Actionneur modulable pour appareil interrupteur Modular actuator for switching device
La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur, en particulier pour un relais, un contacteur ou un contacteur/disjoncteur, se présentant sous une forme modulable de façon à pouvoir couvrir aisément plusieurs calibres d'actionneurs à partir d'un même circuit magnétique de base et d'une même bobine. L'invention se rapporte aussi à un tel appareil interrupteur.The present invention relates to an electromagnetic actuator for electrical switch device, particularly for a relay, a contactor or a contactor / circuit-breaker, which is provided in a modular form so as to easily cover several sizes of actuators from a same basic magnetic circuit and a same coil. The invention also relates to such a switching device.
Les appareils électriques interrupteurs servent à commuter le circuit d'alimentation d'une charge électrique connectée en aval de l'appareil. Ils comportent un actionneur électromagnétique, ou électroaimant, comportant une partie mobile qui peut se déplacer sous l'action notamment d'un courant électrique de commande circulant dans une bobine. Le circuit d'alimentation comprend des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles portés par la partie mobile de l'actionneur. Le déplacement de cette partie mobile permet alors d'ouvrir et de fermer le circuit d'alimentation de la charge électrique en fonction du courant de commande.Electrical appliances switches are used to switch the supply circuit of an electrical load connected downstream of the device. They comprise an electromagnetic actuator, or electromagnet, comprising a movable part which can move under the action in particular of an electric control current flowing in a coil. The power supply circuit includes fixed contacts cooperating with moving contacts carried by the movable part of the actuator. The displacement of the mobile part then opens and closes the supply circuit of the electric charge as a function of control current.
La puissance fournie par l'actionneur électromagnétique doit évidemment être adaptée à l'intensité du courant électrique circulant dans la charge à commuter de façon à être capable d'ouvrir et de fermer le circuit d'alimentation rapidement et en toute sécurité, pour un coût et un encombrement optimisé. Il s'ensuit qu'un même actionneur peut n'être efficient que pour un calibre donné d'intensité. C'est pourquoi, il faut habituellement un nombre important d'actionneurs différents, en taille et en performance, pour pouvoir couvrir toute une gamme d'appareils interrupteurs, allant par exemple de quelques ampères à plusieurs centaines d'ampères.The power supplied by the electromagnetic actuator must obviously be adjusted to the intensity of electric current flowing in the load to be switched so as to be capable of opening and closing the supply circuit quickly and securely to a cost and an optimized footprint. It follows that the same actuator may be efficient only for a given intensity rating. Therefore, it usually takes a large number of different actuators in size and performance, in order to cover a range of switches devices, for example from a few amps to hundreds of amps.
L'invention a donc pour but de standardiser et de simplifier la conception d'appareils interrupteurs en proposant un actionneur électromagnétique de conception modulable, c'est-à-dire capable de recevoir très facilement un ou plusieurs modules additionnels, lui permettant d'augmenter ses performances. On réduit ainsi sensiblement le nombre d'actionneurs différents à concevoir pour couvrir toute une gamme d'appareils, car un même actionneur pourra adapter ses performances à différents calibres d'intensité moyennant la simple adjonction de module(s) additionnel(s). Les gains obtenus en terme de coût de fabrication, coût de conception, nombre de pièces à stocker, etc.. seront de ce fait importants.
Pour cela, l'invention décrit un actionneur électromagnétique comprenant une bobine mobile selon un axe longitudinal et un circuit magnétique formé par une culasse extérieure principale et un noyau principal en matériau magnétique, et par un aimant principal à sens de polarisation radial inséré entre la culasse principale et le noyau principal. La culasse principale, le noyau principal et l'aimant principal forme un fond du circuit magnétique qui est susceptible de recevoir un ou plusieurs modules additionnels superposables et composés chacun d'un aimant additionnel à sens de polarisation radial inséré entre un noyau additionnel et une culasse extérieure additionnelle.The object of the invention is therefore to standardize and simplify the design of switching devices by proposing an electromagnetic actuator of modular design, that is to say capable of very easily receiving one or more additional modules, enabling it to increase its performance. This significantly reduces the number of different actuators to be designed to cover a whole range of devices, because the same actuator can adapt its performance to different intensity ratings by simply adding additional module (s). The gains obtained in terms of manufacturing cost, design cost, number of parts to be stored, etc. will therefore be significant. For this, the invention describes an electromagnetic actuator comprising a voice coil along a longitudinal axis and a magnetic circuit formed by a main outer yoke and a main core made of magnetic material, and by a main magnet with direction of radial polarization inserted between the yoke main and the main core. The main cylinder head, the main core and the main magnet form a bottom of the magnetic circuit which is capable of receiving one or more additional modules which can be stacked and each composed of an additional magnet with a direction of radial polarization inserted between an additional core and a cylinder head additional exterior.
