ES2281847T3 - Accionador electromecanico. - Google Patents
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Abstract
Accionador electromecánico para un aparato eléctrico interruptor, que comprende una bobina de excitación (10) constituida por un enrollado bobinado alrededor de un espacio interior (15), un circuito magnético en material ferromagnético que comprende una parte fija (20) y una paleta (30) que es móvil entre una posición abierta y una posición cerrada bajo la acción de una corriente eléctrica que circula en la bobina (10) y que provoca la circulación de un flujo magnético en el circuito magnético, caracterizado porque dicho flujo magnético atraviesa varias veces el espacio interior (15) de la bobina (10) en posición abierta y atraviesa una vez el espacio interior (15) de la bobina (10) en posición cerrada.
Description
Accionador electromecánico.
La presente invención se relaciona con un
accionador electromecánico para aparato eléctrico interruptor, en
particular del tipo contactor, relé o
contactor-disyuntor cuyo circuito magnético
atraviesa una o varias veces la bobina de excitación del
accionador. Este tipo de accionador es particularmente adaptado para
ser realizado en tecnologías MEMS. La invención concierne
igualmente a un aparato interruptor provisto con tal accionador.
Un aparato eléctrico interruptor posee contactos
fijos que cooperan con contactos móviles con el fin de conmutar la
alimentación de una carga eléctrica unida aguas abajo del aparato.
El movimiento de los contactos móviles es generalmente efectuado
gracias a un accionador electromecánico, o electroimán. Este
accionador comprende habitualmente un circuito magnético en
material ferromagnético, tal como hierro, que está compuesto por una
parte fija y una parte móvil, las cuales están separadas por un
entrehierro. La parte móvil, llamada también paleta móvil, está
acoplada a los contactos móviles del aparato interruptor y se
desplaza entre una posición abierta y una posición cerrada bajo la
acción de una corriente eléctrica de accionamiento que circula en
una bobina de accionamiento, llamada también bobina de excitación.
La posición abierta corresponde a un entrehierro máximo entre la
parte fija y la parte móvil del circuito magnético y la posición
cerrada corresponde a un entrehierro mínimo.
El circuito magnético atraviesa el espacio
situado en el interior del enrollado de la bobina de excitación.
Cuando una corriente eléctrica de accionamiento circula en la
bobina, se crea entonces de forma bien conocida un flujo magnético
en el circuito magnético que tiene como efecto disminuir el
entrehierro y por lo tanto atraer la parte móvil hacia la parte
fija del circuito magnético y pasar de la posición abierta a la
posición cerrada. Durante la desaparición de la corriente
eléctrica, el flujo magnético desaparece y la parte móvil puede
volver a la posición abierta bajo la acción por ejemplo de medios
elásticos, por ejemplo un resorte de retorno.
El esfuerzo suministrado por un accionador
electromecánico debe evidentemente estar adaptado a la corriente de
potencia que circula en la carga eléctrica a accionar de forma de
ser capaz de abrir y de cerrar su circuito de alimentación
rápidamente y con toda seguridad con un costo optimizado.
La fuerza de atracción de la parte móvil hacia
la parte fija del circuito magnético es sensiblemente proporcional
al cuadrado de los amperes-vueltas (es decir
corriente eléctrica de accionamiento de la bobina multiplicado por
el número de espiras de la bobina) creando el flujo magnético. La
misma es también prácticamente inversamente proporcional al
cuadrado del entrehierro del circuito magnético. En posición
abierta, la fuerza de atracción debe ser suficientemente importante
a la salida de la fase de retorno para atraer la parte móvil del
circuito magnético y vencer el esfuerzo mecánico de resistencia, a
pesar de un entrehierro máximo. Esto necesita por lo tanto muchos
amperes-vueltas que son obtenidos por un número de
espiras importantes de la bobina y/o por una corriente eléctrica de
accionamiento importante. En cambio, próximo a la posición cerrada,
la disminución del entrehierro provoca un aumento de la fuerza de
atracción y no hay necesidad de un gran número de
amperes-vueltas.
