WO2016046249A1

WO2016046249A1 - Actionneur électromagnétique et contacteur électrique comprenant un tel actionneur

Info

Publication number: WO2016046249A1
Application number: PCT/EP2015/071821
Authority: WO
Inventors: Patrick Larcher; Vincent GEFFROY
Original assignee: Schneider Electric Industries Sas
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-03-31
Also published as: EP3198624B1; EP3198624A1; FR3026222A1; JP2017536647A; US20170271095A1; CN106716590A; CN106716590B; FR3026222B1; US10115536B2

Abstract

Cet actionneur électromagnétique (2) de manœuvre d'un contacteur électrique comprend une partie fixe (4) incluant au moins une bobine (44A, 44B) de génération d'un champ magnétique centré sur un axe longitudinal (X2), au moins un noyau (46A, 46B) de concentration du flux magnétique, ce noyau étant installé au sein de la bobine et pourvu d'une plaque d'épanouissement (464) du flux magnétique qui définit une surface active (S464) perpendiculaire à l'axe longitudinal ainsi qu'au moins un élément (42) de retour de flux magnétique. Cet actionneur comprend également une palette (6) mobile en translation selon l'axe longitudinal (X2) et par rapport à la partie fixe (4), entre une première position éloignée de la surface active (S464) et une deuxième position proche de cette surface, sous l'effet d'un effort induit par le champ magnétique, ainsi qu'au moins un organe (8A, 8B) de rappel élastique de la palette (6) vers une position prédéterminée parmi la première position et la deuxième position. La plaque d'épanouissement (464) est pourvue d'au moins une nervure (468) de fermeture des lignes de champ magnétique entre cette plaque d'épanouissement et la palette (6), cette nervure étant en saillie par rapport à la surface active (S464) du côté de la palette et ménagée au niveau d'un bord (466) de la plaque d'épanouissement.

Description

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE ET CONTACTEUR ELECTRIQUE

COMPRENANT UN TEL ACTIONNEUR

La présente invention concerne un actionneur électromagnétique de manœuvre d'un contacteur électrique, ainsi qu'un contacteur électrique comprenant un tel actionneur.

Dans le domaine des actionneurs électromagnétiques, il est connu, par exemple de FR-A-2 979 745, d'utiliser des bobines pour générer un champ magnétique afin de contrôler une palette mobile chargée par des ressorts. La puissance électromagnétique nécessaire pour manœuvrer la palette est élevée à cause, notamment, du fort entrefer entre la palette et une plaque d'épanouissement qui prolonge un noyau inséré dans chaque bobine. Une approche pour réduire cette puissance consiste à augmenter la surface active d'appel de la plaque d'épanouissement et de la palette. Ceci induit une augmentation de la masse mobile, c'est-à-dire de la masse de la palette, et un surdimensionnement du ressort de rappel pour respecter les performances requises de tenue aux chocs. Ce surdimensionnement du ressort conduit à une augmentation de la puissance électromagnétique nécessaire. On obtient donc l'inverse de l'effet recherché. Selon une autre approche, on peut réduire la constante de raideur du ressort de rappel. Ceci diminue les performances de tenue aux chocs de l'actionneur, ce qui n'est pas acceptable.

C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouvel actionneur électromagnétique dans lequel la manœuvre de la palette mobile est améliorée, sans modification substantielle de l'encombrement de l'actionneur.

