FR2568402A1 - Electro-aimant a courant continu, en particulier pour appareil electrique de commutation - Google Patents

Abstract

ELECTRO-AIMANT A COURANT CONTINU DEVELOPPANT UNE FORCE D'APPEL IMPORTANTE AVEC UNE CONSOMMATION DE COURANT REDUITE. CET ELECTRO-AIMANT A LA FORME D'UN POT CYLINDRIQUE ET PRESENTE UNE ARMATURE MOBILE 23 QUI COULISSE LE LONG D'UNE PIECE DE CULASSE 20 GRACE A UN ENTREFER DE FERMETURE E, S, DONT LA RELUCTANCE EST FAIBLE PAR RAPPORT A LA RELUCTANCE DE L'ENTREFER DE TRAVAIL E, S LORSQUE CELUI-CI EST OUVERT ET SENSIBLEMENT CONSTANTE PENDANT LE MOUVEMENT. APPLICATION AUX PETITS CONTACTEURS, OU L'ON SOUHAITE SUBSTITUER UN ELECTRO-AIMANT CONTINU DE FAIBLE CONSOMMATION A UN ELECTRO-AIMANT ALTERNATIF.

Description

ELECTRO-AIMANT A COURANT CONTINU, EN PARTICULIER POUR

APPAREIL ELECTRIQUE DE COMMUTATION.

L'invention concerne un électro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation,

comprenant une culasse magnétisable en forme de pot présen-

tant: - un noyau central, - une bobine disposée dans ce pot concentriquement au noyau, et - une armature mobile soumise à l'action d'un ressort de rappel et dont des surfaces polaires périphériques, ayant une forme qui augmente leurs valeurs, coopèrent avec des surfaces de même forme portées par une jupe annulaire du pot, à travers un entrefer de travail qui se trouve placé magnétiquement en série avec un entrefer de fermeture du

flux.

De tels électro-aimants qui sont, par exemple, connus par le brevet français No 1 051 651, présentent des avantages et des inconvénients dont l'utilisateur doit se satisfaire

lorsqu'il envisage leur application à des domaines particu-

liers; parmi les avantages, il faut mentionner le fait que les surfaces des deux entrefers participent en même temps à la génération de la force d'appel initiale; toutefois, en raison, d'une part, du rapport des surfaces de ces deux entrefers et, d'autre part, en raison de la présence de deux entrefers en série dans le circuit magnétique, on constate que le flux initial n'est pas très élevé et que, si l'induc- tion est relativement élevée dans le noyau, sa valeur sur l'entrefer périphérique reste faible, de sorte que pour des ampères-tours donnés, la force initiale d'appel ne peut atteindre des valeurs intéressantes, ou que pour atteindre ces valeurs, il devient nécessaire d'augmenter le volume de

la bobine.

L'invention se propose, par suite, de fournir un électro-

aimant présentant la constitution générale mentionnée ci-

dessus, dans lequel des mesures seront prises pour que des _ A/ / // / / / -3 - ampères-tours de faible valeur (ou, en d'autres termes, une

puissance d'excitation de bobine faible) soient suscepti-

bles de communiquer à l'armature une force d'appel initiale supérieure à celle que l'on obtient avec -les techniques antérieures, lorsque la course de l'armature et le volume de

l'électro-aimant sont pratiquement fixés à l'avance.

Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que cet entrefer de fermeture (e, S) possède une grande surface et présente une première réluctance faible en regard de la

seconde réluctance que présente l'entrefer de travail lors-

que celui-ci est ouvert, et comporte des surfaces cylindri-

ques, parallèles à la direction du mouvement de l'armature de façon que cette première réluctance ne soit sensiblement

pas affectée par ce mouvement.

On connaît déjà, par exemple, par la demande de brevet allemand publiée DE.AS-NR 1.097.563, un électro-aimant à

courant continu dans lequel un entrefer central de fermetu-

re de flux ayant des surfaces parallèles à la direction de mouvement de l'armature est placé magnétiquement en série avec deux entrefers de travail latéraux, dont les surfaces sont inclinées par rapport à ladite direction; comme le circuit magnétique utilisé ici prend la forme classique de deux pièces en forme de E, on constate que non seulement les bénéfices que fournit la présente invention ne peuvent être obtenus ici, mais que, de plus, une tentative pour obtenir ces avantages en donnant aux pièces du circuit magnétique une forme de révolution serait vouée à l'échec en raison des proportions respectives que présentent initialement ces deux entrefers; une telle tentative s'opposerait, par ailleurs, constructivement à la mise en place des moyens de

guidage et de transmission qui y sont décrits.