Por lo común, ese fenómeno puede ser tomado en
cuenta aplicando una fuerte corriente de retorno en fase de retorno
para el desplazamiento de la parte móvil de la posición abierta
hacia la posición cerrada, y luego una corriente de mantenimiento
más baja suficiente para la fase de mantenimiento de la parte móvil
en posición cerrada. Otra solución conocida consiste en hacer
variar el número de espiras de la bobina, por ejemplo utilizando
dos bobinas en serie para la fase de retorno y luego shuntando una
bobina para la fase de mantenimiento. Sin embargo, tales
dispositivos necesitan medios electrónicos, mecánicos y eléctricos
(tales como contactos auxiliares), de manera de hacer variar la
corriente eléctrica de accionamiento o el número de espiras, en
función de la posición de la parte móvil.
El documento
US-B1-6225880 describe un accionador
electromecánico según el preámbulo de la reivindicación 1.
Además, es ya conocido, (ver específicamente la
solicitud de patente nº
FR-A1-2847071) poder aumentar los
amperes-vueltas que generan el flujo magnético no
multiplicando el número de espiras de la bobina sino multiplicando
el número de pasajes hechos por el flujo magnético en el interior de
la bobina de excitación. Así, si el circuito magnético atraviesa
dos veces el enrollado de la bobina en lugar de una sola vez, esto
equivale a doblar el número de espiras de la bobina en sí misma. De
este hecho, se obtiene ventajosamente una fuerza de atracción que
es multiplicada por un factor cuatro para un mismo número de espiras
de la bobina y una misma intensidad de corriente eléctrica de
accionamiento, modificando únicamente la estructura del circuito
magnético, bajo reserva de no llegar a la saturación del circuito
magnético.
Será por lo tanto particularmente ventajoso
poder hacer variar simplemente el número de
amperes-vueltas del circuito magnético según la
posición de la paleta móvil, de manera de optimizar la fuerza de
atracción necesaria para el movimiento de cierre del accionador
electromecánico, sin necesitar para esto medios para hacer variar
la corriente de accionamiento o el número de espiras de la
bobina.
Para esto, la invención describe un accionador
electromecánico para un aparato eléctrico interruptor, que
comprende una bobina de excitación constituida por un enrollado
bobinado alrededor de un espacio interior, un circuito magnético en
material ferromagnético que comprende una parte fija y una paleta
que es móvil entre una posición abierta y una posición cerrada bajo
la acción de una corriente eléctrica que circula en la bobina y que
provoca la circulación de un flujo magnético en el circuito
magnético. Según la invención, dicho flujo magnético atraviesa
varias veces el espacio interior de la bobina en posición abierta y
atraviesa una vez el espacio interior de la bobina en posición
cerrada.
Otras características y ventajas va a aparecer
en la descripción detallada que sigue con referencia a un modo de
realización dado a título de ejemplo y representado por los dibujos
anexos en los cuales:
- la figura 1 representa un ejemplo de
realización de un accionador electromecánico conforme a la
invención, en vista desde arriba según un eje
YY,
YY,
- las figuras 2 y 3 muestran el ejemplo de la
figura 1 respectivamente en posición abierta y en posición cerrada,
en vista de lado según un eje XX,
- las figuras 4a, 4b esquematizan el recorrido
del flujo magnético que circula en el circuito magnético del
accionador de la figura 1 respectivamente en posición abierta y
cerrada.
- la figura 5, para el accionador de la figura
1, una vista simplificada de la curva que representa el esfuerzo en
función del curso de la paleta móvil del accionador.
- la figura 6 muestra otro ejemplo de
realización de un accionador conforme a la invención.