A cet effet, l'invention concerne un actionneur électromagnétique de manœuvre d'un contacteur électrique, cet actionneur comprenant une partie fixe incluant au moins une bobine de génération d'un champ magnétique, centrée sur un axe longitudinal, au moins un noyau de concentration de flux magnétique, ce noyau étant installé au sein de la bobine et pourvu d'une plaque d'épanouissement du champ magnétique, qui définit une surface active perpendiculaire à l'axe longitudinal, ainsi qu'au moins un élément de retour de flux magnétique. L'actionneur comprend également une palette mobile en translation selon l'axe longitudinal par rapport à la partie fixe, entre une première position éloignée de la surface active et une deuxième position proche de cette surface, sous l'effet d'un effort induit par le champ magnétique, ainsi qu'au moins un organe de rappel élastique de la palette vers une position prédéterminée parmi la première position et la deuxième position. Conformément à l'invention, la plaque d'épanouissement est pourvue d'au moins une nervure de fermeture des lignes de champ magnétique entre la plaque d'épanouissement et la palette, cette nervure étant en saillie par rapport à la surface active du côté de la palette et ménagée au niveau d'un bord de la plaque d'épanouissement.

Grâce à l'invention, les nervures diminuent la distance moyenne d'entrefer entre la plaque d'épanouissement et la palette mobile, ce qui permet un contrôle efficace de la position de la palette, avec une augmentation du champ magnétique généré par la bobine à puissance constante. En fait, la géométrie des nervures permet de réduire la masse mobile et, par voie de conséquence d'augmenter l'effort magnétique à puissance équivalente et de réduire l'intensité de l'effort magnétique nécessaire à la manœuvre de la palette. Dans le cadre de l'utilisation de l'actionneur au sein d'un contacteur électrique à pastilles fixes et mobiles, l'invention permet également d'augmenter l'énergie électromagnétique emmagasinée avant l'impact de ces pastilles. Du fait de l'entrefer réduit, le circuit magnétique est globalement fermé entre la plaque d'épanouissement et la palette mobile, ce qui induit une augmentation de l'effort électromagnétique.

Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel actionneur électromagnétique peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible :

- Les dimensions de la palette, dans un plan perpendiculaire à l'axe de translation, sont compatibles avec son rapprochement de la surface active, le long de la nervure, pour atteindre la deuxième position.

- La partie fixe inclut deux bobines, un noyau installé dans chaque bobine, alors que la plaque d'épanouissement de chaque noyau est pourvue d'au moins une nervure ménagée au niveau de son bord opposé à l'autre plaque d'épanouissement.

- La nervure s'étend sur toute la longueur du bord au niveau duquel elle est ménagée.

- La nervure est monobloc avec la plaque d'épanouissement.

- La partie fixe inclut une cale d'entrefer, dont les dimensions sont compatibles avec sa mise en place sur la surface active à côté de la nervure.

- Le rapport entre la hauteur de la nervure, mesurée parallèlement à l'axe de translation de la palette, et l'épaisseur de la palette, mesurée parallèlement à cette direction, est compris entre 0,1 et 1 ,0, de préférence entre 0,2 et 0,9.

- Le rapport entre la hauteur de la nervure, mesurée parallèlement à l'axe de translation de la palette, et la course de la palette, définie entre ses première et deuxième positions, est compris entre 0,1 et 1 ,5, de préférence entre 0,2 et 0,9. - Le rapport entre la largeur de la nervure, mesurée parallèlement à la surface active et perpendiculairement au bord le long duquel est ménagée la nervure, et la course de la palette, définie entre ses première et deuxième positions, est compris entre 0,1 et 1 ,2, de préférence entre 0,2 et 0,7.

L'invention concerne également un contacteur électrique comprenant des pastilles fixes et des pastilles mobiles entraînées par une palette appartenant à un actionneur caractérisé en ce que l'actionneur est tel que mentionné ci-dessus.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un actionneur électromagnétique et d'un contacteur électrique conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention ;

- la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'actionneur de la figure 1 ;

- la figure 3 est un diagramme représentant la répartition des lignes de champ magnétique entre la palette mobile et la partie fixe de l'actionneur des figures 1 et 2 dans le plan de coupe III à la figure 1 ;

- la figure 4 est une figure analogue à la figure 3 pour un actionneur conforme à l'art antérieur ;

- la figure 5 est une coupe d'un contacteur électrique incorporant l'actionneur des figures 1 et 2. Le plan de coupe de la figure 5 est confondu avec le plan III à la figure 1 ;