Selon une caractéristique, l'aimant principal et la culasse principale sont de forme torique et le noyau principal est de forme cylindrique. De même, l'aimant additionnel et la culasse additionnelle sont de forme torique et le noyau additionnel est de forme cylindrique.According to one characteristic, the main magnet and the main yoke are of ring shape and the main core is cylindrical in shape. Similarly, additional magnet and the additional yoke are of ring form and the additional ring is cylindrical in shape.
Selon une alternative, la largeur d'un module additionnel est sensiblement identique à la largeur de la culasse principale. Selon une autre alternative, la largeur d'un module additionnel est supérieure à la largeur de la culasse principale, de sorte que la culasse principale peut s'insérer à l'intérieur de la culasse additionnelle du module additionnel.According to an alternative, the width of an additional module is substantially identical to the width of the main cylinder head. According to another alternative, the width of an additional module is greater than the width of the main yoke, whereby the main yoke can be inserted inside the additional bolt of the additional module.
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 :Other characteristics and advantages will appear in the detailed description which follows with reference to an embodiment given by way of example and represented by the appended drawings in which:
- la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un actionneur électromagnétique comportant un circuit magnétique principal,FIG. 1 represents a longitudinal section of an electromagnetic actuator comprising a main magnetic circuit,
- la figure 2 montre cet actionneur auquel est adjoint deux exemples de modules additionnels,FIG. 2 shows this actuator to which two examples of additional modules are added,
- la figure 3 montre le même actionneur auquel est adjoint deux autres exemples de modules additionnels.- Figure 3 shows the same actuator to which is added two other examples of additional modules.
En référence à la figure 1 , un appareil électrique interrupteur comprend un actionneur électromagnétique comportant une bobine mobile 15 et un circuit magnétique principal fixe 20 composé d'une culasse extérieure principale 21 , d'un noyau central principal 22 et d'un aimant principal 25. Le circuit magnétique est symétrique selon un axe longitudinal X. Dans le présent document, une longueur représente une dimension selon cet axe longitudinal X, une largeur représente une dimension dans un sens radial orthogonal à X. La culasse principale 21 et le noyau principal 22 sont en matériau magnétique, tel que du fer. L'aimant principal 25 est un
aimant permanent avec un sens de polarisation radial, réalisé dans un matériau comportant de la ferrite ou des terres rares pour une induction plus élevée. L'aimant 25 est inséré entre la culasse 21 et le noyau 22 sur une première portion de longueur L0 inférieure à la longueur L1 de la culasse 21 et du noyau 22. L'autre portion de longueur de la culasse 21 et du noyau 22 forme un espace 24 qui constitue l'entrefer du circuit magnétique principal 20 et dans lequel peut se déplacer la bobine mobile 15.With reference to FIG. 1, an electrical switching device comprises an electromagnetic actuator comprising a voice coil 15 and a fixed main magnetic circuit 20 composed of a main external yoke 21, a main central core 22 and a main magnet 25 The magnetic circuit is symmetrical along a longitudinal axis X. In the present document, a length represents a dimension along this longitudinal axis X, a width represents a dimension in a radial direction orthogonal to X. The main yoke 21 and the main core 22 are made of magnetic material, such as iron. The main magnet 25 is a permanent magnet with a radial polarization direction, made of a material comprising ferrite or rare earths for higher induction. The magnet 25 is inserted between the yoke 21 and the core 22 on a first portion of length L0 less than the length L1 of the yoke 21 and of the core 22. The other length portion of the yoke 21 and of the core 22 forms a space 24 which constitutes the air gap of the main magnetic circuit 20 and in which the moving coil 15 can move.