Con referencia a las figuras 1 a 3, un
accionador electromecánico de un aparato interruptor comprende una
bobina de excitación 10 clásica, formada por un enrollado de espiras
alrededor de un espacio interior 15. El accionador comprende
igualmente un circuito magnético en material ferromagnético que
comprende una parte fija 20 y una parte móvil 30 que puede
desplazarse entre una posición abierta y una posición cerrada. La
posición abierta corresponde a un entrehierro e1 máximo entre la
parte fija 20 y la paleta móvil 30 y la posición cerrada
corresponde a un entrehierro e2 mínimo entre la parte fija 20 y la
paleta móvil 30. Este entrehierro mínimo e2 es conservado tanto por
medios mecánicos que impiden a la parte móvil 30 pegarse
completamente contra la parte fija 20, como por un material no
ferromagnético de espesor e2 que recubre una de las superficies
colocadas una frente a otra en el circuito magnético. A pesar del
sentido de las flechas del eje YY para la figura 1, la paleta móvil
30 es sin embargo representada con puntos en la figura 1.
Cuando una corriente eléctrica de accionamiento
circula en la bobina 10, se crea un flujo magnético en el circuito
magnético que provoca una fuerza que tiene la tendencia a disminuir
el entrehierro, es decir a aproximar la paleta móvil 30 de la parte
fija 20 del circuito magnético. Durante la desaparición de la
corriente eléctrica, el movimiento inverso puede ser obtenido por
diversos medios de retorno tal como un resorte de retorno.
La parte fija 20 del circuito magnético
comprende un primer extremo 21, un pedazo medio 23 que está unido
al primer extremo 21 por una primera parte del circuito magnético
41, 42, 43 que atraviesa el espacio interior 15 de la bobina 10, y
comprende un segundo extremo 22 que está unido al pedazo medio 23
por una segunda parte del circuito magnético 45, 46, 47, separado
de la primera parte, atravesando ésta también el espacio interior
15 de la bobina 10. El pedazo medio 23 se sitúa por lo tanto entre
los dos extremos 21, 22 y los dos extremos 21, 22 son posicionados
del un lado al otro de la bobina 10.
Según un modo de realización presentado en la
figura 1, la parte fija 20 comprende un primer, un segundo y un
tercer elemento, cada elemento estando sensiblemente en forma de U
con una base central rodeada de dos brazos laterales. La sección
transversal de esos elementos puede ser tanto rectangular como es
indicado en las figuras 2 y 3, como circular. El primer brazo 41
del primer elemento porta el primer extremo 21 de la parte fija 20
del circuito magnético. La base central 42 del primer elemento
atraviesa el espacio interior 15 de la bobina 10. El primer brazo
43 del segundo elemento es común al segundo brazo del primer
elemento. La base central 44 del segundo elemento es exterior a la
bobina 10 y porta el pedazo medio 23 de la parte fija 20 del
circuito magnético. El primer brazo 45 del tercer elemento es común
al segundo brazo del segundo elemento. La base central 46 del
tercer elemento atraviesa el espacio interior 15 de la bobina 10 y
el segundo brazo 47 del tercer elemento porta el segundo extremo 22
de la parte fija 20 del circuito magnético.
La paleta móvil es móvil en rotación entre las
posiciones abierta y cerrada. La misma es por ejemplo de forma
paralelepípeda con una cara plana 31 orientada hacia la parte fija
20. El primer extremo 21, el segundo extremo 22 y el pedazo medio
23 del circuito magnético son orientados hacia la cara 31 de la
paleta móvil 30 y son dispuestos para que, cuando la paleta móvil
30 esté en posición cerrada, los mismos se encuentren todos
sensiblemente a igual distancia de la cara interior 31 de la paleta
móvil 30, correspondiente al entrehierro mínimo e2 como lo muestra
la figura 3. Las dimensiones de la paleta 30 son suficientes para
cubrir en gran parte los extremos 21, 22 y el pedazo medio 23, como
en la figura 1. Preferentemente, los extremos 21, 22 y el pedazo
medio 23 del circuito magnético están elevados con relación al
resto de la parte fija 20 del circuito magnético, de manera que en
posición cerrada, el flujo magnético que proviene de la paleta móvil
30 pasa exclusivamente por el primer extremo 21, el segundo extremo
22 y el pedazo medio 23 del circuito magnético.