En effet, dans l'un des modes de réalisation présentés o l'entrefer de fermeture est placé hors de la bobine, la réluctance de l'entrefer de fermeture, qui devrait favoriser l'importance du flux, ne peut ici apporter à la force d'attraction initiale une sensible amélioration dans la mesure o les surfaces polaires de l'entrefer de travail ne peuvent dépasser une certaine valeur sans provoquer une augmentation parallèle du volume de la bobine, et o les surfaces de recouvrement de l'entrefer de fermeture sont faibles. Dans un second mode de réalisation proposé, o les entrefers de travail sont placés hors de la bobine et o l'entrefer de fermeture est placé à l'intérieur de celle-ci, la valeur de la réluctance initiale est très élevée en raison du fait que les surfaces mobiles en regard dans l'entrefer de fermeture sont extrêmement réduites; de plus, toute augmentation de leur recouvrement provoquerait une diminution sensible de la course, qui s'opposerait aux buts que se propose d'atteindre

le mécanisme associé à cet électro-aimant.

Dans les deux modes de réalisation, on remarque enfin que la liberté qui doit être donnée aux deux pièces mobiles de l'armature, ainsi que l'espace nécessaire au passage d'un arbre de transmission, réduisent si considérablement les ampères-tours appliqués au circuit que le coefficient de

remplissage de la fenêtre ne peut ici dépasser 30 %.

On rencontre actuellement le problème de loger dans un faible volume, habituellement occupé par un électro-aimant alternatif de contacteur de petite taille, un électro-aimant alimenté en courant continu dont la consommation soit très faible (ou en tout cas, voisine de celle d'un relais de signalisation), pour que de tels électro-aimants puissent être alimentés en grand nombre par les étages de sortie des

appareils électroniques modernes de traitement d'informa-

tion que sont, par exemple, les contrôleurs programmables.

Les difficultés de la solution à apporter à ce problème peuvent être évaluées lorsque l'on sait que de tels petits contacteurs doivent être en mesure de fermer simultanément, d'une part trois interrupteurs de puissance o parfois les

forces de pression de contact devront permettre l'alimenta-

tion de moteurs dont la puissance est de l'ordre de 1,5 KW sous 220 V, et dont les courses doivent être suffisantes pour assurer le cas échéant de bons isolements pour des tensions d'alimentation de l'ordre de 600 V et, d'autre

part, jusqu'à trois interrupteurs auxiliaires de signalisa-

tion; on sait, par ailleurs, qu'il est difficile de fabri-

quer, à performances égales, deux électro-aimants de même volume dont l'un est alimenté en courant alternatif, et l'autre en courant continu, compte tenu des différences physiques importantes qui distinguent leurs fonctionnements respectifs. Ces données peuvent être précisées, par exemple, par le constat que, lorsque le volume imposé est inférieur à cm3, que des isolements tels que précisés ci-dessus nécessitent des courses d'ouverture de 3 à 4 mm, que l'obtention d'une pression de l'ordre de 250 g sur des

contacts fermés est nécessitée par la présence des interrup-

teurs mentionnés, et qu'une puissance de 0,5 W pour alimen-

ter la bobine est actuellement un objectif visé par les

constructeurs, on ne peut disposer que d'environ 130 Ampè-

res-tours pour que l'électro-aimant développe à l'appel une force de l'ordre de 100 cN (même lorsque se présentent une

baisse de tension ou une élévation de température importan-

te) pour- que soit remplie l'obligation de maintenir avec sécurité l'ensemble des masses mobiles à leur position de repos. Par ailleurs, les tendances modernes à la réduction des

coûts techniques de montage et à l'augmentation de la fiabi-

lité font que l'on souhaite transmettre directement aux contacts, c'est-àdire sans moyens de multiplication de mouvement, les déplacements qu'effectue l'armature de

l'électro-aimant.

Dans les contacteurs de ce type, o le nombre des manoeuvres peut atteindre des chiffres très élevés, il est nécessaire - 6- de réduire des détériorations et usures que pourraient produire les percussions répétées de l'armature sur la

culasse fixe.

Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, o la réduction de l'intensité de ces chocs a été prise en compte, et qui s'accompagne d'une réduction supplémentaire du volume de la bobine allant dans le même sens que les objectifs définis ci-dessus, la réduction de l'intensité de la force

d'attraction terminale est déterminée par un choix du diamè-

tre du noyau qui y fait localement apparaître des phénomènes de saturation ne prenant une importance prépondérante que

lorsque la réluctance de l'entrefer de travail diminue.