De façon connue, cette bobine 15 se déplace selon l'axe longitudinal X lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique. La force et le sens du déplacement de la bobine est alors fonction du sens et de l'intensité de ce courant électrique la traversant. Un tel fonctionnement correspond par exemple à un actionneur électromagnétique de type Voice-coil. La circulation du champ magnétique permanent circulant dans le circuit magnétique 20 et généré par l'aimant 25 est schématisée par les flèches 29 de la figure 1. L'aimant 25 est conçu pour pouvoir s'insérer au plus juste d'un côté contre le noyau central 22 et de l'autre côté contre la culasse extérieure 21 de manière à minimiser les entrefers parasites entre d'une part l'aimant 25 et d'autre part le noyau 22 et la culasse 21. L'aimant principal 25 sert également à immobiliser entre elles l'ensemble des pièces du circuit magnétique principal 20.In known manner, the coil 15 moves along the longitudinal axis X when it is traversed by an electric current. The strength and direction of movement of the coil is then depending on the direction and intensity of this electric current therethrough. Such an operation corresponds for example to an electromagnetic actuator of the Voice-coil type. The circulation of the permanent magnetic field flowing through the magnetic circuit 20 and generated by the magnet 25 is shown diagrammatically by the arrows 29 of Figure 1. The magnet 25 is designed to be inserted at most just on one side against the central 22 and the other side ring against the outer yoke 21 so as to minimize the gaps between parasites one hand, the magnet 25 and second core 22 and the yoke 21. the main magnet 25 serves also immobilizing together all of the parts of the main magnetic circuit 20.
Préférentiellement, l'aimant principal 25 et la culasse principale 21 sont de forme torique et le noyau principal 22 est de forme cylindrique le long de l'axe longitudinal X, constituant ainsi des sections transversales circulaires. Cependant, on pourrait envisager également d'autres dispositions, telles que des sections transversales de forme sensiblement carrées, rectangulaires ou des sections en arc de cercle (c'est-à-dire avec secteurs angulaires) pour l'aimant principal 25, la culasse principale 21 et le noyau principal 22. Le fond 23 du circuit magnétique principal 20 est formé par une des extrémités de la culasse principale 21 , du noyau principal 22 et de l'aimant principal 25. Préférentiellement, ce fond 23 a une forme essentiellement plane de façon à pouvoir accueillir plus facilement un module additionnel.Preferably, the main magnet 25 and the main yoke 21 are ring-shaped and the primary core 22 is cylindrical along the longitudinal axis X, thus forming circular cross-sections. However, one could also consider other provisions, such as cross sections of substantially square, rectangular or circular arc sections (that is to say with angular sectors) for the main magnet 25, the yoke main 21 and the main core 22. the bottom 23 of the main magnetic circuit 20 is formed by one end of the main yoke 21, the main core 22 and the main magnet 25. Preferably, this bottom 23 has a substantially planar form so as to be able to accommodate an additional module more easily.