En cambio, en la posición abierta representada
en la figura 2, la distancia e1 existente entre la paleta móvil 30
y cada extremo 21, 22 de la parte fija 20 del circuito magnético es
inferior a la distancia e3 existente entre la paleta móvil 30 y el
pedazo medio 23. En el caso del ejemplo descrito, esto es debido al
hecho que la paleta 30 es móvil en rotación alrededor de un eje que
está más próximo a los extremos 21, 22 que al pedazo medio 23.
Otras soluciones mecánicas serían evidentemente consideradas para
obtener esta desviación de distancia entre e1 y e3. Se infiere que,
en posición abierta, el flujo magnético, que de forma general sigue
siempre el camino más corto, pasa de la paleta móvil 30 hacia la
parte fija 20 únicamente por el entrehierro creado entre la paleta
móvil y los dos extremos 21, 22.
El funcionamiento del accionador será ahora
descrito. Partiendo de la posición abierta representada en la
figura 2, se hace pasar una corriente eléctrica de accionamiento de
la bobina 10 que provoca así el arranque de la fase de retorno. El
flujo magnético creado sigue el camino más corto entre la parte fija
20 y la paleta móvil 30 del circuito magnético, que corresponde a
la distancia e1 entre la paleta móvil 30 y los dos extremos 21, 22.
En consecuencia, al principio de la fase de retorno, ningún flujo
magnético va a pasar entre la paleta móvil 30 y el pedazo medio 23
de la parte fija 20, vista la desviación existente entre las
distancias e1 y e3.
El camino seguido por el flujo magnético B es
así esquematizado en la figura 4a, en la cual el sentido
seleccionado para las flechas B es arbitrario y sólo depende del
sentido de la corriente de la bobina. La línea en puntos
corresponde al pasaje del flujo magnético B en la parte móvil 30. Se
constata así fácilmente en la figura 4a que el camino del flujo
magnético es el siguiente: 30, e1, 21, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47,
22, e1, 30. El flujo magnético B debe por lo tanto atravesar dos
veces el espacio interior de la bobina 10, por medio de las bases
42, 46, para cerrarse sobre la paleta móvil 30.
A medida de la aproximación de la paleta 30
durante la fase de retorno, la desviación entre las distancias e1 y
e3 va a disminuir progresivamente para llegar al valor único e2, que
corresponde al entrehierro de la posición cerrada de la figura 3.
En esta posición, el flujo B pasa lo mismo entre la parte móvil 30 y
los dos extremos 21, 22 que entre la parte móvil 30 y el pedazo
medio 23, lo que es representado por las líneas de puntos de la
figura 4b.
En esta disposición, se puede considerar que los
dos extremos 21, 22 y el pedazo medio 23 están en
"corto-circuito" magnético de manera que el
camino del flujo magnético B es el siguiente: 30, e2, 21/23, 41/45,
42/46, 43/47, 22/23, e2, 30. El flujo magnético B atraviesa por lo
tanto una sola vez el espacio interior de la bobina 10 a través de
las bases 42, 46 que deben ser consideradas como estando en paralelo
y por lo tanto asimilables en un solo elemento que atraviesa la
bobina 10.
La figura 5 esquematiza un diagrama de los
esfuerzos aplicados a la paleta móvil 30 en función de su curso,
durante la fase de cierre. En la abscisa, los símbolos F y O
corresponden respectivamente a las posiciones cerrada y abierta de
la paleta 30. La línea vertical 54 corresponde a la posición donde
los contactos móviles unidos a la paleta móvil 30 entran en
contacto con los contactos fijos del aparato interruptor; el curso
de compresión de los contactos se sitúan por lo tanto a la
izquierda de esta línea 54.
