EP3608928A1

EP3608928A1 - Actionneur électromagnétique et appareil de commutation électrique comportant cet actionneur

Info

Publication number: EP3608928A1
Application number: EP19189283.5A
Authority: EP
Inventors: Rémy Orban; Olivier Theron; Sébastien Buffat
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-02-12
Also published as: BR102019013805A2; KR20200014692A; US11501940B2; JP2020021938A; RU2019122634A; FR3084772B1; US20200043688A1; FR3084772A1; CN110797237A

Abstract

Cet actionneur électromagnétique (2) comporte :- un corps fixe (4) ;- une partie mobile (6) formant un noyau magnétique de l'actionneur et étant déplaçable en translation par rapport au corps fixe (4) entre une position rétractée et une position déployée ;- une pièce magnétique (10) formant un aimant permanent adapté pour générer une première force magnétique retenant la partie mobile dans la position rétractée ;- une bobine (12) adaptée pour engendrer une deuxième force magnétique opposée à la première force magnétique lorsqu'elle est alimentée par un courant électrique d'excitation.La partie mobile (6) comporte une ou plusieurs encoches formées dans un corps de la partie mobile (6).

Description

La présente invention concerne un actionneur électromagnétique et un appareil de commutation électrique comportant cet actionneur.
Les appareils de commutation électrique, tels que les disjoncteurs, utilisés dans des installations de distribution d'électricité, comportent généralement un actionneur électromagnétique dont la fonction est de commuter l'appareil électrique d'un état électriquement fermé à un état électriquement ouvert en réponse à un signal de commande. Par exemple, une partie mobile de l'actionneur est couplée à un mécanisme de commutation de l'appareil électrique. L'actionneur permet notamment d'interrompre la distribution d'électricité en cas de détection d'un défaut électrique.
FR-2893445-B1 divulgue un actionneur électromagnétique connu comportant un corps fixe, une partie mobile, et un circuit magnétique d'excitation adapté pour mettre en mouvement la partie mobile. Le circuit magnétique comporte un aimant permanent et une bobine d'excitation alimentée par un signal de commande.
De tels actionneurs doivent répondre à de nombreuses exigences. Ils doivent être compacts et présenter des dimensions réduites afin de pouvoir être intégrés facilement à l'intérieur des appareils de commutation. Ils doivent réagir rapidement en réponse au signal de commande, notamment en cas de défaut électrique. Ils doivent être fiables et ne pas se déclencher intempestivement, car cela affecterait le fonctionnement de l'appareil de commutation. En particulier, ils ne doivent pas se déclencher lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques parasites générés lors de courts-circuits en aval de l'appareil de commutation. Ils doivent pouvoir également fonctionner au sein d'appareils de commutation dans lesquels le signal de commande est fourni à partir d'une réserve d'énergie embarquée.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un actionneur électromagnétique dont le fonctionnement est amélioré.
A cet effet l'invention concerne un actionneur électromagnétique comportant :

un corps fixe ;
une partie mobile formant un noyau magnétique de l'actionneur et étant déplaçable en translation par rapport au corps fixe entre une position rétractée et une position déployée ;
une pièce magnétique formant un aimant permanent adapté pour générer une première force magnétique retenant la partie mobile dans la position rétractée ;
une bobine adaptée pour engendrer une deuxième force magnétique opposée à la première force magnétique lorsqu'elle est alimentée par un courant électrique d'excitation.

La partie mobile comporte une ou plusieurs encoches formées dans un corps de la partie mobile.
Grâce à l'invention, les encoches ménagées dans la partie mobile permettent de limiter les courants de Foucault qui apparaissent dans la partie mobile lors de l'excitation de la bobine. De plus, les encoches permettent de modifier l'inductance du circuit magnétique et donc de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour commander le déclenchement de l'actionneur.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel actionneur peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement admissible :