Selon une exécution particulière de ces dernières mesures

qui vise à donner à la courbe d'attraction une allure crois-

sante sensiblement linéaire, ces phénomènes de saturation font sensiblement évoluer l'induction dans le noyau dans un

rapport de 1 à 2.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip-

tion ci-après.

Au dessin annexé: Les figures 1, la et lb représentent un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'entrefer de fermeture est disposé à l'intérieur de la bobine,

tandis que l'entrefer de travail est situé à la péri-

phérie du pot; La figure 2 illustre un second mode de réalisation de l'invention, dans lequel les entrefers de travail et de fermeture sont placés à la périphérie du pot; La figure 3 montre les dimensions que peut prendre un électro-aimant selon l'invention pour répondre à des données numériques définies par ailleurs; La figure 5 illustre une répartition du flux développé

dans le circuit pour une certaine position de l'arma-

ture; La figure 4 représente un diagramme de l'évolution des

forces d'attraction et des forces résistantes rencon-

trées par un électro-aimant selon l'invention, lors-

qu'il est appliqué à un petit contacteur; La figure 6 représente, à des fins de comparaison, un

électro-aimant en forme de pot connu dans l'art anté-

rieur; La figure 7 montre un électro-aimant conforme à S15 l'invention, dans lequel l'augmentation de la surface de l'entrefer de travail a été obtenue par des voies différentes des précédentes; La figure 8 montre un exemple de mesures pouvant être prises pour diminuer la réluctance de l'entrefer de fermeture; La figure 9 représente, dans une vue extérieure en

élévation, un électro-aimant dans lequel la réluctan-

ce de l'entrefer de fermeture évolue pendant la course de l'armature; Les figures 10 et O10a illustrent, dans une vue en élévation extérieure et, respectivement, dans une vue de dessus coupée par le plan TT', un électroaimant ayant les mêmes propriétés que le précédent, mais o l'évolution de la réluctance peut être choisie parmi

l'une de deux évolutions possibles.

Un électro-aimant 1' conforme à l'invention et visible à la figure 1 présente deux pièces de révolution magnétisables 2, 3, mobiles l'une par rapport à l'autre le long d'un axe de révolution commun XXX, et engagées l'une dans l'autre. Ces pièces prennent, une fois engagées, l'allure d'un pot dont le volume intérieur 18 est occupé par un bobinage 4 ayant des amenées de courant 5, 6, qui traversent par exemple la pièce 3 considérée ici comme fixe, alors que l'inverse serait également possible. La pièce 3 comporte un fond 7 sensiblement plat au centre duquel saille un noyau 8 cylindrique pourvu sur sa surface extérieure d'une mince couche 9 d'un matériau amagnétique présentant de bonnes propriétés de frottement. Une jupe annulaire 10 prolonge extérieurement le fond parallèlement

au noyau et comporte à son extrémité libre une surface coni-

que 11 de révolution faisant un angle a avec l'axe.

La seconde pièce 2, qui est donc ici supposée mobile, pré-

sente une forme comparable à celle de la pièce 3, mais comporte au centre de son fond 16 un prolongement tubulaire 12 dont l'alésage 13 est traversé par le noyau 8 et glisse sur lui à frottement doux, tandis que sa courte jupe 14 présente une surface conique 15 d'angle a qui est parallèle

à la précédente, en regard de laquelle elle se trouve.

En raison des propriétés et de la fonction même de l'élec-

tro-aimant, un ressort de rappel 17, qui, à titre d'exemple a été disposé à l'intérieur du volume 18 compris entre les pièces 2 et 3, mais qui pourrait être placé à l'extérieur,

communique à la pièce 3 une force de rappel vers une posi-

tion de repos o elle rencontre une butée 19 et o une distance "c" égale à la course relative des pièces 2 et 3

sépare les surfaces coniques parallèlement à l'axe XX'.

La pièce mobile 2, qui sera désormais appelée l'armature, peut être mécaniquement attelée à toute pièce ou dispositif pour lui communiquer un déplacement d'amplitude égale à 'c' qui, pour se produire, nécessite que les ampères-tours circulant dans la bobine soient suffisants pour vaincre, d'abord une force résistante initiale, grâce à une force d'appel initiale développée par l'attraction de l'armature, et soient ensuite utilisés efficacement pour vaincre d'autres forces résistantes qui apparaissent au cours du déplacement, par exemple pour opérer la compression de ressorts de pression, si l'armature est associée à des contacts mobiles d'interrupteurs (non représentés). On voit que les ampères-tours développés par une bobine sont essentiellement utilisés pour magnétiser, d'une part, l'entrefer de travail E qui sépare les surfaces polaires

coniques et, d'autre part, l'inévitable entrefer de fermetu-

re -e- que doit traverser le flux magnétique.