Dans un premier mode de réalisation représenté en figure 2, un premier type de module additionnel 30 d'une longueur L2 est composé d'un aimant additionnel 35 à sens de polarisation radial inséré au plus juste entre un noyau additionnel central 32 et une culasse extérieure additionnelle 31. La largeur du module additionnel 30 est sensiblement identique à la largeur D2 du circuit principal 20 qui correspond à la largeur de la culasse principale 21. La largeur de l'aimant additionnel 35 est sensiblement
identique à la largeur D1 de l'aimant principal 25. De même, la section transversale du module additionnel 30 est préférentiellement de forme similaire à celle du circuit principal 20, c'est-à-dire que si l'aimant principal 25 et la culasse principale 21 sont de forme torique et le noyau principal 22 de forme cylindrique, alors l'aimant additionnel 35 et la culasse additionnelle 31 sont aussi de forme torique, et le noyau additionnel 32 de forme cylindrique. Le module 30 comporte au moins une face transversale plane de façon à pouvoir se plaquer contre le fond 23 du circuit principal 20 en minimisant les entrefers parasites. Préférentiellement, les deux faces transversales du module 30 sont planes de façon à ce qu'une première face se positionne contre le fond 23 et que l'autre face puisse recevoir un autre module additionnel 40 superposé sur le module 30.In a first embodiment shown in FIG. 2, a first type of additional module 30 with a length L2 is composed of an additional magnet 35 with a direction of radial polarization inserted as closely as possible between an additional central core 32 and an outer yoke additional 31. The width of the additional module 30 is substantially identical to the width D2 of the main circuit 20 which corresponds to the width of the main yoke 21. The width of the additional magnet 35 is substantially identical to the width D1 of the main magnet 25. Likewise, the cross section of the additional module 30 is preferably similar in shape to that of the main circuit 20, that is to say that if the main magnet 25 and the main cylinder head 21 are of toroidal shape and the main core 22 of cylindrical shape, then the additional magnet 35 and the additional cylinder head 31 are also of toric shape, and the additional core 32 of cylindrical shape. The module 30 comprises at least one flat transverse face so as to be able to be pressed against the bottom 23 of the main circuit 20 while minimizing the parasitic air gaps. Preferably, the two transverse faces of the module 30 are planar so that a first face is positioned against the bottom 23 and the other face can receive another additional module 40 superimposed on the module 30.
Lorsqu'un tel module additionnel 30 est rajouté au circuit magnétique principal 20, on augmente les performances du circuit magnétique global ainsi obtenu pour l'appareil interrupteur. En effet, comme les aimants 25,35 ont un même sens de polarisation radial, la surface d'échange, c'est-à-dire la section de passage du flux entre d'une part les aimants 25,35 et d'autre part les parties en matériau magnétique du circuit magnétique (c'est-à-dire : noyaux 22,32 et culasses 21 ,31) s'étend sur une longueur L0 + L2 au lieu d'une longueur L0 dans le cas du seul circuit magnétique principal 20. Ainsi pour une même bobine 15 parcourue par un même courant électrique, le champ magnétique 29 circulant dans l'entrefer 24 du circuit magnétique global de l'actionneur va être plus important grâce au module additionnel 30, ce qui procurera donc à l'actionneur une force de déplacement plus importante.When such additional module 30 is added to the primary magnetic circuit 20, it increases the performance of the overall magnetic circuit thus obtained to the switching device. Indeed, as the 25,35 magnets have the same direction of radial polarization, the exchange surface, that is to say the passage section of the flow between firstly the magnets 25,35 and the other Apart from the parts made of magnetic material of the magnetic circuit (that is to say: cores 22,32 and yokes 21, 31) extends over a length L0 + L2 instead of a length L0 in the case of single circuit main magnetic 20. thus for the same coil 15 traversed by the same electric current, the magnetic field 29 passing through the gap 24 of the actuator of the overall magnetic circuit will be larger due to the additional module 30, thereby to provide the actuator a greater displacement force.
Grâce à l'invention, il est possible de rajouter plusieurs modules additionnels 30,40 superposables, c'est-à-dire empilables les uns sur les autres. Chaque module additionnel 40, composé également d'un aimant inséré entre un noyau central et une culasse extérieure, possède une structure et des largeurs similaires au module additionnel 30 mais peut avoir indifféremment une longueur L3 identique ou différente de la longueur L2 du module 30. La figure 2 comporte ainsi deux modules additionnels 30,40 en cours de superposition.Thanks to the invention, it is possible to add several additional modules 30, 40 which can be stacked, that is to say stackable on top of each other. Each additional module 40, also consisting of a magnet inserted between a central core and an outer yoke, and has a structure similar widths additional module 30 but may equally well have an identical length L3 or different from the length L2 of the module 30. Figure 2 thus comprises two additional modules 30.40 being superimposed.