- la figure 6 est une vue à plus grande échelle de l'encadré VI à la figure 5 ;

- la figure 7 est une vue à plus grande échelle de l'encadré VII à la figure 5 ;

- la figure 8 est un diagramme représentant un effort mécanique exercé par des ressorts de l'actionneur des figures 1 et 2 et des efforts magnétiques présents, d'une part dans cet actionneur et d'autre part dans un autre actionneur conforme à l'art antérieur, en fonction de la position de la palette mobile par rapport à la plaque d'épanouissement ;

- la figure 9 est une vue à plus grande échelle de l'encadré IX à la figure 8.

Sur les figures 1 et 2 est représenté un actionneur électromagnétique 2 destiné à être intégré à un contacteur électrique 200 représenté à la figure 5. L'actionneur 2 comprend une partie fixe 4 et une palette 6, mobile par rapport à la partie 4 en translation selon l'axe longitudinal X2 de l'actionneur 2.

La partie fixe 4 comprend une plaque de base 42, deux bobines identiques 44A et 44B, deux noyaux identiques 46A et 46B et une cale d'entrefer 48. La plaque de base 42 comprend deux orifices identiques 422A et 422B centrés chacun sur un axe X2A ou X2B parallèles à l'axe longitudinal X2. Les bobines et les noyaux étant identiques, seuls la bobine 44A et le noyau 46A sont décrits en détail. La bobine 44A définit un logement 442 autour duquel est enroulé un bobinage 444 disposé entre deux plaques terminales 446. Le logement 442 de la bobine 44A est centré sur l'axe X2A, alors que le logement 442 de la bobine 44B est centré sur l'axe X2B. Le noyau 46A comprend un pied 462 dimensionné pour traverser le logement 442 de la bobine 44A et s'engager dans l'orifice 422A de la plaque de base 42. Le pied 462 de chaque noyau 46A ou 46B est prolongé par une plaque d'épanouissement 464 qui définit une surface S464 perpendiculaire à l'axe longitudinal X2A.

La plaque d'épanouissement 464 est rectangulaire. On note 466 un bord de la plaque 464. En considérant les deux plaques d'épanouissement 464 des noyaux 46A et 46B en place dans les bobines 44A et 44B et dans la plaque de base 42, le bord 466 de la plaque d'épanouissement 464 du noyau 46A est opposé à la plaque d'épanouissement 464 du noyau 46B. De même le bord 466 de la plaque d'épanouissement 464 du noyau 46B est opposé à la plaque d'épanouissement 464 du noyau 46A. Dans la présentation de la figure 2, le bord 466 du noyau 46A est le bord supérieur de sa plaque d'épanouissement 464, alors que le bord 466 du noyau 46B est le bord inférieur.

Le long du bord 466 de la plaque d'épanouissement 464 s'étend une nervure 468 qui est en saillie, par rapport à la surface S464, en direction de la palette 6. La nervure 468 est pourvue de deux renforts 4682 dont la fonction est de positionner les noyaux 46A et 46B au sein de l'actionneur 2.

Un ressort 8A est disposé entre la surface S464 du noyau 46A et la palette 6. De même un ressort 8B est disposé entre la surface S464 du noyau 46B et la palette 6. La plaque d'entrefer 48 est percée de deux orifices 482A et 482B des passages des ressorts 8A et 8B.

La palette mobile 6 se déplace en translation parallèlement à l'axe longitudinal X2, entre une première position PO, éloignée de la plaque d'entrefer 48 et des plaques d'épanouissement 464, cette position étant représentée aux figures 5 à 7, et une deuxième position P1 , proche de la surface active S464 et en appui entre la plaque d'entrefer 48. Dans cette autre position, la palette mobile 6 est positionnée entre les nervures 468. On note C la course de la palette mobile 6 entre ces deux positions P0 et P1 .

