EP2702601A1 - Actionneur électromagnétique à générateur magnétique - Google Patents

Actionneur électromagnétique à générateur magnétique

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EP2702601A1
EP2702601A1 EP12724688.2A EP12724688A EP2702601A1 EP 2702601 A1 EP2702601 A1 EP 2702601A1 EP 12724688 A EP12724688 A EP 12724688A EP 2702601 A1 EP2702601 A1 EP 2702601A1
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coil
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core
magnetic
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Christian Da Silva
Guillaume LACOMBE
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Hager Electro SAS
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    • 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
    • H01H71/26—Electromagnetic mechanisms with windings acting in opposition

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator with a magnetic generator whose immunity to electric shocks has been enhanced. It relates in particular to electromechanical actuators which are used in combination with trigger locks of electrical line protection devices, for example differential products and / or disjunction.
  • the actuators integrated in such apparatuses conventionally comprise a yoke of magnetic material, at least one coil surrounding a movable magnetic core forming a magnetic circuit with said yoke, said core being guided between a rest position and actuation positions caused by the appearance of current in the coil.
  • the core generally of elongated configuration, then serves as a firing pin for a mechanical lock whose triggering results in quickly dismissing one or more mobile contact contacts (s) fixed (s) corresponding (s).
  • the basic device of the actuator also comprises return means of the movable core in its rest position, allowing somehow to reset the actuator in the absence of the conditions necessary to move the movable core, or after return to the normal.
  • the circuits protected by electrical devices such as those mentioned above may be subjected to shock waves resulting from electrical phenomena outside the protected line or circuit, coming for example from the lightning which is then likely to create brutal overvoltages, without direct report with the state and / or the operation of said line and / or the protected circuit.
  • shock waves resulting from electrical phenomena outside the protected line or circuit, coming for example from the lightning which is then likely to create brutal overvoltages, without direct report with the state and / or the operation of said line and / or the protected circuit.
  • such phenomena are not the problem for which the protection device is initially intended.
  • the electromagnetic actuator of the invention is characterized in that it comprises at least two coils respectively connected to first and second independent control means, at least one primary coil being managed by the first means for controlling the displacement of the movable core and at least one secondary coil being positioned relative to the primary coil (s) and actuated by the second control means to vary the magnetic field generated by the or the primary coil (s).
  • the coils share the same magnetic circuit, are controlled independently, and provide different functions. At least one is assigned to the actuator function, while at least one other, which does not share the same control means, is used to interact with the first actuator function, under certain conditions which are in practice managed by the second actuator means. ordered.
  • the primary (s) and secondary (s) coils are arranged relative to one another so that the effect of the field generated by one opposes the effect of the field generated by the seconds for the mobile core, the resulting magnetic flux applying to said core being the result of the subtraction of the flux of the primary coils and the secondary coils.
  • the actuator of the invention may comprise a primary coil connected in series to a secondary coil, which are wound in order to generate opposite magnetic fields.
  • control means are provided in such a way that only the primary coil (s) is (are) activated in a normal operating mode, the secondary coil (s) (s) being ) being activated only in the event of a very large surge arising from phenomena external to the line, so as to compensate the force generated in the mobile core by the overall magnetic field created by the normal operation of the line and by said phenomena.
  • the primary coil corresponds to the nominal coil of the actuator, to which is added a winding intended to enhance the immunity of the product by absorbing the consequences on the mobile core of transient overvoltages.
  • the varistors used hitherto arranged apart from the actual actuator, have a size that requires a separate consideration of their implementation in the space possibly available.
  • the solution of the invention allows the management of the problem, namely the improvement of the immunity to shock generated by overvoltages, at the same level of the actuator, in connection with the winding which it is always endowed.
  • the secondary coil is in fact, according to a possible configuration of the invention, connected to second threshold control means provided to make it active from a predetermined voltage value at its terminals.
  • Said threshold means can then for example consist of such a varistor, but whose size is then much lower than that of the varistors used in the prior art, simply to makeumble the portion of the winding inducing in the mobile core a opposite force to that induced by the turns of the first "nominal" portion, beyond a certain voltage threshold. The function is not performed in the same way.
  • the threshold component may be an avalanche diode whose characteristic is similar to that of a varistor. Said characteristic, which determines the choice of the component, depends only on the chosen voltage threshold.
  • said second control means may consist of transient voltage suppression means.
  • the primary coil is also connected to a control stage, consisting of a voltage or current threshold control component.
  • a control stage consisting of a voltage or current threshold control component.
  • the latter is preferably selected from the following components: varistor-type transient voltage suppressor component or avalanche diode, Zener diode, IGBT transistors, bipolar transistor, thyristor, triac, MOSFET transistor and relay.
  • the actuator of the invention comprises a yoke (1) surrounding a coil consisting of two portions, a portion (2) N1 turns, which is dimensioned so that it can act as a nominal coil, and a portion (3) N2 turns, surrounding a movable core (4) biased in its rest position by a spring (5) disposed at one of its ends (it is at note that this reminder system could be replaced by a technical equivalent of the permanent magnet or permanent current type flowing in the N2 turns in order to return the mobile core to its rest position when the magnetic force falls below a certain level) .
  • the core (4) is guided in an opening (5) of the yoke (1) allowing it to move in the direction of arrow F in the direction of a mechanical lock (not shown) adapted to be triggered in case of contact with the right end of the movable core (4).
  • the two coils are connected in series in the protected line, that is to say typically between phase Ph and neutral N, a control component (6) of threshold type such as a transistor, a thyristor or a triac being disposed between the intermediate point of connection (I) between the coils (2) and (3) and the connection to the neutral N.
  • a threshold component (7) of the varistor or diode type avalanche is also connected to the neutral N.
  • Other equivalent components such as those mentioned above, could also be used where appropriate.
  • the operation is as follows: when the control component (6) becomes on, in the normal operating mode, the threshold component (7) is not activated and only the N1 turns of the portion (2) of the coil are traveled by a current.
  • the magnetic force generated by the magnetic field caused by the appearance of an abnormal current in the coil (2) allows the displacement of the movable core (4) if necessary, and the tripping lock.
  • This tripping is typically performed by a bimetallic strip in case of overload of intensity, and by the actuator of the invention in case of short circuit.
  • the transient voltage is much higher than what is normally handled, and the threshold component (7), for example a varistor, allows the current to pass.
  • the portion (3) of the coil, that is to say the residual N2 turns, are in this case also traversed by of the current. However, they induce a magnetic force opposite to that induced by the turns N1, and the resulting force does not necessarily cause the displacement of the movable core (4) for triggering the lock, in the event that the line is not subject to abnormal intrinsic conditions.