L'induction initiale Bi dans l'entrefer E, ainsi que les

dimensions des surfaces polaires 15 et 11, doivent elles-

mêmes être suffisantes pour que la force d'appel initiale fi

soit supérieure aux efforts résistants initiaux Ri.

Les dimensions d'un électro-aimant apte à développer une

telle force d'appel, lorsqu'une course "c" doit être effec-

tuée en dépassant des forces résistantes initiales dont la variation ultérieure est connue d'avance, peuvent être obtenues sans difficulté par des moyens et un calcul connus,

lorsque la puissance et le volume dont peut disposer l'élec-

tro-aimant ne font l'objet d'aucune contrainte particuliè-

re. Il n'en est pas de même lorsque, par exemple, on se propose, soit de placer, dans un bottier de contacteur utilisant un électro-aimant à courant alternatif, un électro-aimant alimenté par un courant continu, car le volume de ce dernier est généralement supérieur d'environ 50 %, soit de limiter

la puissance d'un électro-aimant, par exemple à une puissan-

ce d'un demi-Watt, tout en lui demandant de développer à

l'appel des forces initiales de l'ordre de 100 cN, en effec-

tuant ensuite une course de l'ordre de 3 à 4 mm.

On sait par ailleurs que, si à l'inverse du comportement des électroaimants alimentés en courant alternatif, l'armature -AA - d'un électroaimant alimenté en courant continu ne subit qu'une faible force d'attraction à l'appel, cette dernière connaît ensuite une évolution croissante très rapide dont l'excédent par rapport aux forces résistantes devient, non seulement inutile, mais encore nuisible, en raison de la vitesse finale qu'atteint alors l'armature lorsqu'aucun moyen ou phénomène auxiliaire ne vient en contrecarrer l'évolution. Un autre électro-aimant l'a, représenté à la figure la, o les mêmes références concernent des organes ayant de mêmes fonctions, dérive directement du précédent par inversion de la position du noyau 8' et du prolongement tubulaire 12' qui sont maintenant reliés à l'armature 2' et au pot de culasse 3'. Dans les deux exemples de réalisation des figures 1 et

la, la longueur axiale le long de laquelle s'étend l'entre-

fer -e-, respectivement -e'- sera aussi grande que possible pour des raisons justifiées plus loin; dans tous les cas, cette longueur sera toujours voisine de la hauteur -H- de la

bobine 4.

L'électro-aimant lb représenté à la figure lb montre comment la position de l'entrefer de travail Eb peut être modifiée dans l'une ou l'autre des formes de réalisation illustrées aux figures 1 ou la, en rapprochant cet entrefer du fond 7b de la culasse fixe 3b pour diminuer les flux de fuite qui pourraient ne pas concourrir à l'attraction de l'armature; la jupe 14' de l'armature mobile 2b est ici plus longue que dans le cas précédent et la jupe 10' est elle, par contre,

plus courte.

Un autre électro-aimant 1" conforme à l'invention, et visi-

ble à la figure 2, comporte une culasse fixe 20 qui est

formée par l'assemblage de deux pièces de révolution magné-

tisables 21 et 22, une armature magnétisable mobile 23, une

bobine 24 et un ressort 17'.

Une fois assemblée, la culasse 20 retient, dans un volume intérieur 80, la bobine qui a été auparavant introduite autour d'un noyau massif 25 de la pièce 21 concentrique et solidaire d'un fond 26 portant à sa périphérie une surface conique 81 faisant un angle a avec l'axe YY'. L'extrémité libre 27 du noyau est ici ancrée dans le fond

plat 28 de la-pièce 22, qui est prolongée par une jupe annu-

laire 29 dont la surface est de préférence recouverte d'une fine couche de matière amagnétique antifriction 30 et qui

s'étend parallèlement au noyau 25.

