FR2920247A1 - Actionneur electromagnetique et appareil interrupteur dote d'un tel actionneur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un actionneur électromagnétique qui comprend une bobine d'excitation et un circuit magnétique, le circuit magnétique comportant une culasse fixe et une armature qui est mobile par rapport à la culasse entre une position ouverte et une position fermée, l'armature étant maintenue en position fermée sous l'action d'un courant de maintien circulant dans la bobine. L'actionneur comporte une unité de calcul de l'inductance du circuit magnétique, une unité de régulation du courant de maintien en fonction de l'inductance calculée, une pièce élastomère placée dans un entrefer du circuit magnétique entre la culasse et l'armature, ladite pièce étant comprimable quand l'armature est en position fermée, de façon à modifier l'inductance du circuit magnétique.

Description

Actionneur électromagnétique et appareil interrupteur doté d'un tel

actionneur La présente invention se rapporte à un appareil interrupteur doté d'un ou plusieurs pôles de puissance, en particulier un contacteur, un relais ou un contacteur disjoncteur. L'invention se rapporte en particulier à un actionneur électromagnétique intégré dans un tel appareil pour commuter, c'est-à-dire ouvrir et fermer, les contacts électriques du ou des pôles de puissance, et capable d'optimiser le courant électrique circulant dans la bobine d'excitation. Habituellement, l'actionneur électromagnétique d'un tel appareil interrupteur comporte une culasse fixe et une armature qui est mobile par rapport à la culasse fixe entre une position fermée et une position ouverte, formant ainsi un circuit magnétique déformable présentant un entrefer variable. La position fermée correspond généralement à la valeur minimale de l'entrefer existant entre l'armature mobile et la culasse fixe et la position ouverte correspond à la valeur maximale de l'entrefer.

L'actionneur électromagnétique possède également une bobine d'excitation dans laquelle peut circuler un courant électrique qui crée alors un champ magnétique entraînant le déplacement de l'armature mobile vers la culasse fixe. Pour effectuer le mouvement de l'armature mobile de la position ouverte à la position fermée, un courant électrique appelé courant de fermeture circule dans la bobine. Puis, pour maintenir l'armature mobile dans la position fermée, un courant électrique appelé courant de maintien circule dans la bobine. En l'absence de courant circulant dans la bobine, l'armature mobile est rappelée en position ouverte, par exemple grâce à des moyens de rappel classiques de type ressort. La valeur du courant de fermeture est généralement plus élevée que la valeur du courant de maintien, notamment pour provoquer un déplacement de l'armature mobile suffisamment rapide pour une bonne commutation des contacts des pôles de puissance. Or, dans certains appareils, la bobine d'excitation est commandée par un circuit de commande basique et les valeurs de courants de fermeture et de maintien sont identiques. En conséquence, si le même courant est utilisé dans la phase de fermeture et dans la phase de maintien, il sera calculé sur la base du courant de fermeture et on risque donc de fournir un courant de maintien beaucoup plus élevé que ce qui est nécessaire. Il en résulte une consommation d'énergie inutile pour l'appareil interrupteur.

Il existe déjà des dispositifs simples qui permettent de générer des valeurs différentes pour le courant de fermeture et le courant de maintien, par exemple en fonction d'un temps de fermeture comme indiqué dans le document EP0627753 ou en fonction d'une position de l'armature mobile comme indiqué dans le document FR2807871. Cependant, ces dispositifs délivrent toujours une valeur constante du courant de maintien. Or, suivant le type d'utilisation souhaité, l'utilisateur peut être amené à associer mécaniquement l'appareil interrupteur avec un ou plusieurs blocs additifs, tels que des contacts auxiliaires ou des temporisateurs. Ce ou ces blocs additifs sont entraînés par l'actionneur électromagnétique et leur présence modifie donc l'effort résistant généré par l'actionneur en position fermée, ce qui modifie par conséquent la valeur du courant de maintien nécessaire pour maintenir efficacement la position fermée de l'armature. Lorsqu'une seule valeur de courant de maintien est prévue, celle-ci doit alors être dimensionnée pour un cas d'utilisation où l'appareil interrupteur est associé au nombre maximal autorisé de blocs additifs. De plus, l'effort de répulsion exercé par les pôles de puissance de l'appareil interrupteur en position fermée varie en fonction du courant de puissance circulant dans ces pôles. Si le courant de maintien est fixe, celui-ci doit donc être calculé pour une charge électrique maximale, c'est-à-dire pour maintenir efficacement l'appareil en position fermée en cas de courant de puissance maximal. Il en résulte là encore une consommation d'énergie excessive dans le cas d'utilisation où aucun bloc additif n'est présent ou dans le cas d'un courant de puissance peu élevé.