La partie mobile est réalisée en alliage de Fer - Silicium.
La concentration massique de Silicium dans l'alliage est supérieure ou égale à 2% et inférieure ou égale à 6,5%, de préférence supérieure ou égale à 2,5% et inférieure ou égale à 3,5%.
La partie mobile est fabriquée selon un procédé de moulage par injection de métal.
Chaque encoche est disposée radialement par rapport au centre de la partie mobile.
Le nombre d'encoches est compris entre 1 et 10, de préférence égal à 4.
L'angle entre les bords opposés d'une encoche est supérieur ou égal à 5° et inférieur ou égal à 50°.
Le rayon de la partie mobile est supérieur ou égal à 3 mm et inférieur ou égal à 10 mm, et la longueur des encoches radiales est supérieure ou égale à 30% du rayon et inférieure ou égale à 90% du rayon.
Les encoches sont disposées de part et d'autre d'un plan géométrique central de la pièce magnétique et sont alignées perpendiculairement à ce plan.

Selon un autre aspect, l'invention concerne un appareil de commutation électrique comportant un mécanisme de commutation et un actionneur électromagnétique couplé au mécanisme de commutation, l'actionneur électromagnétique étant tel que décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, d'un mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est une illustration schématique d'une vue en coupe d'un actionneur électromagnétique selon des modes de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une illustration schématique, selon une vue en perspective, d'un premier mode de réalisation d'une partie mobile d'un circuit magnétique d'excitation de l'actionneur de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en coupe de la partie mobile de la figure 2 dans le plan de coupe III selon un premier mode de réalisation ;
la figure 4 est une vue en coupe d'un mode de réalisation alternatif de l'actionneur des figures 2 et 3 ;
la figure 5 est une illustration schématique d'un appareil électrique comportant un actionneur électromagnétique selon des modes de réalisation de l'invention.