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Abstract

Actionneur électromagnétique à générateur magnétique à bobine entourant un noyau magnétique mobile (4) susceptible de se déplacer sous l'effet du champ magnétique créé par la bobine, ledit noyau étant guidé entre une position de repos et des positions d'actionnement. Ce actionneur est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux bobines (2, 3) respectivement reliées à des premier (6) et second (7) moyens de commande indépendants, au moins une bobine primaire (2) étant gérée par les premiers moyens de commande (6) en vue de piloter le déplacement du noyau mobile (4) et au moins une bobine secondaire (3) étant positionnée par rapport à la ou aux bobine(s) primaire(s) (2) et actionnée par les seconds moyens de commandes (7) pour faire varier le champs magnétique généré par la ou les bobine(s) primaire(s) (2).

Description

Actionneur électromagnétique à générateur magnétique
La présente invention concerne un actionneur électromagnétique à générateur magnétique dont l'immunité aux chocs électriques a été renforcée. Elle concerne en particulier les actionneurs électromécaniques qui sont utilisés en association avec des serrures de déclenchement d'appareils électriques de protection de lignes, par exemple des produits différentiels et/ou de disjonction.
Ces appareils doivent déclencher dans des conditions bien particulières, typiquement lorsqu'il se produit un déséquilibre entre la somme des courants entrants et la somme des courants sortants de la ligne protégée par l'appareil en question, ou lorsque l'intensité du courant est anormalement élevée. Les actionneurs intégrés dans de tels appareils comportent classiquement une culasse en matériau magnétique, au moins une bobine entourant un noyau magnétique mobile formant un circuit magnétique avec ladite culasse, ledit noyau étant guidé entre une position de repos et des positions d'actionnement provoquées par l'apparition de courant dans la bobine. Le noyau, de configuration généralement allongée, fait alors office de percuteur pour une serrure mécanique dont le déclenchement aboutit à écarter rapidement un ou plusieurs contacts mobiles de contact(s) fixe(s) correspondant(s). Le dispositif de base de l'actionneur comporte également des moyens de rappel du noyau mobile dans sa position de repos, permettant en quelque sorte de réinitialiser l'actionneur en l'absence des conditions nécessaires à déplacer le noyau mobile, ou après retour à la normale.
Le problème que se propose de résoudre cette invention est le suivant : les circuits protégés par des appareils électriques tels que ceux mentionnés auparavant peuvent être soumis à des ondes de chocs résultant de phénomènes électriques extérieurs à la ligne ou au circuit protégés, provenant par exemple de la foudre qui est alors susceptible d'y créer des surtensions brutales, sans rapport direct avec l'état et/ou le fonctionnement de ladite ligne et/ou du circuit protégé. De tels phénomènes ne relèvent au surplus pas des problématiques pours lesquelles le dispositif de protection est initialement prévu.
Les appareils électriques de protection de lignes traditionnels doivent en principe déclencher uniquement en cas de déséquilibre des courants entrants/sortants, ou de surcharges en intensité ou encore de courts-circuits dans les lignes qu'ils équipent. L'objectif poursuivi, dans le cadre de la présente invention, réside à titre principal en ce que les chocs provoqués par des surtensions brèves non provoquées par un dysfonctionnement du circuit proprement dit, par exemple induites par la foudre, ne provoquent pas le déclenchement du produit.
