Rent2 reluctances represent the equivalent gap between the pallet and the armature.
  • the coil When an electrical fault appears, the coil generates a magnetic flux in the branch Rbas, R1 and R2. This has the effect of increasing the value of R1 and R2. This is valid regardless of the direction of the current but the value of ampere-turns required depends on the direction of the current.
  • the flux of the coil therefore tends to increase R1 (phi) * phi and increase R2 (phi) * phi. Seen from the magnet, the previous balance is modified. The magnet then generates more magnetic flux in the circuit containing the base of the U (Rshunt_pal (phi1) * phi1 + RpaI_haut1 (phi1) * phi1 + Rpal_haut2 (phi1) * phi1) than in the other circuit in parallel. Phi1 increases and Phi2 decreases, resulting in a variation of flux and therefore of magnetic force, with an immediate consequence on the equilibrium with the mechanical forces of the actuator, which is broken: the actuator changes state.
  • the magnet may be fixed to the pallet but may also not be, without changing the intrinsic equilibrium of the magnetic circuit.
  • the example as illustrated can not be considered exhaustive of the invention.
  • the respective shapes of the armature and its inner window may vary, as long as the constraint of the closed magnetic circuit is respected.
  • the pallet is not necessarily right U, since the magnet is arranged according to the features previously highlighted.