La figure 1 représente un actionneur électromagnétique 2 comportant un corps fixe 4 et une partie mobile 6 qui forme un noyau magnétique de l'actionneur 2.
La partie mobile 6 est déplaçable en translation par rapport au corps fixe 4 le long d'un axe longitudinal Z2 de l'actionneur 2 entre une position déployée et une position rétractée. Dans la position déployée, aussi nommée « position de déclenchement », la partie mobile 6 est au moins en partie déployée à l'extérieur du corps fixe 4. Dans la position rétractée, aussi nommée « position d'armement », la partie mobile 6 est rétractée à l'intérieur du corps fixe 4.
Le corps 4 forme ici une culasse en forme de cylindre creux centrée sur l'axe longitudinal Z2. La culasse assure le guidage en translation de la partie mobile 6 lors de son déplacement entre les positions rétractée et déployée.
L'actionneur 2 comporte également un circuit magnétique 8 d'excitation comprenant, outre la partie mobile 6, une pièce magnétique 10 formant un noyau du circuit magnétique et qui crée une première force magnétique pour retenir la partie mobile 6 dans la position rétractée lorsque l'actionneur 2 n'est pas excité.
La pièce 10 a une forme de disque plat centré sur l'axe longitudinal Z2. Lorsque la pièce 10 est montée à l'intérieur de l'actionneur 2, les faces principales de la pièce 10 sont perpendiculaires à l'axe Z2.
Selon des exemples, la pièce 10 est réalisée en matériau présentant une aimantation permanente, de préférence en matériau ferromagnétique.
Le circuit magnétique 8 comporte également une bobine 12 apte à engendrer une deuxième force magnétique opposée à la première force magnétique lorsqu'elle est alimentée par un courant électrique d'excitation. La deuxième force magnétique s'oppose à la première force magnétique et permet la libération de la partie mobile 6 comme expliqué ci-après.
Dans l'exemple illustré, la première force et la deuxième force sont dirigées selon l'axe Z2. La bobine 12 comporte par exemple des spires d'un fil électriquement conducteur enroulées concentriquement autour de l'axe Z2.
Selon des exemples de mise en oeuvre, le circuit magnétique 8 comporte également une pièce 14 de concentration du flux magnétique. Dans cet exemple, la pièce 14 est en contact avec une face supérieure de la pièce magnétique 10 par sa face inférieure. Dans la position rétractée, la partie mobile 6 est en contact avec une partie supérieure de la pièce 14.
L'actionneur comprend également un organe de rappel élastique 16 couplé mécaniquement avec la partie mobile 6 et qui exerce une force de rappel, tendant à déplacer la partie mobile 6 vers sa position déployée. Par exemple, l'organe de rappel 16 est un ressort, notamment un ressort hélicoïdal à compression monté coaxialement autour de l'axe Z2.
Lorsque l'actionneur 2 est au repos, la première force exercée par la pièce magnétique 10 est supérieure à la force de rappel exercée par l'organe 16, de sorte que la partie mobile 6 reste dans sa position rétractée. Lorsque la bobine 12 est excitée au moyen d'un courant électrique d'alimentation, par exemple en réponse à un signal de commande envoyé vers l'actionneur 2, elle génère un champ magnétique s'opposant à celui crée par la pièce 10 diminuant ainsi la force magnétique résultante. La force de rappel exercée par l'organe 16 déplace alors la partie mobile 6 vers la position déployée.
Selon des exemples, la partie mobile 6 comporte un corps principal de forme essentiellement cylindrique et une portion rectiligne en forme de tige étroite qui s'étend longitudinalement depuis une extrémité supérieure du corps principal.
Selon le mode de réalisation illustré, la partie mobile 6 comporte une tête mobile 18 montée coulissante le long de la portion en forme de tige et couplée avec un organe de rappel secondaire 20 lui-même monté sur la partie mobile 6. Par exemple, l'organe 20 est un ressort hélicoïdal concentrique avec l'axe Z2. L'organe de rappel 16 s'appuie d'une part sur le corps 4 et d'autre part, sur l'extrémité opposée, sur la tête 18.
Selon un exemple de mise en oeuvre, le corps fixe 4 est formé par assemblage d'au moins deux parties 22 et 24 disposées concentriquement et par exemple connectées entre elles par un joint d'étanchéité. La référence 26 désigne une plaque de fond qui ferme le corps 4 sur son extrémité inférieure. Par exemple, la pièce magnétique 10 est montée sur une face supérieure de la plaque de fond 26. La tête 18 s'étend à l'extrémité opposée du corps 4.
Par exemple, l'actionneur 2 est analogue à l'actionneur décrit dans le brevet FR 2 893 445 B1 et fonctionne de manière similaire.
Comme illustré sur la figure 2, la partie mobile 6 comporte une ou plusieurs encoches 30, telles que des fentes ou des évidements, ménagées dans le corps principal de la partie mobile 6. De préférence, les encoches 30 s'étendent depuis un bord périphérique 32 du corps principal de la partie mobile 6.Selon des modes de réalisation, les encoches 30 sont des encoches radiales, c'est-à-dire des encoches disposées radialement par rapport au centre de la partie mobile 6, c'est-à-dire ici par rapport à l'axe longitudinal de la partie mobile 6. L'axe longitudinal de la partie mobile 6 est confondu avec l'axe Z2 lorsque la partie mobile 6 est montée dans l'actionneur 2. Ainsi, les encoches 30 s'étendent essentiellement perpendiculairement au bord périphérique 32 de la partie mobile 6.