A cet effet, l'actionneur électromagnétique de l'invention se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte au moins deux bobines respectivement reliées à des premier et second moyens de commande indépendants, au moins une bobine primaire étant gérée par les premiers moyens de commande en vue de piloter le déplacement du noyau mobile et au moins une bobine secondaire étant positionnée par rapport à la ou aux bobine(s) primaire(s) et actionnée par les seconds moyens de commandes pour faire varier le champs magnétique généré par la ou les bobine(s) primaire(s).
En fait, les bobines partagent le même circuit magnétique, sont pilotées de manière indépendante, et assurent des fonctions différentes. Au moins une est dévolue à la fonction actionneur, alors qu'au moins une autre, ne partageant pas les mêmes moyens de commande, est employée pour interagir avec la première fonction actionneur, sous certaines conditions qui sont en pratique gérées par les seconds moyens de commande.
Lesdites bobines primaire(s) et secondaire(s) sont agencées relativement l'une à l'autre de manière à ce que l'effet du champ généré par les unes s'oppose à l'effet du champ généré par les secondes pour le noyau mobile, le flux magnétique résultant s'appliquant audit noyau étant le résultat de la soustraction du flux des bobines primaires et des bobines secondaires. Plus précisément, selon une possibilité, l'actionneur de l'invention peut comporter une bobine primaire connectée en série à une bobine secondaire, lesquelles sont bobinées en vue de générer des champs magnétiques opposés.
En pratique, les moyens de commande sont prévus de telle sorte que seule la ou les bobine(s) primaire(s) est(sont) activée(s) dans un mode de fonctionnement normal, la ou les bobine(s) secondaire(s) n'étant activées qu'en cas de surtension très importante née de phénomènes externes à la ligne, de manière à compenser la force générée dans le noyau mobile par le champ magnétique global créé par le fonctionnement normal de la ligne et par lesdits phénomènes.
En réalité, la bobine primaire correspond à la bobine nominale de l'actionneur, à laquelle on rajoute un enroulement destiné à renforcer l'immunité du produit en absorbant les conséquences sur le noyau mobile des surtensions transitoires. Jusqu'ici, ce problème, évidemment déjà identifié, était résolu par l'utilisation de grosses varistances, dont l'encombrement est cependant un inconvénient car souvent incompatible avec les contraintes toujours plus impératives liées à la gestion de l'espace, qui imposent une exigence permanente de réduction des encombrements.
Or, les varistances utilisées jusqu'alors, disposées à part de l'actionneur proprement dit, présentent un encombrement qui suppose une prise en compte séparée de leur implantation dans l'espace éventuellement disponible. La solution de l'invention permet la gestion du problème, à savoir l'amélioration de l'immunité aux chocs générés par les surtensions, au niveau même de l'actionneur, en liaison avec le bobinage dont celui-ci est toujours doté.
Il peut certes subsister une varistance, dans les conditions précisées ci- après : la bobine secondaire est en fait, selon une configuration possible de l'invention, raccordée à des seconds moyens de commande à seuil prévus pour la rendre active à partir d'une valeur de tension prédéterminée à ses bornes. Lesdits moyens à seuil peuvent alors par exemple consister en une telle varistance, mais dont l'encombrement est alors bien inférieur à celui des varistances utilisées dans l'art antérieur, car simplement destinée à rendre passante la portion du bobinage induisant dans le noyau mobile une force opposée à celle induite par les spires de la première portion « nominale », au-delà d'un certain seuil de tension. La fonction n'est donc pas réalisée de la même manière.
Alternativement, le composant à seuil peut être une diode à avalanche, dont la caractéristique s'apparente à celle d'une varistance. Ladite caractéristique, qui détermine le choix du composant, dépend seulement du seuil de tension choisi.