Un des objectifs de l'invention est donc d'optimiser la valeur du courant de maintien circulant dans la bobine de façon à minimiser la consommation électrique de l'appareil interrupteur, quelle que soit son utilisation. Le but est ainsi de fournir en permanence le courant de maintien juste nécessaire pour maintenir efficacement la position fermée du circuit magnétique et donc pour assurer à tout moment un bon contact entre les contacts fixes et mobiles des pôles de puissance. Un autre objectif de l'invention est de déterminer avec précision les variations d'épaisseur de l'entrefer du circuit magnétique à l'approche de la position fermée, en calculant l'inductance du circuit magnétique à l'aide d'une mesure du courant circulant dans la bobine et de la tension aux bornes de la bobine. L'invention permet ainsi d'ajuster la consommation électrique d'un actionneur par mesure de l'inductance du circuit magnétique en position fermée, et donc de piloter dynamiquement l'actionneur. Pour cela, l'invention décrit un actionneur électromagnétique qui comprend une bobine d'excitation et un circuit magnétique, le circuit magnétique comportant une culasse fixe et une armature qui est mobile par rapport à la culasse fixe entre une position ouverte et une position fermée, l'armature mobile étant maintenue en position fermée sous l'action d'un courant électrique de maintien circulant dans la bobine. L'actionneur comporte une unité de calcul de l'inductance du circuit magnétique, une unité de régulation du courant de maintien en fonction de l'inductance mesurée, une pièce élastomère placée dans un entrefer du circuit magnétique entre la culasse fixe et l'armature mobile, ladite pièce étant comprimable quand l'armature est en position fermée, de façon à modifier l'inductance du circuit magnétique. Selon une caractéristique, la pièce élastomère n'est pas comprimée lorsque l'armature mobile est en position ouverte. Elle est réalisée avec un matériau magnétique et fournit un entrefer résiduel lorsque l'armature mobile est en position fermée.

Selon une autre caractéristique, l'unité de calcul comporte des moyens de mesure du courant circulant dans la bobine et de la tension aux bornes de la bobine, et calcule l'inductance à partir desdites mesures. L'unité de régulation comporte un circuit électronique qui régule le courant circulant dans la bobine à partir de la différence entre ladite inductance calculée et une inductance de référence prédéterminée. L'invention concerne également un appareil électrique interrupteur comprenant un ou plusieurs pôles de puissance munis de contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles pour commuter une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un tel actionneur électromagnétique pour actionner lesdits contacts mobiles. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre un exemple simplifié d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention avec un circuit magnétique en position fermée, la figure 2 montre le même circuit magnétique en position ouverte.

En référence à la figure 1, un actionneur électromagnétique comporte un circuit magnétique 10 et une bobine d'excitation 18. Le circuit magnétique 10 comprend une culasse fixe 11 et une armature mobile 12. L'armature mobile 12 est mobile par rapport à la culasse fixe 11 entre une première position, appelée position ouverte et une seconde position, appelée position fermée. De façon connue, l'armature mobile 12 est amenée en position fermée sous l'action d'un courant, dit courant de fermeture, circulant dans la bobine 18 et est maintenue en position fermée sous l'action d'un courant, dit courant de maintien, circulant dans la bobine 18. En l'absence de courant dans la bobine 18, l'armature mobile 12 peut être ramenée en position ouverte grâce par exemple à des moyens de rappel non représentés sur les figures. Le courant circulant dans la bobine de l'actionneur peut être un courant continu ou un courant alternatif. L'actionneur électromagnétique est utilisé dans un appareil interrupteur du type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur. Un tel appareil comprend des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles pour commuter un ou plusieurs pôles de puissance de l'appareil. Les contacts mobiles sont mécaniquement liés avec l'armature mobile de l'actionneur. En position fermée, les contacts fixes et mobiles de l'appareil interrupteur sont en contact (circuit de puissance fermé), alors qu'en position ouverte les contacts fixes et mobiles de l'appareil interrupteur sont séparés (circuit de puissance ouvert).