Par exemple, chaque encoche 30 s'étend depuis le bord périphérique 32 de la partie mobile 6 vers le centre de la partie mobile 6 en définissant une portion de section radiale de la partie mobile 6. Par « portion de section radiale », on entend ici que l'encoche 30 ne forme pas une section radiale complète de la partie mobile 6, car l'encoche 30 ne s'étend pas complètement jusqu'au centre de la partie mobile 6. Au contraire, chaque encoche 30 est terminée en direction du centre par un bord d'extrémité intérieur 34 qui est situé à une distance non nulle du centre.
Sur la figure 3, la référence R6 désigne le rayon de la partie mobile 6, mesuré au niveau du corps principal de la partie mobile 6 où sont formées les encoches 30. La référence w30 désigne l'angle entre les bords opposés d'une encoche 30. Par exemple, l'angle w30 est mesuré au niveau du bord 32. La référence ℓ30 désigne la largeur d'une encoche 30.
Selon des modes de réalisation, les encoches 30 de la partie mobile 6 sont identiques.
De préférence, les encoches 30 sont régulièrement espacées les unes par rapport aux autres, c'est-à-dire qu'elles sont réparties uniformément sur tout le pourtour de la partie mobile 6. Dans ce cas, la partie mobile 6 présente une symétrie de révolution autour de l'axe Z2 lorsque la partie mobile 6 est montée à l'intérieur de l'actionneur 2.
Selon des modes de réalisation, le nombre d'encoches radiales 30 est supérieur ou égal à un et, de préférence, compris entre 1 et 10 et, de préférence encore, compris entre 3 et 10. Dans l'exemple illustré, le nombre d'encoches 30 est égal à quatre.
Selon des modes de réalisation, l'angle w30 d'une encoche est supérieur ou égal à 5° et inférieur ou égal à 50°, ou l'angle w30 est supérieur ou égal à 20° et inférieur ou égal à 40°. Par exemple, la largeur ℓ30 est supérieure ou égale à 5° et inférieure ou égale à 20°. D'autres valeurs d'angle sont possibles.
De préférence, les encoches 30 s'étendent en hauteur le long du corps principal de la partie mobile 6 parallèlement à l'axe longitudinal de la partie mobile 6. Par exemple, les encoches 30 ont une hauteur supérieure ou égale à 20% de la longueur du corps principal de la partie mobile 6.
Selon des modes de réalisation particuliers, le rayon R6 de la partie mobile 6 est de préférence supérieur ou égal à 3 mm et inférieur ou égal à 10 mm.
Par exemple, la longueur L30 des encoches radiales est supérieure ou égale à 30% du rayon R6 et inférieure ou égale à 90% du rayon R6 et, de préférence, est supérieure ou égale à 40% du rayon R6 et inférieure ou égale à 70% du rayon R6.
En pratique, les valeurs précises du nombre et des dimensions des fentes 30 sont optimisées en fonction des applications et notamment des performances attendues par l'actionneur 2. Selon des exemples, il est préférable d'augmenter le périmètre de la partie mobile 6 tout en conservant une section w30 suffisamment élevée pour que la première force magnétique soit suffisante pour assurer un bon fonctionnement de l'actionneur 2.
Par exemple, selon des modes de réalisation, le rapport de la longueur du périmètre de la partie mobile 6 sur le périmètre d'un disque de même rayon dépourvu d'encoches 30 est supérieur ou égal à 1,5 et de préférence supérieur ou égal à 2 et, de préférence encore, supérieur ou égal à 5.
Selon des variantes non illustrées, chaque encoche 30 présente une forme oblongue dont les bords latéraux sont parallèles entre eux. Ainsi, chaque encoche 30 présente une forme de quadrilatère, par exemple une forme rectangulaire. Dans ce cas, la largeur ℓ30 est la même qu'elle soit mesurée au niveau du bord 34 de la partie mobile 6 ou au niveau du bord 32 de la pièce.
Lorsque la bobine 12 est excitée pour commander l'actionneur 2, celle-ci crée un flux magnétique aligné selon l'axe Z2. Ce flux magnétique engendre des courants de Foucault à l'intérieur de la partie mobile 6, ce qui conduit à une déperdition d'énergie. Ces courants de Foucault circulent généralement dans le plan de la partie mobile 6 perpendiculairement à la direction du flux magnétique, le long du bord périphérique 32. La disposition des encoches 30 de façon tangentielle au flux magnétique créé par la bobine 12 permet d'augmenter la longueur du chemin équivalent parcouru par les courants de Foucault, ce qui entrave leur circulation et réduit les déperditions d'énergie.
Réduire les pertes énergétiques dues aux courants de Foucault permet de diminuer la quantité d'énergie requise pour alimenter la bobine 12. Cela est avantageux lorsque l'excitation de l'actionneur 2 au sein de l'appareil électrique est réalisée en utilisant une batterie ou une réserve d'énergie dont la capacité de stockage est limitée.
De plus, le choix du nombre et de la dimension des encoches 30 permet de modifier la réluctance de la partie mobile 6, ce qui permet d'optimiser la valeur de l'inductance de la partie mobile 6 et donc de réduire la quantité d'énergie requise pour déclencher l'actionneur 2.
Enfin, les encoches 30 réduisent la masse de la pièce mobile 6. La pièce mobile 6 est ainsi plus facile à déplacer. Le temps de réponse de réponse de l'actionneur 2 est donc réduit.