On note L6 la longueur de la palette 6, mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal X2 et parallèlement à un plan contenant les axes X2A et X2B. On note 16 la largeur de la palette 6, mesurée perpendiculairement à l'axe X2 et à la longueur L6. On note e6 l'épaisseur de la palette 6, mesurée parallèlement à l'axe X2. On note d468 la distance entre les nervures 468 des noyaux 46A et 46B, mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal X2 et parallèlement à un plan comprenant l'axe X2A et l'axe X2B. La longueur L6 est inférieure à la distance d468, ce qui permet à la palette 6 de s'engager entre les nervures 468 des noyaux 46A et 46B en se rapprochant des surfaces S464. Ainsi, la palette 6 peut coulisser le long de chaque nervure 468, selon l'axe X2.

On note L48 la longueur de la plaque d'entrefer 48, mesurée parallèlement à la longueur L6. La longueur L48 est inférieure à la distance d468, ce qui permet de poser la plaque d'entrefer 48 sur les surfaces S464, entre les nervures 468 des noyaux 46A et 46B.

On note H468 la hauteur d'une nervure 468 mesurée à partir de la surface S464 parallèlement à l'axe X2 en dehors des renforts 4682. Le rapport entre la hauteur H468 et l'épaisseur e6 est compris entre 0,1 et 1 ,0, de préférence entre 0,2 et 0,9. D'autre part, le rapport entre la hauteur H468 et la course C de la palette 6 est compris entre 0,1 et 1 ,5, de préférence entre 0,2 et 0,9.

On note I468 la largeur de la nervure 468, mesurée parallèlement à la surface active S464 et perpendiculairement au bord 466 adjacent, en dehors des renforts 4682. Le rapport entre la largeur I468 et la course C de la palette 6 est compris entre 0,1 et 1 ,2, de préférence entre 0,2 et 0,7. En réalité la largeur de la nervure est un compromis entre son niveau d'induction, le gain d'effort et le gain de la masse de la palette.

A titre d'exemple, dans les cas d'une course C égale à 5,5 mm, la hauteur H468 est comprise entre 1 et 5 mm, et la largeur I468 est comprise entre 1 et 4 mm.

Les noyaux 46A et 46B sont monoblocs, par exemple, réalisés par frittage de métal. En variante, la plaque d'épanouissement 464 et la nervure 468 sont monoblocs et rapportées, par exemple par soudage, sur le pied 462. Selon une autre variante, le pied 462, la plaque d'épanouissement 464 et la nervure 468 des noyaux 46A et 46B sont réalisés de façon séparée et assemblés ensemble, par exemple par soudage.

On note 62A et 62B les bords de la palette mobile 6 parallèles à sa largeur 16. A la figure 3, la plaque d'entrefer 48 et les ressorts 8A et 8B ne sont pas représentés pour la clarté du dessin. La figure 3 montre des lignes de champ magnétique L_m qui s'étendent entre la palette mobile 6 et le noyau 46A et 46B du fait du champ magnétique généré par les bobines 44A et 44B. On remarque sur cette figure que les lignes de champ magnétique L_m se referment à travers la plaque de base 42 qui constitue ainsi un élément de retour de flux magnétique. On note L_mf des lignes de champ magnétique de fermeture qui s'étendent, d'une part, entre le bord 62A et la nervure 468 du noyau 46A et, d'autre part, entre le bord 62B et la nervure 468 du noyau 46B. Les lignes de champ magnétique de fermeture L_mf traversent un entrefer E notablement moins épais que l'entrefer E' qui existe entre la palette mobile 6' et les plaques d'épanouissement 464' d'un actionneur conforme à l'art antérieur représenté à la figure 4. Ainsi, les nervures 468 permettent d'augmenter, dans certaines phases d'utilisation du contacteur 200, l'intensité du champ électromagnétique entre la palette 6 et les noyaux 46A et 46B, par rapport à l'art antérieur. Le champ magnétique résultant du faible entrefer E permet un contrôle efficace de la position de la palette mobile 6 le long de l'axe X2.