L'armature mobile 23 prend la forme d'un anneau dont la

surface cylindrique interne 31 coulisse avec un jeu appro-

prié sur la couche 30 et dont une extrémité placée en regard de la surface 81 présente une surface conique parallèle 32;

la longueur "m" de cette armature est de préférence supé-

rieure à la hauteur "hn de la jupe 29, pour lui permettre de glisser sans que soit diminuée la surface de contact et donc augmentée la réluctance; on verra ultérieurement que certains aménagements peuvent être toutefois apportés à la

valeur de celle-ci pour répondre à des objectifs particu-

liers. On constate que, grâce à cette disposition, l'ensem-

ble du volume interne 80 de la culasse 20 est occupé par la

bobine 24.

Dans les deux modes de réalisation de l'invention, les ampères-tours -nidéveloppés par la bobine lorsque celle-ci est traversée par le courant, vont faire développer un flux

0 qui va circuler dans les pièces magnétisables, en traver-

sant, d'une part, un entrefer de travail, qui est placé entre les surfaces coniques 81, 32, respectivement 11, 15 et dont la dimension est - E - et, d'autre part, un entrefer de fermeture, qui est matérialisé par l'épaisseur - e - de la couche de matière antifrictiono

L'entrefer E dont la surface est - s - et l'entrefer - e -

dont la surface est - S -, définissent des réluctances R1 et R2 qui donnent au flux une valeur 0 faisant apparaître des

inductions B1 et B2.

Dans les électro-aimants conformes à l'invention, on s'arrange pour que la réluctance R2 soit aussi faible que possible devant la réluctance R1 lorsque l'armature est en position ouverte et que le produit du carré de l'induction initiale B1 par la surface - s - (ou force d'attraction initiale - Fi) soit aussi élevée que possible lorsque les armatures sont au repos, de façon à vaincre aisément les

forces résistantes initiales Ri.

On remarquera que cette induction initiale B1 doit être choisie pour que la force d'attraction courante soit en mesure d'évoluer en restant par exemple supérieure aux efforts résistants progressifs ou étagés que l'on rencontre successivement ou simultanément lorsque l'armature actionne

des contacts mobiles d'un contacteur. En effet, si l'induc-

tion initiale était déjà élevée, l'apparition de la satura-

tion dans le circuit magnétique donnerait une faible crois-

sance aux forces d'attraction lorsque l'armature se déplace.

Lorsque l'induction initiale B est convenablement choisie, la saturation n'apparaît (si elle apparait) sur les surfaces - s - que lorsque l'armature est très voisine de la culasse, et les effets de la saturation se développent auparavant soit dans le noyau 8 de section - f -, respectivement 25, soit dans les régions 34, 35, respectivement 36, 37, pour

que la croissance des forces d'attraction soit juste supé-

rieure à la croissance des efforts résistants.

L'intérêt de faire apparaître la saturation à ces niveaux en leur donnant une section appropriée, résulte du fait que toute diminution de la section du noyau se répercute dans un sens favorable sur le volume de la bobine, donc sur la puissance qui sera nécessaire pour faire apparaître les

ampères-tours. Une telle diminution, qui se répercute égale-

ment sur le volume total de l'électro-aimant, est également

- 13 -

favorable à l'évacuation des pertes Joule, car, à densité de courant constante, la surface externe de l'électro-aimant

diminue proportionnellement moins que le volume interne.

Les dimensions et paramètres d'un électro-aimant 1''' conforme à l'invention, qui sont donnés à la figure 3, et l'évolution de la force d'attraction, qui est donnée au graphique de la figure 4 montrent que, d'une part, le volume d'un tel électro-aimant (alimenté en courant continu) peut rivaliser avec celui d'un électro-aimant alimenté en courant alternatif et que, d'autre part, la puissance nécessaire à son excitation, qui est de l'ordre de 0,5 W, permet de faire

alimenter directement un nombre important de petits contac-

teurs qui utilisent ces électro-aimants par les étages de sortie d'une unité de commande électronique telle qu'un

séquenceur programmable.

On remarquera, à l'examen de la figure 5, qui montre la distribution du flux à circuit ouvert, que les flux de fuite susceptibles d'apparaître entre les régions L, M, N, Q sont

très faibles; ce bon résultat est dû au fait que les sec-

tions des masses magnétiques autres que le noyau sont choi-

sies pour ne pas se saturer.

On constatera également qu'une grande liberté est donnée au concepteur et/ou à l'utilisateur pour choisir la valeur de la surface - s - la mieux adaptée à ses besoins, grâce à une

inclinaison alpha plus ou moins prononcée des surfaces coni-

ques. Dans la pratique, l'entrefer E =.... est déterminé par la valeur de la course - C - nécessaire pour opérer un bon isolement et une bonne compression des contacts mobiles associés à l'armature et l'inclinaison a en résulte, tandis

que la valeur de l'entrefer - e - ne peut descendre au-

dessous d'un seuil raisonnable, qui est déterminé par les moyens et matériaux utilisés dans une fabrication économique - 1*- de grande série; on peut par exemple choisir

0,1 mm < e < 0,5 mm.