Selon des modes de réalisation avantageux, la partie mobile 6 est réalisée dans un alliage de Fer - Silicium.
De préférence, la concentration massique de silicium dans l'alliage de Fer - Silicium est supérieure ou égale à 2% et inférieure ou égale à 6,5%, de préférence supérieure ou égale à 2,5% et inférieure ou égale à 3,5%.
Selon des modes de réalisation particulièrement avantageux, la partie mobile 6 est fabriquée selon un procédé de moulage par injection de métal (« Metal Injection Molding » en langue anglaise).
L'utilisation de Fer - Silicium permet d'obtenir des performances magnétiques proches de celles du fer pur, notamment en termes d'induction à saturation et de perméabilité magnétique, tout en présentant une résistivité électrique au moins deux à trois fois supérieure à celle du fer pur, ce qui permet de limiter les pertes énergétiques par courants de Foucault lorsque la deuxième force magnétique est appliquée sur la pièce 10.
La fabrication de la partie mobile 6 selon un procédé de moulage par injection de métal permet de fabriquer la partie mobile 6 dans un alliage de Fer - Silicium plus facilement qu'avec les techniques de mise en forme connues, par exemple par usinage ou par tournage, qui ne donnent pas de résultats satisfaisants sur un alliage de Fer - Silicium, notamment pour la fabrication de pièces de petite taille, comme c'est le cas de la partie mobile 6.
La figure 4 représente une partie mobile 6' correspondant à un autre mode de réalisation de la partie mobile 6. Les éléments de la partie mobile 6' qui sont analogues à la partie mobile 6 portent les mêmes références augmentée du symbole « ' » et ne sont pas décrits en détail, dans la mesure où la description ci-dessus peut leur être transposée. La partie mobile 6' est notamment apte à être intégrée à l'intérieur de l'actionneur 2 à la place de la partie mobile 6.
La partie mobile 6' diffère notamment de la partie mobile 6 en ce que les encoches 30' de la partie mobile 6' ne sont pas orientées radialement. Au contraire, les encoches 30' sont ici disposées de part et d'autre d'un plan géométrique central de la partie mobile 6' et sont alignées perpendiculairement à ce plan selon des directions parallèles. Le plan central est perpendiculaire au plan de coupe illustrant la partie mobile 6' sur la figure 4 et donc parallèle à l'axe Z2.
Ainsi, un premier groupe d'encoches 30' est disposé d'un côté du plan central et un deuxième groupe d'encoches 30' est disposé de l'autre côté du plan central.
De préférence, le nombre d'encoches 30' est le même dans chacun des premier et deuxième groupes. Par exemple, le plan central est un plan de symétrie de la partie mobile 6'.
Selon des modes de réalisation, le nombre d'encoches 30' dans chacun des premier et deuxième groupes est supérieur ou égal à 2 et inférieur ou égal à 6. En pratique, le nombre et les dimensions des encoches 30' dépend du procédé de fabrication de la partie mobile 6' et notamment des contraintes de démoulabilité. Dans l'exemple illustré, chacun des premier et deuxième groupes comporte quatre encoches 30'.
Par exemple, la partie mobile 6' est fabriquée dans le même matériau que la partie mobile 6, et suivant un procédé de fabrication analogue à celui de la partie mobile 6.
De préférence, les bords d'extrémité intérieurs 34 respectifs des encoches 30' situées d'un même côté du plan central sont alignés et situés à une même distance du plan central. Du fait de la forme circulaire du bord périphérique 32, les encoches 30' dont les bords d'extrémité intérieurs 34 sont alignés le long d'un même axe peuvent dans ce cas présenter des longueurs L30' différentes.
Sur la figure 4, la référence « LA » désigne la distance entre les bords d'extrémité intérieurs 34 des encoches 30' du premier groupe et du deuxième groupe. La distance LA est ici supérieure ou égale à 5% du diamètre de la partie mobile 6' et inférieure ou égale à 30% du diamètre de la partie mobile 6'.
En pratique, les dimensions des encoches 30', telles que la valeur maximale de la longueur L30' des encoches 30', l'espacement W30' entre deux encoches 30' consécutives et la largeur ℓ30' des encoches 30' sont choisis de façon analogue à la partie mobile 6, notamment dans le but d'augmenter la longueur du chemin équivalent parcouru par les courants de Foucault et d'optimiser la valeur d'inductance de la partie mobile 6'. La figure 5 représente un appareil de commutation électrique 40, tel qu'un disjoncteur, ou un contacteur, ou un relais, ou tout autre appareil équivalent.
L'appareil 40 comporte des terminaux de raccordement 41 d'entrée/sortie du courant, des contacts électriques séparables 42, un mécanisme de commutation 44 et l'actionneur 2.
Les contacts séparables 42 sont connectés entre les terminaux 41 et sont commutables entre un état ouvert et un état fermé pour empêcher ou autoriser, respectivement, la circulation du courant électrique, sous l'action du mécanisme de commutation 44.
L'actionneur 2 est couplé au mécanisme de commutation 44 de manière à déclencher l'ouverture des contacts séparables 42, par exemple en réponse à un signal de commande fourni par un déclencheur ou par une unité de commande extérieure à l'appareil 40.
Les modes de réalisation et les variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation.