Dans un second mode de réalisation représenté en figure 3, un module additionnel 50 de deuxième type est composé d'un aimant additionnel 55 à sens de polarisation radial inséré au plus juste entre un noyau additionnel central 52 et une partie d'une culasse extérieure additionnelle 51. La section transversale du module additionnel 50 est préférentiellement de forme similaire à celle du circuit principal 20, mais avec certaines dimensions différentes. En effet, la largeur D4 du module
additionnel 50 est supérieure à la largeur D2 du circuit principal 20 et la largeur D3 de l'aimant additionnel 55 est supérieure à la largeur D1 de l'aimant principal 25. De préférence, la largeur D3 de l'aimant additionnel 55 est sensiblement égale à la largeur D2 du circuit principal 20. Le module 50 de deuxième type possède une forme de tube, schématisé sur la figure 3 par une section longitudinale en forme de U, dont les branches sont constituées par la culasse additionnelle 51 de longueur L5 et dont la partie centrale est constituée du noyau additionnel 52 et de l'aimant additionnel 55 de longueur L4, très inférieure à la longueur L5. De préférence, la longueur L5 est supérieure à la longueur L1 de la culasse principale 21 , par exemple égale à la longueur L1 + L4, de manière à ce que les extrémités des culasses 21 et 51 soient sensiblement affleurantes. On obtient de ce fait une largeur renforcée pour la culasse globale 21 ,51.In a second embodiment shown in FIG. 3, an additional module 50 of the second type is composed of an additional magnet 55 with a direction of radial polarization inserted as closely as possible between an additional central core 52 and a part of an additional outer cylinder head 51. The cross section of the additional module 50 is preferably similar in shape to that of the main circuit 20, but with certain different dimensions. Indeed, the width D4 of the module additional 50 is greater than the width D2 of the main circuit 20 and the width D3 of the additional magnet 55 is greater than the width D1 of the main magnet 25. Preferably, the width D3 of the additional magnet 55 is substantially equal to the width D2 of the main circuit 20. The module 50 of the second type has the shape of a tube, shown diagrammatically in FIG. 3 by a longitudinal U-shaped section, the branches of which consist of the additional cylinder head 51 of length L5 and of which the central part consists of the additional core 52 and the additional magnet 55 of length L4, much less than the length L5. Preferably, the length L5 is greater than the length L1 of the main cylinder head 21, for example equal to the length L1 + L4, so that the ends of the cylinder heads 21 and 51 are substantially flush. This gives a reinforced width for the overall cylinder head 21, 51.
Les dimensions du module additionnel 50 sont donc adaptées pour que la culasse principale 21 puisse s'insérer au plus juste à l'intérieur de la culasse additionnelle 51 , afin de minimiser les entrefers parasites entre ces deux pièces. Par ailleurs le module 50 comporte une face intérieure centrale plane qui vient se plaquer contre le fond 23 du circuit principal 20, comme indiqué en figure 3. De plus, le module 50 comporte également une face centrale externe plane susceptible de recevoir la face intérieure centrale d'un autre module additionnel 60. Lorsqu'un tel module additionnel 50 est rajouté au circuit magnétique principaladditional module 50 Dimensions are therefore suitable for the main cylinder 21 can be inserted at the right inside of the additional cylinder 51, to minimize parasitic gaps between these two parts. Furthermore the module 50 comprises a planar central inner surface which is pressed against the bottom 23 of main circuit 20, as shown in Figure 3. Furthermore, the module 50 also comprises a central planar outer face adapted to receive the central inner face of another additional module 60. When such an additional module 50 is added to the main magnetic circuit
20, on augmente les performances du circuit magnétique global ainsi obtenu pour l'appareil interrupteur. En effet, comme les aimants 25,55 ont un même sens de polarisation radial, la section de passage du flux entre les aimants 25,55 et les parties en matériau magnétique du circuit magnétique (c'est-à-dire : noyaux 22,52 et culasses 21 ,51 ) s'étend sur une longueur L0 + L4 au lieu d'une longueur L0 dans le cas du seul circuit magnétique principal 20. Ainsi pour une même bobine 15 parcourue par un même courant électrique, le champ magnétique 29 circulant dans l'entrefer 24 du circuit magnétique global de l'actionneur va être plus important grâce aux deux aimants 25,55, ce qui procurera donc à l'actionneur une force de déplacement plus importante. Par rapport au premier mode, ce second mode de réalisation apporte une augmentation de la largeur de la culasse du circuit magnétique global puisque cette largeur est désormais égale à la largeur de la culasse principale 21 additionnée de la largeur de la culasse 51. Cet arrangement procure l'avantage supplémentaire de diminuer le risque de saturation magnétique provoqué par l'augmentation du champ