Un calcul rapide et simplifié dont les détails sont donnés ci-dessous montre que les performances d'un électro-aimant

en pot de forme conventionnelle, qui est illustré à la figu-

re 6, sont à dimensions égales nettement inférieures à celles d'un électro-aimant selon l'invention; la souplesse du contrôle de l'induction B3 du noyau qui est acquise dans l'invention se fait sans détriment, ni pour la force d'attraction, ni pour le volume de la bobine, avantage qui ne peut pas se retrouver dans l'électro-aimant selon la

figure 6, en raison du fait que la volumineuse région inter-

ne du noyau qui est utilisée pour développer une part importante de la force d'attraction est également celle o

les phénomènes de saturation vont d'abord apparaître.

Soit - ni - les ampères-tours disponibles, et - R - la

réluctance du circuit magnétique considérée comme unique-

ment représentée par les entrefers, donc en ne tenant pas compte de la saturation; les coefficients constants sont représentés par la lettre G. ni = R = n R et RR = R1 + R avec R1 = R = 1 2 R1 s 2 =s

KK 2 + 1

Si l'on pose E = Kle et S = K2s, R devient e 1 K2+ K2 d'o: K2 ni s G e 1 + K1 K2 K2 B = = ni 2 G s e 1 + K1 K2 B2 Si K ni 1 * G 2 S K2s -- e ' 1 + K1 K2 - i - K2 ni s G 3 f e ' 1 + K 1 2 fG La force d'attraction initiale Fi est donnée par:

2 2<-) K2 2

Fi = B12s= G 2 () ( +K1K 2 s Dans l'invention, o la course de l'armature est de 3 mm et o les angles a font 30 , un entrefer - e - de fermeture a été choisi égal à 0,3 mm et un entrefer de travail - E- égal

à 1,5 mm résulte des choix géométriques; par suite, K = 5.

Pour un diamètre extérieur de 30 mm et une hauteur - h -

égale à 19 mm, on a s = 4,3 cm2, S = 15 cm2; par suite,

K2 = 3,5

d'o 2 _ _1 5r 21 2 Fi = (ni)2 ( 3,5 2 4,3 G

+ (0,03)

3,5)2 __ 2 43 2 = 2

Fi = (ni). 2. G G ( i.) 170 k 18,5) <0,03)2 Si l'on donne à un électroaimant connu selon la figure 6 les mêmes dimensions extérieures, la même course, les mêmes dimensions d'entrefer de travail (E,s), et que l'on tient compte d'un entrefer de fermeture E disposé sur un noyau de même section - f - o l'angle a = 30 , on a =E R' R R' s 1 1 s 1 2 S avec S' = 0,64 cm2 x 2 = 1,28 cm et s = 4,3 cm2 on a K' = S 2 = 18 -t 2 s 4,3: - 1 L'application des mêmes formules pour des -ni- identiques et en tenant compte du fait qu'une induction B'1 s'applique à - s - et une induction B'2 s'applique à S' à travers deux entrefers - E - de valeurs égales à 1, 5 mm, donne une force initiale totale: ni)2 K.1' 2 K' 2

F'i: E:.

F'i.s ( + '+ <+ ' K')] G E 1 + Ki' K2 ' (1 À K 1, K2V)2 = (ni 2 4,3 0,3 2 0,3 G2 (0o,15)2 1 + 0,3 + 0,3)

(1 + 0,3>2

= (ni) 2 432 [053 + 0177]. G2

(0,15) '

= G2 (ni)2. 44 Entre Fi et F'i, il existe donc un rapport de multiplication

égal à 170 = 3,9.

La comparaison entre un électro-aimant 1' selon la figure 1 ou la, par exemple S = 5,6 cm2 lorsque H = 1,9 cm et donc K2 = 1,3 et un électroaimant conventionnel amène à une

proportion encore très favorable de 143 = 3,25.

La réserve d'amplification de la force d'attraction initiale fournie par l'électro-aimant selon l'invention permet d'envisager de multiples applications o, non seulement

cette force, mais encore son évolution pourront être aisé-

ment adaptées aux besoins, en modifiant non seulement les rapports K1 et K2 mais encore, éventuellement, le rapport K3 qui lie la surface polaire de travail - s - et la section

- f - du noyau selon l'égalité s = K 3f.