Ces améliorations sont obtenues en conservant l'encombrement global de l'actionneur 2, comme cela ressort de la comparaison entre les figures 3 et 4.

Sur les figures 5, 6 et 7, l'actionneur 2 est intégré à un contacteur électrique 200. Le contacteur électrique 200 comprend une première piste fixe 202 qui s'étend à partir d'une zone 204 de blocage d'un conducteur électrique et supporte une pastille de contact fixe 206. Le contacteur 200 comprend également une deuxième piste fixe 212 qui s'étend entre une zone 214 de raccordement pour un conducteur électrique et une pastille de contact fixe 216. Le contacteur électrique 200 comprend également deux pastilles de contact mobiles 208 et 218 montées sur un pont mobile 210. Ce pont mobile 210 est chargé par un ressort 220, parallèlement à l'axe X2 et en direction de la palette mobile 6. Un porte-contacts mobiles 222 est intercalé entre le pont mobile 210 et la palette mobile 6. Chacune des pistes 202 et 212 forme une ligne de courant.

Sur la figure 8, la position P0 représente la première position, éloignée de la palette mobile 6 par rapport à la surface S464. La position P1 représente la deuxième position rapprochée, où la palette mobile 6 est en appui contre la plaque d'entrefer 48. Sur cette figure, la position P2 représente une position intermédiaire où les pastilles mobiles 208 et 218 entrent en contact avec les pastilles fixes 206 et 216 en allant de la position P0 vers la position P1 . A la figure 8 la distance entre les positions P0 et P1 représente la course C.

En partant de la position P0 et lorsque la palette mobile 6 est déplacée par l'effort magnétique généré par le champ magnétique dû aux bobines 44A et 44B, l'effort mécanique résistant généré par les ressorts 8A et 8B croît linéairement comme montré sur la partie droite de la courbe C1 . A partir de la position P2 la poursuite du mouvement de la palette mobile 6 induit la séparation du porte contacts mobiles 222 et du pont mobile 210, ainsi que la compression du ressort 220 dont la constante de raideur s'ajoute à celle des ressorts 8A et 8B. La courbe C1 a donc une pente plus importante à partir de la position P2 qu'entre les positions PO et P2. Lorsque le contact électrique est totalement établi et, on parvient dans une position P3 à partir de laquelle les ressorts 8A et 8B et le ressort 220 continuent à être comprimés jusqu'à la position P1 .

Aux figures 8 et 9, la courbe C2 représente la force magnétique exercée par l'actionneur selon l'art antérieur et la courbe C3 représente la force magnétique exercée par un actionneur selon l'invention. Grâce aux nervures 468, la courbe C3 est au-dessus de la courbe C2 entre les positions PO et P3. En d'autres termes, l'effort magnétique est plus important avec les nervures 468 que sans ces nervures. Au contraire, en se rapprochant de la position P1 la courbe C3 est au-dessous de la courbe C2. En d'autres termes, après l'impact des pastilles 208 et 218 sur les pastilles 206 et 216, l'effort magnétique utilisé dans l'actionneur 2 conforme à l'invention est inférieur à l'effort magnétique utilisé dans un actionneur conforme à l'art antérieur. En résumé, l'ajout de ces nervures 468 permet de générer un effort magnétique supplémentaire là où cela est nécessaire, entre les positions P0 et P3, et de le diminuer là où il n'est pas nécessaire, entre les positions P3 et P1 .

On remarque que les nervures 468 s'étendent sur toute la longueur des bords 466, ce qui leur permet de participer à la fermeture des lignes de champ sur toute la largeur 16 de la palette mobile 6. Toutefois, en variante, une nervure 468 peut être interrompue sur la longueur ou ne s'étendre que sur une partie du bord 466 adjacent.

L'invention est décrite ci-dessus dans le cas d'un actionneur à deux bobines, deux noyaux et deux nervures. Elle est applicable à un actionneur à une seule bobine, auquel cas la géométrie de l'élément de retour de flux magnétique, qui correspond à la plaque de base 42 de l'exemple des figures, est adaptée.