Dans le mode de réalisation présenté à titre d'exemple, la culasse fixe 11 et l'armature mobile 12 sont agencées en forme de "E", dont les extrémités présentent une face centrale entre deux faces extrêmes. Ces trois faces de la culasse 11 sont respectivement agencées en vis-à-vis de trois faces correspondantes de l'armature 12. Les espaces ainsi créés entre chaque face en vis-à-vis forment l'entrefer du circuit magnétique 10 qui est donc composé de trois zones d'entrefer, à savoir une zone centrale 17 entre deux zones extrêmes 16.

Dans l'entrefer du circuit magnétique 10, entre la culasse fixe 11 et l'armature mobile 12, est disposée une pièce élastomère 15, réalisée à l'aide d'un matériau compressible. Dans le mode de réalisation présenté, cette pièce élastomère est composée de deux bandes élastomères 15 qui sont fixées sur les deux faces extrêmes de la culasse 11, c'est-à-dire dans les zones extrêmes 16 de l'entrefer. Dans cet agencement, la zone centrale 17 de l'entrefer ne comporte que de l'air mais on pourrait également placer une troisième bande élastomère sur la face centrale de la culasse 11. Ces bandes élastomères 15 peuvent comporter une face adhésive pour être collée facilement sur la culasse 11 ou sur l'armature 12.

L'actionneur électromagnétique est conçu pour qu'en position ouverte, l'entrefer E entre la culasse 11 et l'armature 12 soit suffisamment important pour que la pièce élastomère 15 ne soit pas comprimée, comme indiqué en figure 2. Inversement, en position fermée, l'armature 12 vient comprimer la pièce élastomère 15, comme indiqué en figure 1. Par exemple, en position ouverte, l'épaisseur de l'entrefer du circuit magnétique 10 est approximativement de l'ordre de 10 mm, de façon à assurer une bonne ouverture de contacts de puissance de l'appareil interrupteur. L'épaisseur de la pièce élastomère 15 est environ comprise entre 0,5 et 1 mm lorsqu'elle n'est pas comprimée. Par contre, lorsqu'elle est comprimée, la pièce élastomère 15 peut avoir une épaisseur résiduelle minimale d'environ 0,2 à 0,3 mm seulement. En position fermée, il est usuel de maintenir un entrefer résiduel antirémanent non nul dans le circuit magnétique pour abaisser la valeur du flux rémanent. En effet, si l'entrefer en position fermée était nul, il subsisterait dans le circuit magnétique 10, même après l'interruption du courant dans la bobine, un flux rémanent susceptible de gêner le retour de l'armature mobile en position ouverte, ce qui nécessiterait alors l'utilisation de moyens de rappel importants. Dans l'exemple des figures 1 & 2, l'entrefer résiduel du circuit magnétique 10 est composé des deux bandes élastomères 15 comprimées et de la zone centrale 17 de l'entrefer, qui ne comporte pas de bande élastomère. L'actionneur électromagnétique possède également des moyens électroniques qui comprennent notamment une unité de calcul 20 de l'inductance L du circuit magnétique 10 et une unité de régulation 21 du courant I circulant dans la bobine 18. L'unité de calcul 20 comprend des moyens de mesure du courant I circulant dans la bobine 18 et des moyens de mesure de la tension U aux bornes de la bobine 18. A partir des mesures effectuées du courant I et de la tension U, l'unité de calcul 20 détermine l'inductance L. Pour cela, plusieurs méthodes sont utilisables. Une première méthode classique consiste à déterminer l'inductance par intégration à partir de la formule suivante :

f (U û RI)dt L= I Une seconde méthode consiste à faire circuler dans la bobine 18 un courant principal Il continu ainsi qu'un courant 12 alternatif, de telle façon que le cumul de Il et 12 soit toujours centré autour de la valeur 1 du courant de maintien souhaité. Ainsi, le courant I varie alternativement entre une borne haute 11+12 et une borne basse 11-12, le courant 12 étant très petit par rapport au courant Il (par exemple de l'ordre de 1%). On mesure ensuite régulièrement le temps que met l'actionneur pour passer effectivement de la valeur 11-12 à la valeur 11+12 et inversement. La mesure de ce temps, qui est par exemple de l'ordre de quelques msec, permettra de déduire l'inductance L du circuit magnétique. En effet, le temps de réponse pour passer d'une borne à l'autre est fonction de l'inductance, à savoir que plus ce temps sera long, plus l'inductance sera élevée et réciproquement.