magnétique 29 dans la partie de circuit magnétique formé par les culasses extérieures 21 ,51.20, the performance of the overall magnetic circuit thus obtained for the switch device is increased. In fact, as the magnets 25.55 have the same direction of radial polarization, the cross-section of the flux flow between the magnets 25.55 and the parts made of magnetic material of the magnetic circuit (that is to say: cores 22, 52 and yokes 21, 51) extends over a length L0 + L4 instead of a length L0 in the case of the single main magnetic circuit 20. Thus for the same coil 15 traversed by the same electric current, the magnetic field 29 circulating in the air gap 24 of the overall magnetic circuit of the actuator will be greater thanks to the two magnets 25, 55, which will therefore provide the actuator with a greater displacement force. Compared to the first embodiment, this second embodiment provides an increase in the width of the yoke of the overall magnetic circuit since this width is now equal to the width of the main yoke 21 plus the width of the yoke 51. This arrangement provides the added benefit of reducing the risk of magnetic saturation caused by the increased field magnetic 29 in the magnetic circuit part formed by the outer yokes 21, 51.
Le second mode de réalisation permet aussi de rajouter un ou plusieurs modules additionnels supplémentaires 60 de même structure que le module additionnel 50 de deuxième type. Ces modules supplémentaires seront adaptés pour que la largeur de l'aimant additionnel 65 soit égale à la largeur D4 de la culasse 51 qui viendra s'insérer dans ce module 60. De même, la longueur de la culasse 61 sera supérieure à la longueur L5 du module 50. La figure 3 comporte ainsi deux modules additionnels 50,60 superposés.The second embodiment also makes it possible to add one or more additional add-on modules 60 the same structure as the additional module 50 of the second type. These additional modules are adapted so that the width of the additional magnet 65 is equal to the D4 width of the yoke 51 which will be inserted into the module 60. Similarly, the length of the yoke 61 is greater than the length L5 of module 50. FIG. 3 thus comprises two additional modules 50, 60 superimposed.
En ajoutant un ou plusieurs modules additionnels 30,40,50,60 à partir d'un même circuit magnétique principal 20 de base et d'une même bobine 15, on obtient ainsi très facilement toute une gamme d'actionneurs, de puissance variable et de structure modulable, capables de s'adapter au mieux aux performances requises pour des appareils interrupteurs de calibres différents. Pour obtenir les performances voulues, une multitude de combinaisons différentes sont envisageables.By adding one or more additional modules 30,40,50,60 from a common principal magnetic circuit 20 and base of the same coil 15 is thus obtained very easily a variety of actuators, variable power and modular structure, able to adapt better to the required performance for switches of different calibres devices. To obtain the desired performance, a multitude of different combinations can be envisaged.
Par exemple, on peut d'abord utiliser un ou plusieurs modules additionnels de premier type ou utiliser seulement un seul module additionnel de premier type de longueur équivalente. On peut aussi utiliser uniquement un ou plusieurs modules additionnels de deuxième type. On peut enfin prévoir d'utiliser une combinaison des deux types de modules additionnels en plaçant d'abord un ou plusieurs modules additionnels de premier type puis un ou plusieurs modules additionnels de deuxième type de dimensions adaptées.For example, it may initially use one or more additional modules of the first type or only use a single additional module of the first type of equivalent length. only one can also use one or more additional modules of the second type. Finally, one can envisage using a combination of both types of additional modules by first placing one or more additional modules of the first type and one or more additional modules of the second type of suitable dimensions.
II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.
It is understood that one can, without departing from the scope of the invention, imagine other variants and improvements in detail and even consider the use of equivalent means.