Selon un mode de réalisation non représenté, des nervures analogues à la nervure 468 peuvent être prévues sur trois bords adjacents d'une plaque d'épanouissement 464 hors le bord le plus proche de l'autre plaque d'épanouissement. En d'autres termes, selon cette variante non représentée, l'invention peut avoir un maximum de six nervures. Les modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être combinés pour générer de nouveaux modes de réalisation de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 .- Actionneur électromagnétique (2) de manœuvre d'un contacteur électrique (200), cet actionneur comprenant :

- une partie fixe (4) incluant :

- au moins une bobine (44A, 44B) de génération d'un champ magnétique centré sur un axe longitudinal (X2),

- au moins un noyau (46A, 46B) de concentration du flux magnétique, ce noyau étant installé au sein de la bobine et pourvu d'une plaque d'épanouissement (464) du flux magnétique qui définit une surface active

(S464) perpendiculaire à l'axe longitudinal,

- au moins un élément (42) de retour de flux magnétique,

- une palette (6) mobile en translation selon l'axe longitudinal et par rapport à la partie fixe, entre une première position (P0) éloignée de la surface active et une deuxième position (P1 ) proche de cette surface, sous l'effet d'un effort induit par le champ magnétique,

- au moins un organe (8A, 8B) de rappel élastique de la palette vers une position prédéterminée parmi la première position et la deuxième position,

caractérisé en ce que la plaque d'épanouissement (464) est pourvue d'au moins une nervure (468) de fermeture des lignes de champ magnétique (L_m) entre la plaque d'épanouissement et la palette, cette nervure étant en saillie par rapport à la surface active (S464) du côté de la palette et ménagée au niveau d'un bord (466) de la plaque d'épanouissement.

2.- Actionneur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les dimensions (L6,

16) de la palette (6), dans un plan perpendiculaire à l'axe de translation (X2), sont compatibles avec son rapprochement de la surface active (S464), le long de la nervure (468), pour atteindre la deuxième position (P1 ).

3.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie fixe (4) inclut deux bobines (44A, 44B), un noyau (46A, 46B) installé dans chaque bobine et en ce que la plaque d'épanouissement (464) de chaque noyau est pourvue d'au moins une nervure (468) ménagée au niveau de son bord (466) opposé à l'autre plaque d'épanouissement.

4.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nervure (468) s'étend sur toute la longueur du bord (466) au niveau duquel elle est ménagée.

5.- Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nervure (468) est monobloc avec la plaque d'épanouissement (464).

6. - Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie fixe (4) inclut une cale d'entrefer (48), dont les dimensions (L48) sont compatibles avec sa mise en place sur la surface active (S464) à côté de la nervure (468).

7. - Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur (H468) de la nervure (468), mesurée parallèlement à l'axe de translation (X2) de la palette (6), et l'épaisseur (e6) de la palette, mesurée parallèlement à cette direction, est compris entre 0,1 et 1 ,0, de préférence entre 0,2 et 0,9.

8. - Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur (H468) de la nervure (468), mesurée parallèlement à l'axe de translation (X2) de la palette (6), et la course (C) de la palette, définie entre ses première et deuxième positions (P0, P1 ), est compris entre 0,1 et 1 ,5, de préférence entre 0,2 et 0,9.

9. - Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la largeur (I468) de la nervure (468), mesurée parallèlement à la surface active (S464) et perpendiculairement au bord (466) le long duquel est ménagée la nervure (468), et la course (C) de la palette (6), définie entre ses première et deuxième positions (P0, P1 ), est compris entre 0,1 et 1 ,2, de préférence entre 0,2 et 0,7.

10. - Contacteur électrique (200) comprenant des pastilles fixes (206, 216) et des pastilles mobiles (208, 218) entraînées par une palette (6) appartenant à un actionneur

(2), caractérisé en ce que l'actionneur (2) est selon l'une des revendications précédentes.