Plus généralement, lesdits seconds moyens de commande peuvent consister en des moyens de suppression de tension transitoire.
Toujours selon l'invention, la bobine primaire est également connectée à un étage de commande, consistant en un composant à commande par seuil de tension ou de courant. Ce dernier est de préférence sélectionné parmi les composants suivants : composant suppresseur de tension transitoire de type varistance ou diode à avalanche, diode Zener, transistors IGBT, transistor bipolaire, thyristor, triac, transistor MOSFET et relais.
L'invention va à présent être décrite en référence à l'unique figure annexée, qui représente schématiquement une forme de mise en œuvre d'un actionneur électromécanique équipé du système de l'invention. Dans la suite, on a considéré que les bobines primaire et secondaire ne constituaient en réalité qu'une bobine segmentée en deux portions, ce qui peut être vu comme strictement équivalent techniquement, avec une approche explicative différente.
L'actionneur de l'invention comporte une culasse (1 ) entourant une bobine constituée de deux portions, une portion (2) à N1 spires, qui est dimensionnée de telle sorte qu'elle puisse jouer le rôle de bobine nominale, et une portion (3) à N2 spires, entourant un noyau mobile (4) sollicité dans sa position de repos par un ressort (5) disposé à l'une de ses extrémités (il est à noter que ce système de rappel pourrait être remplacé par un équivalent technique du type aimant permanent ou courant permanent circulant dans les spires N2 en vue de rappeler le noyau mobile en sa position de repos lorsque la force magnétique retombe au dessous d'un certain niveau). A son autre extrémité, le noyau (4) est guidé dans un orifice (5) de la culasse (1 ) lui permettant de se déplacer dans la direction de la flèche F en direction d'une serrure mécanique (non représentée) apte à être déclenchée en cas de contact avec l'extrémité droite du noyau mobile (4).
Les deux bobines sont connectées en série dans la ligne protégée, c'est- à-dire typiquement entre phase Ph et neutre N, un composant de commande (6) de type à seuil comme par exemple un transistor, un thyristor ou encore un triac étant disposé entre le point intermédiaire de connexion (I) entre les bobines (2) et (3) et la connexion au neutre N. En sortie opposée de la bobine (3), un composant à seuil (7) de type varistance ou diode à avalanche est également connecté au neutre N. D'autres composants équivalents, tels que ceux qui sont cités auparavant, pourraient le cas échéant également être utilisés.
Le fonctionnement est le suivant : lorsque le composant de commande (6) devient passant, en mode de fonctionnement normal, le composant à seuil (7) n'est pas activé et seules les N1 spires de la portion (2) de la bobine sont parcourues par un courant. La force magnétique générée par le champ magnétique provoqué par l'apparition d'un courant anormal dans la bobine (2), par exemple en cas de court-circuit, permet le cas échéant le déplacement du noyau mobile (4), et le déclenchement de la serrure. Ce déclenchement est typiquement réalisé par un bilame en cas de surcharge d'intensité, et par l'actionneur de l'invention en cas de court-circuit.
En cas de choc provoqué par des surtensions transitoires nées de phénomènes de type foudre, la tension transitoire est très supérieure à ce qui est géré normalement, et le composant à seuil (7), par exemple une varistance, permet le passage du courant. La portion (3) de la bobine, c'est- à-dire les N2 spires résiduelles, sont dans ce cas également parcourues par du courant. Elles induisent cependant une force magnétique opposée à celle induite par les spires N1 , et la force résultante n'entraîne pas nécessairement le déplacement du noyau mobile (4) permettant le déclenchement de la serrure, dans l'hypothèse où la ligne n'est pas soumise à des conditions intrinsèques anormales.