Una primera curva 50 muestra la curva de
esfuerzo motor obtenido con un accionador cuyo flujo atraviesa
permanentemente dos veces la bobina. Una segunda curva 51 muestra
una curva de esfuerzo con un accionador equivalente cuyo flujo
atraviesa permanentemente una sola vez la bobina. Se constata
evidentemente que la curva 50 está siempre por encima de la curva
51 ya que el esfuerzo generado es lógicamente siempre más importante
con un accionador que atraviesa permanentemente dos veces la
bobina. Una tercera curva 52 corresponde a la curva a la curva real
del accionador según la invención descrito en el ejemplo de las
figuras 1 a 3. En posición abierta, la curva 52 es asimilable al
curso 50 y luego se desvía progresivamente para alinearse sobre la
curva 51 en posición cerrada. Esta desviación es progresiva estando
dado que, como es indicado precedentemente, en la medida de la
aproximación de la paleta 30 durante la fase de retorno, la
desviación entre las distancias e1 y e3 va a disminuir
progresivamente para llegar al valor único e2.
La figura 5 muestra igualmente en trazos de
puntos el esfuerzo de resistencia 53 del accionador. Se constata
que para vencer el esfuerzo de resistencia 53 en posición abierta
con una solución clásica, sería necesario tomar un accionador
conforme a la curva 50, ya que el esfuerzo motor 51 es inferior al
esfuerzo de resistencia 53 en esta posición abierta. De manera
inversa, esta curva 50 da un esfuerzo muy importante innecesario en
posición cerrada, que puede provocar específicamente choques
mecánicos importantes al final de la fase de retorno así como un
consumo inútilmente importante en fase de mantenimiento de la
posición cerrada. La invención aporta por lo tanto la ventaja de
disminuir los choques mecánicos durante el cierre, así como un mejor
dominio de la tensión de recaída.
En cambio, gracias a la invención, la curva 52
permite optimizar el esfuerzo motor necesario para vencer el
esfuerzo de resistencia 53 cualquiera que sea la posición de la
paleta móvil, sin necesitar medios eléctricos o electrónicos
suplementarios, sino jugando únicamente sobre la disposición del
circuito magnético. Interviniendo sobre los diversos parámetros del
circuito magnético, a saber entre otros el valor de las distancias
e1, e2, e3, la forma y las dimensiones de los diferentes elementos
del circuito magnético, se puede afinar evidentemente la curva 52
ideal deseada para el accionador en función de su aplicación.
El accionador descrito en la invención puede ser
realizado en tecnología clásica, pero la tecnología MEMS (Micro
Electro-Mechanical System) es igualmente
particularmente adaptada para producir tal accionador. En efecto,
la realización por depósito de capas sucesivas en un proceso
iterativo se presta bien a la fabricación de un circuito magnético
y una bobina que tiene la forma descrita. Con esta tecnología MEMS,
los medios de retorno que crean el esfuerzo de resistencia podrían
ser obtenidos por deformación elástica de una de las piezas.
Además, un aparato eléctrico podría entonces comprender uno o varios
accionadores, de manera de alcanzar el poder de corte deseado.
La variante representada en la figura 6 muestra
otro ejemplo de disposición de la parte fija 20' del circuito
magnético, que permite crear tres pasajes distintos en el espacio
interior de la bobina 10', en lugar de dos. En ese caso, la parte
fija comprende entonces dos pedazos medios 23', 24' que, en posición
cerrada, están dispuestos para situarse a la misma distancia de la
paleta móvil 30' que los dos extremos 21', 22' de la parte fija.
Como se explicó precedentemente, el flujo magnético sólo atraviesa
entonces una sola vez el espacio interior de la bobina, por medio
de tres pasajes "en paralelo". En cambio, en posición abierta,
los pedazos medios 23', 24' están más alejados de la paleta móvil
30' que los dos extremos 21', 22'. El flujo magnético pasa entonces
únicamente entre la paleta móvil y los dos extremos de la parte
fija, lo que obliga al flujo magnético a atravesar tres veces el
espacio interior de la bobina, así como se puede observar claramente
en la figura 6. El efecto multiplicador es entonces evidentemente
más grande.