Une variante de cette seconde méthode consisterait à faire circuler dans la bobine 18 un courant principal Il continu ainsi qu'un courant 12 alternatif de fréquence fixe, de telle façon que le cumul de Il et 12 soit toujours centré autour de la valeur I du courant de maintien souhaité. On mesurerait ensuite l'amplitude du courant circulant réellement dans la bobine pour déterminer l'inductance L.

La valeur de l'inductance L calculée est ensuite comparée avec une valeur de référence prédéterminée Lref qui est préférentiellement mémorisée dans les moyens électroniques de l'actionneur électromagnétique. La différence entre L et Lref est alors connectée en entrée de l'unité électronique de régulation 21. De façon connue, l'unité de régulation 21 utilise par exemple un circuit électronique tel qu'un module onduleur ou hacheur fonctionnant en MLI (Modulation de Largeur d'Impulsions ou PWM) pour pouvoir faire varier le courant I circulant dans la bobine 18. On constate que l'inductance d'un circuit magnétique varie fortement en fonction de l'épaisseur de l'entrefer de ce circuit magnétique, en particulier au voisinage de la position fermée. Ainsi, la mesure de l'inductance L permet de connaître en temps réel l'épaisseur E de l'entrefer. La valeur de référence Lref est déterminée pour correspondre à une valeur optimale d'entrefer résiduel en position fermée pour un type d'appareil interrupteur donné, permettant d'assurer une bonne fermeture des contacts de l'appareil interrupteur sans consommer trop de courant de maintien. L'invention a donc pour but de réguler en boucle fermée la valeur du courant de maintien en contrôlant l'inductance du circuit magnétique et donc l'épaisseur E de l'entrefer, de façon à fournir à la bobine 18 un courant juste suffisant permettant de maintenir l'entrefer du circuit magnétique 10 à une épaisseur résiduelle satisfaisante pour garantir la bonne position fermée de l'actionneur, quelles que soient les conditions d'utilisation de l'appareil interrupteur. La pièce élastomère 15 compressible placée entre la culasse 11 et l'armature 12 permet d'effectuer facilement cette régulation de l'épaisseur de l'entrefer. Tout d'abord, cette pièce 15 crée un amortisseur mécanique, et donc une constante de temps mécanique nécessaire pour permettre la régulation. Elle garantit en permanence un entrefer résiduel entre la culasse 11 et l'armature 12 même en cas de courant de maintien important. En raison de l'effort d'attraction important dû au flux magnétique existant en positon fermée quand l'armature 12 est en contact avec la culasse 11, de très légers mouvements de l'armature mobile 12 seraient donc difficilement réalisables sans la présence de cette pièce élastomère 15 intermédiaire. Elle procure également un amortissement lors du mouvement de fermeture de l'actionneur. De plus, la pièce élastomère 15 est préférentiellement réalisée avec un matériau magnétique, c'est-à-dire un matériau ayant une perméabilité magnétique supérieure à celle de l'air. Un matériau élastomère dans lequel sont noyées des particules ferromagnétiques peut par exemple être utilisé. Grâce à cela, lors d'une petite ouverture du circuit magnétique (c'est-à-dire un déplacement de l'armature mobile 12 suffisamment faible pour conserver la pièce élastomère 15 au moins légèrement comprimée), les quelques dixièmes de millimètres d'ouverture de l'entrefer comportant l'élastomère magnétique ne seront alors pas vus comme de l'air. Donc, la reluctance du circuit magnétique n'augmentera pas sensiblement, donc le flux magnétique diminuera peu, et l'effort d'attraction de l'armature mobile 12 contre la culasse 11 diminuera peu également, ce qui facilite la régulation du courant de maintien. Ainsi, l'utilisation d'un élastomère magnétique permet de faire varier l'entrefer de quelques dixièmes de millimètres sans en avoir trop de contraintes énergétiques. En référence à l'exemple présenté, en fonction de la perméabilité du matériau utilisé pour la pièce élastomère 15, l'entrefer de la zone centrale 17 du "E" du circuit magnétique comportera ou non une bande élastomère. Si la perméabilité du matériau de la pièce élastomère 15 est très forte, proche de celle du fer par exemple, alors l'entrefer de la zone centrale 17 ne sera préférentiellement composé que d'air, de façon à toujours maintenir en position fermée un entrefer résiduel anti-rémanent qui permettra de ne pas pénaliser le mouvement d'ouverture de l'actionneur (voir figure 2). Par contre, si la perméabilité de la pièce élastomère 15 est assez peu élevée, par exemple de l'ordre de 100, alors l'entrefer de la zone centrale 17 pourrait aussi comporter une bande élastomère, car la pièce élastomère 15 fournira un entrefer résiduel anti-rémanent suffisant pour de ne pas pénaliser le mouvement d'ouverture de l'actionneur. On pourrait néanmoins envisager d'utiliser une pièce élastomère 15 sans propriété magnétique. Cependant si on utilise un tel élastomère amagnétique, il sera vu par le circuit magnétique 10 comme de l'air. Dans ce cas, même en cas de légère ouverture du circuit magnétique (déplacement de l'armature mobile 12 en conservant la pièce élastomère 15 comprimée), il y aura une augmentation rapide de la reluctance du circuit magnétique, donc un flux magnétique plus faible, et donc un effort de pression sur l'armature mobile 12 diminuant fortement, ce qui rendra la régulation du courant de maintien plus difficile.