Ce rapport K3 dont l'augmentation pour une surface - s - et un coefficient K2 donnés, fait apparaîltre plus tôt la

saturation du noyau, permet par exemple de définir l'induc-

- -1 - tion terminale Blt, donc la force d'attraction terminale;

dans l'exemple de réalisation de la figure 3, K3 = 6,8.

Une augmentation de K2 qui réduit la réluctance R2 augmente la force d'attraction initiale, ainsi que le taux de crois- sance; son ajustement permet également de fixer le cas échéant la force d'attraction à micourse, juste avant que

les effets de la saturation puissent se faire sentir nota-

blement. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 3, o l'on s'est donné l'objectif de faire vaincre à l'électro-aimant d'un petit contacteur les forces résistantes -Q-, le calcul et le relevé permettent de voir que (K2 étant égal à 3,5) la force d'attraction F est voisine de la moitié de sa valeur maximale après une course initiale allant de 30 à 40 % de la course totale et que la force initiale est voisine de cN.

La mise en oeuvre de surfaces polaires de travail très incli-

nées, qui pourrait éventuellement créer quelques difficul-

tés de coopération à la fermeture, n'est nécessaire que si l'on se propose d'atteindre des forces initiales importan-

tes, sans que les dimensions extérieures et la masse de

l'armature deviennent excessives.

Le fait de remplacer les surfaces coniques de l'électro-

aimant selon la figure 3 par des surfaces droites séparées

de la valeur de la course, modifierait à la fois les rap-

ports: S + K2 s en donnant K2 = 7 et E = Kle en donnant

K1 = 10; ces valeurs ne donnent plus à la force d'attrac-

tion initiale une amplification intéressante par rapport à l'art antérieur; on constate le rôle important que joue

l'inclinaison des surfaces de l'entrefer de travail.

Dans les calculs simplifiés utilisés ci-dessus pour effec-

tuer des comparaisons, les forces de frottement n'ont pas été prises en compte; il est clair que si ces forces sont - 1 - exprimées par les effets d'une force d'attraction latérale que peut communiquer à l'armature annulaire 23 le frottement

contre la surface de la jupe 29 du pot, un calcul d'optimi-

sation peut être conduit pour trouver les valeurs les plus appropriées de K1, K2 et K3. L'expression de la force nette utile Fu comprend alors un coefficient de la forme (1- r) qui montre, s'il en était K2

besoin, que cette force est plus importante lorsque le coef-

ficient de frottement r est faible et que K2 est élevé.

Des simulations ont permis de choisir une évolution de l'induction B3 dans le noyau qui sont avantageusement comprises entre 0,7 Tesla et 1,6 Tesla (soit un rapport voisin de 2) lorsque l'armature se ferme, cette évolution

étant bien adaptée à l'application aux contacteurs.

L'invention peut connaître, dans une variante 56 de l'élec-

tro-aimant, des formes de réalisation qui la placent tou-

jours dans le cadre de l'obtention d'une force d'attraction initiale élevée; au lieu de mettre en oeuvre des surfaces inclinées régies par des cônes, les surfaces polaires de l'entrefer de travail pourraient présenter chacune une série de dents 50, respectivement 51, à flancs inclinés, venant en coopération par pénétration des saillies de l'une dans les intervalles de l'autre; des moyens d'orientation angulaire

52, 53, par exemple à rainure axiale et goupille transversa-

le, peuvent alors se révéler nécessaire pour empêcher une rotation de l'armature 54 par rapport à la culasse 55 au

moment de l'excitation de la bobine, voir figure 7.

Une augmentation de la surface S que doit présenter l'entre-

fer de fermeture (et donc de K2) peut être obtenue par exemple à l'aide d'un prolongement 59 de l'armature 60 coopérant avec une extension 57 de la jupe 61 appartenant à

la culasse 58, voir figure 8.