Se entiende por supuesto que se puede, sin
apartarse del marco de la invención, imaginar otras variantes y
perfeccionamientos de detalles e incluso considerar el empleo de
medios equivalentes.
Claims (10)
1. Accionador electromecánico para un aparato
eléctrico interruptor, que comprende una bobina de excitación (10)
constituida por un enrollado bobinado alrededor de un espacio
interior (15), un circuito magnético en material ferromagnético que
comprende una parte fija (20) y una paleta (30) que es móvil entre
una posición abierta y una posición cerrada bajo la acción de una
corriente eléctrica que circula en la bobina (10) y que provoca la
circulación de un flujo magnético en el circuito magnético,
caracterizado porque dicho flujo magnético atraviesa varias
veces el espacio interior (15) de la bobina (10) en posición abierta
y atraviesa una vez el espacio interior (15) de la bobina (10) en
posición cerrada.
2. Accionador electromecánico según la
reivindicación 1, caracterizado porque el accionador es
realizado en tecnología MEMS.
3. Accionador electromecánico según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el flujo magnético
que circula en el circuito magnético atraviesa dos veces el espacio
interior (15) de la bobina (10) en posición abierta.
4. Accionador electromecánico según la
reivindicación 3, caracterizado porque la parte fija (20) del
circuito magnético comprende un primer extremo (21), un pedazo
medio (23) unido al primer extremo (21) por una primera parte que
atraviesa el espacio interior (15) de la bobina (10), y un segundo
extremo (22) unido al pedazo medio (23) por una segunda parte que
atraviesa el espacio interior (15) de la bobina (10).
5. Accionador electromecánico según la
reivindicación 4, caracterizado porque en posición abierta,
las distancias (e1) entre la paleta móvil (30) y respectivamente el
primer extremo (21) y el segundo extremo (22) del circuito
magnético son inferiores a la distancia (e3) entre la paleta móvil
(30) y el o los pedazos medios (23) del circuito magnético.
6. Accionador electromecánico según la
reivindicación 5, caracterizado porque en posición cerrada,
la paleta móvil (30) está situada a una distancia (e2)
sensiblemente igual del primer extremo (21), del segundo extremo
(22) y del o de los pedazos medios (23) del circuito magnético.
7. Accionador electromecánico según la
reivindicación 6, caracterizado porque la paleta (30) es
móvil en rotación.
8. Accionador electromecánico según la
reivindicación 7, caracterizado porque la parte fija (20) del
circuito magnético comprende un primer, un segundo y un tercer
elemento, cada elemento estando sensiblemente en forma de U con una
base central rodeada de dos brazos laterales:
- -
- el primer brazo (41) del primer elemento portando el primer extremo (21) de la parte fija (20) del circuito magnético y la base central (42) del primer elemento atravesando el espacio interior (15) de la bobina (10),
- -
- el primer brazo (43) del segundo elemento siendo común al segundo brazo del primer elemento, la base central (44) del segundo elemento siendo exterior a la bobina (10) y portando el pedazo medio (23) de la parte fija (20) del circuito magnético,
- -
- el primer brazo (45) del tercer elemento es común al segundo brazo del segundo elemento, la base central (46) del tercer elemento atravesando el espacio interior (15) de la bobina (10) y el segundo brazo (47) del tercer elemento portando el segundo extremo (22) de la parte fija (20) del circuito magnético.
9. Accionador electromecánico según la
reivindicación 8, caracterizado porque el primer extremo
(21), el segundo extremo (22) y el pedazo medio (23) del circuito
magnético están elevados con relación al resto de la parte fija
(20) del circuito magnético.
10. Aparato eléctrico interruptor que comprende
contactos fijos que cooperan con contactos móviles,
caracterizado porque al menos un accionador electromecánico
según una de las reivindicaciones precedentes, cuya paleta móvil es
solidaria con dichos contactos móviles.
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