Durant la phase de maintien de l'armature mobile 12 en position fermée, le fonctionnement de l'actionneur est alors le suivant : Lorsque l'inductance L mesurée par l'unité de calcul 20 est supérieure à la valeur de référence prédéterminée Lref, cela signifie que la pièce élastomère 15 est inutilement trop comprimée, c'est-à-dire que l'effort 5 10 magnétique appliqué sur l'armature mobile 12 est trop important. Le courant de maintien dans la bobine est donc inutilement trop élevé et l'unité de régulation 21 peut alors diminuer le courant I circulant dans la bobine 18, Inversement, lorsque l'inductance mesurée L est inférieure à la valeur de référence prédéterminée Lref, cela signifie que la pièce élastomère 15 n'est pas assez comprimée et qu'il y a un risque d'ouverture intempestive du circuit magnétique 10, c'est-à-dire que l'effort magnétique appliqué sur l'armature mobile 12 est trop faible. Le courant de maintien dans la bobine n'est donc pas assez élevé et l'unité de régulation 21 augmente alors le courant I circulant dans la bobine 18, Lorsque l'inductance mesurée L est sensiblement égale à la valeur de référence prédéterminée Lref, cela signifie que le circuit magnétique 10 est suffisamment fermé et le courant de maintien n'est par modifié.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Actionneur électromagnétique comprenant une bobine d'excitation (18) et un circuit magnétique (10), le circuit magnétique comportant une culasse fixe (11) et une armature (12) qui est mobile par rapport à la culasse fixe (11) entre une position ouverte et une position fermée, l'armature mobile (12) étant maintenue en position fermée sous l'action d'un courant électrique de maintien circulant dans la bobine (18), caractérisé en ce que l'actionneur comporte : - une unité de calcul (20) de l'inductance (L) du circuit magnétique, - une unité de régulation (21) du courant de maintien en fonction de l'inductance (L) calculée, - une pièce élastomère (15) placée dans un entrefer du circuit magnétique entre la culasse fixe (11) et l'armature mobile (12), ladite pièce (15) étant comprimable quand l'armature (12) est en position fermée, de façon à modifier l'inductance (L) du circuit magnétique (10).

2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce élastomère (15) est réalisée avec un matériau magnétique.

3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce élastomère (15) n'est pas comprimée lorsque l'armature mobile (12) 20 est en position ouverte.

4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce élastomère (15) fournit un entrefer résiduel lorsque l'armature mobile (12) est en position fermée.

5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que l'unité de calcul (20) comporte des moyens de mesure du courant (I) circulant dans la bobine et de la tension (U) aux bornes de la bobine, et calcule l'inductance (L) à partir desdites mesures.

6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de régulation (21) comporte un circuit électronique qui régule le 15courant (I) circulant dans la bobine à partir de la différence entre ladite inductance (L) calculée et une inductance de référence (Lref) prédéterminée.

7. Appareil électrique interrupteur comprenant un ou plusieurs pôles de puissance munis de contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles, caractérisé en ce qu'il comporte un actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes pour actionner lesdits contacts mobiles.