Claims

Actionneur électromagnétique (2) comportant :
- un corps fixe (4) ;

- une partie mobile (6 ; 6') formant un noyau magnétique de l'actionneur et étant déplaçable en translation par rapport au corps fixe (4) entre une position rétractée et une position déployée ;

- une pièce magnétique (10) formant un aimant permanent adapté pour générer une première force magnétique retenant la partie mobile dans la position rétractée ;

- une bobine (12) adaptée pour engendrer une deuxième force magnétique opposée à la première force magnétique lorsqu'elle est alimentée par un courant électrique d'excitation ;
caractérisé en ce que la partie mobile (6 ; 6') comporte une ou plusieurs encoches (30 ; 30') formées dans un corps de la partie mobile (6 ; 6').
Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie mobile (6 ; 6') est réalisée en alliage de Fer - Silicium.
Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concentration massique de Silicium dans l'alliage est supérieure ou égale à 2% et inférieure ou égale à 6,5%, de préférence supérieure ou égale à 2,5% et inférieure ou égale à 3,5%.
Actionneur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la partie mobile (6 ; 6') est fabriquée selon un procédé de moulage par injection de métal.
Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque encoche (30) est disposée radialement par rapport au centre de la partie mobile (6).
Actionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre d'encoches (30) est compris entre 1 et 10, de préférence égal à 4.
Actionneur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'angle (w30) entre les bords opposés d'une encoche (30) est supérieur ou égal à 5° et inférieur ou égal à 50°.
Actionneur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le rayon (R6) de la partie mobile (6) est supérieur ou égal à 3 mm et inférieur ou égal à 10 mm, et en ce que la longueur (L30) des encoches radiales (30) est supérieure ou égale à 30% du rayon et inférieure ou égale à 90% du rayon.
Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les encoches (30') sont disposées de part et d'autre d'un plan géométrique central de la pièce magnétique (6') et sont alignées perpendiculairement à ce plan.
Appareil de commutation (40) électrique comportant un mécanisme de commutation (44) et un actionneur électromagnétique couplé au mécanisme de commutation, caractérisé en ce que l'actionneur électromagnétique (2) est selon l'une quelconque des revendications précédentes.