- l1 -

Tout en restant dans le cadre d'une valeur élevée de la surface de l'entrefer de fermeture S, on peut souhaiter, pour des applications o une faible évolution de la courbe

d'attraction doit répondre à des prescriptions particuliè-

res, que sa valeur diminue pendant la course de l'armature; un tel résultat peut être obtenu en donnant à la jupe 63 de l'électro-aimant visible à la figure 9 et à son armature

annulaire 64, des découpes 66, respectivement 67, de préfé-

rence symétriques, qui modifient les valeurs des surfaces S placées en regard lorsque cette armature se déplace. Une distribution angulaire progressive des découpes 75, 76 permettrait, le cas échéant, de choisir l'une de plusieurs courbes d'attraction possibles, en donnant à l'armature 70

de l'électro-aimant 69 avant montage, une orientation angu-

laire particulière par rapport au pot de culasse 71, orien-

tation qui serait assurée par des moyens de guidage tels que goupille 72 et rainures 73, 74 visibles aux figures 10 et la. On peut enfin observer que le choix de l'orientation de la conicité des surfaces de l'entrefer de travail, visible aux figures 1, 2 et 3, a été fait pour que les effets d'un léger jeu radial présent sur l'entrefer de fermeture ne produise pas un déséquilibre des valeurs que peuvent prendre deux portions d'entrefers de travail diamétralement opposés; un tel déséquilibre, qui se produirait dans le cas contraire, pourrait provoquer des coincements, voir figure lb. L'orientation choisie peut être définie comme celle qui fait passer, au voisinage d'un point central 0, placé sur l'axe de symétrie XX', respectivement YY', une demi-droite normale

élevée sur une surface conique concave telle que 15, respec-

tivement 81, voir figure 2.

La notion de pot cylindrique, qui a été utilisée dans les exemples précédents, ne doit pas être limitée à celle d'un cylindre de révolution qui en constitue cependant le mode de

réalisation le plus avantageux.

25684e02 -o - On peut également envisager l'utilisation de cylindres droits dont la surface externe serait définie par le -trajet d'une droite génératrice s'appuyant sur une courbe ou figure

directrice différente d'un cercle.

Moyennant la mise en oeuvre de moyens et procédés de fabrica-

tion particuliers, il est possible de réaliser des pots d'électro-aimant de forme quasi-prismatique, ou, en d'autres termes, de pots à section carrée ou rectangulaire à bords arrondis, afin d'augmenter les surfaces qui limitent

* l'entrefer d'appel; la réalisation de l'entrefer de ferme-

ture peut alors faire usage d'une couche isolante sous forme

de film, qui est collée sur la jupe de ce pot et à une arma-

ture coulissante ayant une section correspondante.

Claims (5)

Revendications de brevet

1. Electro-aimant à courant continu, en particulier pour appareil électrique de commutation, comprenant une culasse magnétisable en forme de pot présentant: - un noyau central, - une bobine disposée dans ce pot concentriquement au noyau, et - une armature mobile soumise à l'action d'un ressort de rappel et dont des surfaces polaires périphériques, ayant une forme qui augmente leurs valeurs, coopèrent avec des surfaces de même forme portées par une jupe annulaire du pot, à travers un entrefer de travail qui se trouve placé magnétiquement en série avec un entrefer de fermeture du flux, caractérisé en ce que cet entrefer de fermeture (e, S)

possède une grande surface (S) et présente une faible réluc-

tance "R2" en regard de celle "Rl" que présente l'entrefer de travail (E, s) lorsque celui-ci est ouvert, et comporte des surfaces cylindriques (13, 9), respectivement (30, 31), parallèles à la direction du mouvement de l'armature (2), respectivement (23), de façon que cette première réluctance

"R2" ne soit sensiblement pas affectée par ce mouvement.

2. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force d'attraction terminale Ft de l'armature (2), respectivement (23), est essentiellement déterminée par la dimension du noyau central (8, 12), respectivement (25), dont la section - f - est choisie pour que les phénomènes de saturation magnétique y prennent une importance prépondérante lorsque l'entrefer de travail (E,

s) diminue de réluctance.

3. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les phénomènes de saturation dans le noyau (25) y font évoluer sensiblement l'induction dans le - 2 - rapport de 1 à 2 lorsque l'armature (23) se déplace entre sa

position de repos et sa position de travail.

4. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à

3, caractérisé en ce que l'entrefer de fermeture (e, S), qui est disposé entre un noyau (12, 12') tubulaire et un noyau massif (8, 8') placés tous deux au centre de la bobine et liés respectivement à des pièces fixe (3, 3') et mobile (2, 2') de l'électro-aimant (1', l'a), s'étend sensiblement sur

la hauteur -H- de la bobine (4).

5. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à

3, caractérisé en ce que l'entrefer de fermeture (e, S) est disposé entre une jupe externe cylindrique (29) d'une pièce (22) du pot magnétique (20) et une armature mobile annulaire (23) qui porte à une extrémité des surfaces polaires (32)

définissant l'entrefer de travail (E, s).