Claims

REVENDICATIONS
Actionneur électromagnétique à générateur magnétique à bobine entourant un noyau magnétique mobile (4) susceptible de se déplacer sous l'effet du champ magnétique créé par la bobine, ledit noyau étant guidé entre une position de repos et des positions d'actionnement, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux bobines (2, 3) respectivement reliées à des premier (6) et second (7) moyens de commande indépendants, au moins une bobine primaire (2) étant gérée par les premiers moyens de commande (6) en vue de piloter le déplacement du noyau mobile (4) et au moins une bobine secondaire (3) étant positionnée par rapport à la ou aux bobine(s) primaire(s) (2) et actionnée par les seconds moyens de commandes (7) pour faire varier le champs magnétique généré par la ou les bobine(s) primaire(s) (2). Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les bobines primaire(s) (2) et secondaire(s) (3) sont agencées relativement l'une à l'autre de manière à ce que l'effet du champ généré par les unes s'oppose à l'effet du champ généré par les secondes pour le noyau mobile (4), le flux magnétique résultant s'appliquant au noyau mobile (4) étant le résultat de la soustraction du flux des bobines primaires (2) et des bobines secondaires (3).
Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une bobine primaire (2) connectée en série à une bobine secondaire (3), lesquelles sont bobinées en vue de générer des champs magnétiques opposés.
Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la bobine secondaire (3) est raccordée à des seconds moyens de commande (7) à seuil prévus pour la rendre active à partir d'une valeur de tension prédéterminée à ses bornes.
5. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (7) consistent en des moyens de suppression de tension transitoire du type varistance ou diode à avalanche.
6. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les premiers moyens de commande (6) connectés à la bobine primaire (2) comportent également un composant à commande (6) par seuil de tension ou de courant.
7. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit composant (6) est sélectionné parmi les composants suivants : composant suppresseur de tension transitoire de type varistance ou diode à avalanche, diode Zener, transistors IGBT, thyristor, transistor bipolaire, triac, transistor MOSFET et relais.
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