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Description

  • La présente invention concerne un actionneur électromagnétique à aimant permanent comportant classiquement une armature magnétique, une palette mobile, un mécanisme à ressort et des moyens électriques comprenant au moins un conducteur dont le courant permet de faire varier le flux dans le circuit magnétique en vue de modifier l'équilibre entre la force magnétique et celle du ressort. Le document WO 03/017308A décrit un actionneur électromagnétique selon le préambule de la revendication 1.
  • Le but de l'invention est de réaliser un actionneur à très haute sensibilité, c'est-à-dire fonctionnant avec une valeur minimale d'ampères-tours générant cependant au niveau d'au moins un entrefer une variation de flux suffisante pour contrebalancer la force mécanique et provoquer le déplacement d'une palette.
  • L'idée à la base de l'invention est de travailler sur un schéma à dérivation de flux, la modification du flux au niveau de l'entrefer ou des entrefers étant obtenue indirectement du fait d'une configuration du circuit magnétique dans laquelle se produit un déséquilibre des reluctances magnétiques vues par l'aimant. Dans cette hypothèse, le ou les conducteurs aptes à générer du flux par passage du courant qui le(s) parcourt coopère(nt) avec une armature qui est fermée, et ne comporte dès lors pas d'entrefer mais au moins une reluctance d'équilibre. Le flux produit a en revanche un effet visant à déséquilibrer lesdites reluctances vues par l'aimant, lequel rééquilibre le système et permet de rompre - au niveau des entrefers concernés par les variations de flux - l'équilibre avec les forces mécaniques de rappel.
  • A cet effet, l'actionneur de l'invention, comportant plus précisément un aimant permanent, une armature ferromagnétique, une palette créant au moins un entrefer avec l'armature et mobile entre au moins une position d'ouverture et une position de fermeture, des moyens mécaniques de rappel de la palette en position d'ouverture et au moins un conducteur électrique apte à générer un flux magnétique dans l'armature, se caractérise à titre essentiel en ce que l'armature forme une boucle magnétique fermée dans laquelle le ou les conducteurs sont aptes à générer un flux magnétique, l'aimant étant disposé dans la palette mobile et générant des flux dans deux circuits magnétiques en parallèle dont l'un comporte une portion de l'armature et l'autre, formé dans la palette, comporte une zone bouchon saturable par l'aimant ou une zone d'air.
  • Le principe de la structure de l'invention consiste à générer une forte variation de flux sur la ou les surfaces polaires de la palette avec un minimum d'ampères-tours, grâce à la modification de l'équilibre des reluctances obtenue dans l'ensemble dudit circuit.
  • Selon une configuration possible, la palette comporte deux entrefers.
  • Plus précisément encore, la palette peut être en forme de U dont les jambages sont reliés par l'aimant. Dans cette configuration, l'un des deux circuits magnétiques en parallèle est constitué par l'aimant, deux portions des jambages et la base du U. La zone bouchon saturable est alors de préférence située dans ladite base du U.
  • Le second circuit en parallèle est alors constitué, outre l'aimant, par les portions restantes des jambages, les entrefers, et le tronçon de l'armature reliant les surfaces polaires formant les entrefers avec la palette.
  • Alternativement la palette peut être en forme de U dont les jambages sont placés de part et d'autre de la branche centrale comportant l'aimant, leurs extrémités libres formant deux entrefers avec une portion de la boucle fermée de l'armature.
  • Selon l'invention, la boucle magnétique fermée peut soit comporter une bobine enroulée autour d'une partie de la boucle fermée de l'armature distincte des circuits magnétiques parallèles, soit entourer au moins deux conducteurs d'alimentation d'un circuit électrique.
  • La boucle fermée de l'armature peut évidemment prendre diverses formes, par exemple rectangulaire, d'allure circulaire, etc.
  • Selon une possibilité, un conducteur est bobiné autour d'une portion de l'armature. Il se crée alors, en cas de passage d'un courant dans la bobine, un flux magnétique dans l'armature, et par conséquent dans le tronçon de cette dernière qui fait partie du second circuit magnétique alimenté en flux par l'aimant en parallèle avec la base du U.
  • La variation de la reluctance qui en résulte dans cette portion du second circuit provoque un déséquilibre dans les deux branches de reluctances vues par l'aimant, qu'il compense en faisant varier le flux dans le premier circuit en parallèle, rompant du même coup l'équilibre avec les forces mécaniques de rappel.
  • Selon une variante, au moins deux fils conducteurs traversent la fenêtre centrale de l'armature.
  • L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence à des exemples illustrés par les figures annexées, pour lesquelles :
    • La figure 1 représente schématiquement une première forme possible d'actionneur pour l'invention, avec une bobine entourant une portion de l'armature ; et
    • La figure 2 montre le schéma électromagnétique équivalent à la structure de la figure 1.
  • En référence à la figure 1, l'armature (1) forme une boucle surmontée par les deux jambages latéraux (3, 4) du U constituant la palette (2). Un aimant permanent (5) joint ces deux jambages (3, 4). La boucle de l'armature (1) est dotée d'une bobine (6) entourant une de ses branches. La base de la palette (2) comporte une zone bouchon (7) saturable par l'aimant (5).
  • Le fonctionnement magnétique est expliqué en figure 2. Sans défaut électrique, l'aimant voit globalement deux branches de réluctances magnétiques en parallèle.
  • Il sature tout d'abord la réluctance Rshunt_pal de telle sorte que l'inégalité suivante soit vraie : Rshunt_pal phi ⁢ 1 + Rpal_haut ⁢ 1 phi ⁢ 1 + Rpal_haut ⁢ 2 phi ⁢ 1 > Rent ⁢ 1 + Rent ⁢ 2 + Rpal_bas ⁢ 1 phi ⁢ 2 + Rpal_bas ⁢ 2 phi ⁢ 2 + R ⁢ 1 phi ⁢ 2
    Figure imgb0001
  • Il génère alors dans chaque branche un flux magnétique tel que : Rshunt_pal phi ⁢ 1 * phi ⁢ 1 + Rpal_haut ⁢ 1 phi ⁢ 1 * phi ⁢ 1 + Rpal_haut ⁢ 2 phi ⁢ 1 * phi ⁢ 1 = Rent ⁢ 1 * phi ⁢ 2 + Rent ⁢ 2 * phi ⁢ 2 + Rpal_bas ⁢ 1 phi ⁢ 2 * phi ⁢ 2 + Rpal_bas ⁢ 2 phi ⁢ 2 * phi ⁢ 2 + R ⁢ 1 phi ⁢ 2 * phi ⁢ 2
    Figure imgb0002
    avec phi1+phi2 = flux généré par l'aimant (aux fuites magnétiques près).
  • Les réluctances liées au matériau comme Rpal, R1 et R2 sont non linéaires et saturables
  • Les réluctances Rmat_gauche et Rmat_droit peuvent représenter un entrefer et/ou un matériau magnétique saturable.
  • Les réluctances Rent1 et Rent2 représentent l'entrefer équivalent existant entre la palette et l'armature.
  • Lorsqu'un défaut électrique apparaît, la bobine génère un flux magnétique dans la branche Rbas, R1 et R2. Cela a pour effet d'augmenter la valeur de R1 et de R2. Cela est valable quelque soit le sens du courant mais la valeur des ampères-tours nécessaires dépend du sens du courant.
  • Le flux de la bobine tend par conséquent à augmenter R1(phi)*phi et à augmenter R2(phi)*phi. Vu de l'aimant, l'équilibre précédent est dès lors modifié. L'aimant génère alors plus de flux magnétique dans le circuit contenant la base du U (Rshunt_pal(phi1)*phi1+ RpaI_haut1(phi1) *phi1+ Rpal_haut2(phi1) *phi1) que dans l'autre circuit en parallèle. Phi1 augmente et Phi2 diminue, ce qui entraîne une variation de flux et donc de force magnétique, avec une conséquence immédiate sur l'équilibre avec les forces mécaniques de l'actionneur, qui est rompu : l'actionneur change d'état.
  • Cette solution est très avantageuse dans la mesure où, avec peu de flux magnétique généré par la bobine, il est possible de créer une forte variation de flux sur la palette.
  • Comme déjà mentionné en référence aux valeurs des réluctances Rmat_gauche et Rmat_droit, l'aimant peut être fixé à la palette mais peut aussi ne pas l'être, sans rien changer à l'équilibre intrinsèque du circuit magnétique.
  • Bien d'autres configurations que celle représentée en figure 1 sont possibles, l'exemple tel qu'illustré ne pouvant être considéré comme exhaustif de l'invention. Ainsi, les formes respectives de l'armature et de sa fenêtre intérieure peuvent varier, dans la mesure où la contrainte du circuit magnétique fermé est respectée. De même, la palette n'est pas nécessairement en U droit, dès lors que l'aimant est disposé selon les caractéristiques mises en lumière auparavant.

Claims (6)

  1. Actionneur électromagnétique à dérivation de flux comportant un aimant permanent (5), une armature (1) ferromagnétique, une palette (2) créant au moins un entrefer avec l'armature (1) et mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture, des moyens mécaniques de rappel de la palette (2) en position d'ouverture et au moins un conducteur électrique apte à générer un flux magnétique dans l'armature (1), caractérisé en ce que l'armature (1) forme une boucle magnétique fermée dans laquelle le ou les conducteurs sont aptes à générer un flux magnétique, l'aimant étant disposé dans la palette (2) mobile et générant des flux dans deux circuits magnétiques en parallèle dont l'un comporte une portion de l'armature (1) et l'autre, formé dans la palette (2), comporte une zone bouchon (7) saturable par l'aimant (5) ou une zone d'air.
  2. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la palette (2) comporte deux entrefers.
  3. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la palette (2) est en forme de U dont les jambages (3, 4) sont reliés par l'aimant (5).
  4. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la zone bouchon (7) saturable est disposée dans la base du U.
  5. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un conducteur (6) est bobiné autour d'une portion de l'armature (1).
  6. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins deux fils conducteurs traversent la fenêtre centrale de l'armature (1).
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