Brevet FR2251092A1 — publié le 19750606

La présente invention concerne un appareil de connexion rapide, et notassent un relais, un contacteur ou un appareil similaire, avec une bobine motrice destinée au raccordement à une source, de courant continu de préference, et une armature se deplaeant sous l'influence du champ magnétique produit par la bobine motrice parcourue par un courant, pour la manoeuvre de contacts de commatation. Dans les appareils de connexion connus, utilisés en relais ou contracteurs, les contacts sont actionnés par des armatures à pivotement ou à translation, réalisées dans un materiau magnFtique, et et tamaent en fer doux, disposes dans un circuit magnétique fermé à l'exception d'un petit entrefer de travail et se trouvant, dans la position de repos, en regard d'une partie fixe de ce circuit magnétique pour former entrefer de travail. Dans les types de relais et de contacteurs connus, la bobine d'alitentation à relier à une source de courant est montée sur un noyau de fer appartenant au circuit magnétique. La fermeture d'un interrupteur en série avec la source fait passer dans la bobine d'alimentation un courant produisant un flux magnétique dans le circuit fer. Les lignes de force magnétiques résultantes tendent à réduire leur longueur et provoquent ainsi l'attraction de l'armature sur le noyau de fer, en actionnant les contacts auxquels elle est reliée. Le domaine d'application de ces relais et contacteurs, reposant sur le principe électromagnétique, est limité par le fait que ces appareils de connexion n'atteignent que des vitesses de commutation relativement faibles. La raison en est que le courant ne peut croître que lentement dans la bobine après la mise sous tension, par suite de l'inductance de la bobine, et ne produit donc qu'un accroissement lent du champ magné- tique dans le circuit fer. Des courants de Foucault, dont l'intensité augmente avec la vitesse de croissance5 sont produits dans les parties du circuit fer et contribuent en outre à ralentir l'augmentation du champ magnétique.La fait suivant contribue également à ralentir la commutation par rapport à l'instant d'établissement du courant dans la bobine Itarmature réalisée en fer magnétique a une masse relativement élevée et doit être accélérée à partir de sa position de repos pour effectuer le mouvement de cormutation. Les grands relais et contacteurs de type connu ne permettent pour ces diverses raisons d'obtenir que des temps de comnutation ,sup6rieurs à 10 millisecondes environ. Invention a pour objet un appareil de connexion , fonctionnant de préférence en relais ou contacteur, destiné au raccordement à une source de courant continu ou alternatif et présentant une vitesse de commutation notablement plus élevée. Selon une caractéristique essentielle de 1 t itwention1 la bobine motrice est réalisée sous forme dlune bobine à air discoide et l'armature est constituée par une seconde bobine à air également discorde, sensiblement coaxiale avec la bobine motrice, située à une faible distance de cette dernière dans 1 'une des deux positions de commutation et pouvant être translatée coaxialement à la bobine motrice. Le montage selon l'inventbn permet le fonctionnement de la seconde bobine à air aussi bien en parallèle qu'en série avec la première bobine à air.Lorsque les deux bobines à air fonctionnent en série pour le courant électrique qui les traverse, il est particulièrement avantageux qu'elles présentent les mêmes dimensions géométriques et nombre de spires. Il est particulièrement avantageux que la seconde bobine à air servant d'armature soit montée sur un axe qui traverse en son centre la première bobine à air, fixe dans l'espace. Indépendamment du branchement des deux bobines à air en parallèle ou en série par rapport à la source de courant, leur polarité peut & re choisie de façon que le courant dans les bobines circule dans le même sens de rotation par rapport à leur axe commun, les deux bobines étant disposées au repos à une distance correspondant à leur course utile.Selon une autre caractéristique de l'invention, une action électrodynamgque notablement améliorée peut hêtre obtenue quand la polarité des deux bobines à air est telle que le courant dans une bobine circule autour de leur axe commun dans un sens opposé à celui du courant dans autre bobine1 les deux bobines se trouvant au repos en regard à une faible distance. La répulsion produite entre les deux bobines à air lors de l'établissement du courant est particulièrement grande dans ce cas. Il est donc possible d'obtenir une vitesse très élevée d'ouverture des contacts, quand ceux-ci se trouvent en position de fermeture en l'absence de courant dans les bobines à air. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'action électro- dynamique est amplifiée par le montage d'une culasse discorde et aumoins sensiblement coaxiale, en regard de la face de la bobine à air fixe opposée à la bobine à air mobile. Au lieu d'un tel montage, ou en combinaison avec ce dernier, il est possible de monter une autre culasse discorde en regard de la face de la bobine à air mobile opposée à la bobine à air fixe, ladite culasse étant de préférence solidaire de la bobine à air mobile Qu'il s'vagisse d'une culasse discorde fixe ou mobile, il est recommandé de prévoir une fente radiale, s'étendant de préférence jusqu'au bord de la culasse, afin de supprimer ou tout du moins de réduire les courants de Foucault dans cette culasse.Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau de la ou des culasses discordes présente une réluctance élevée, mais une faible conductibilité. Il peut en outre être avantageux de constituer la culasse discorde par l'assemblage de disques coaxiaux1 reliés entre eux, mais isolés electri- quemett. Selon une autre caractéristique de ltinvention, un appareil de con flexion bistable, ne devant entre alimenté en courant que pour le passage d'une position dans l'autre, peut être obtenu au moyen de deux bobines a air discoïdes fixes, entre lesquelles une autre bobine à air peut être translatée suivant l'axe commun à toutes les bobines. Un axe mobile suivaut sa longneur et portant la bobine à air mobile peut avantageusement titre accouplé à un accusulateur d'énergie mécanique, qui tend à maintenir la bobine à air mobile dans une des deux positions limites stables, ou à lty ramener.Les contacts nécessaires peuvent être disposés chacun sur une face axiale du système moteur comportant au moins une bobine à air fixe et une bobine à air mobile. La disposition coaxiale des deux bobines à air d'un systee moteur permet, sans aucune difficulté constructive, de disposer un jeu de contacts sur chacune des deux faces axiales du systeme moteur. I1 est en outre possible de disposer les contacts dans la zone d'action du champ électrique de la bobine a air fixe, de façon que le champ magnétique produit par l'établissement du courant dans la bobine produise un soufflage magnétique de l'arc de commutation. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente le schéma d'unxpremier exemple de réalisation, dans lequel les polarités des deux bobines å air produisent leur répulsion; la figure 2 représente le schéma d'un second exemple de réalisation dans lequel les polarités des deux bobines à air produisent leur attraction; la figure 3 représente le schéma d'un troisième exemple de réalisatbn, dans lequel les bobines à air sont équipées chacune d'une culasse; et la figure 4 représente le schéma du système moteur dun appareil de connexion bis table. Contrairement au cas des appareils de connexion électromagnétiques connus, le système moteur du premier exemple de réalisation selon figure 1 ne comporte aucune culasse en fer dans son circuit de travail, afin de permettre la réduction de son inductance. La bobine motrice 3 fixe est réalisée sous forme d'une bobine à air discorde, pour raccorde- ment è une source de courant continu 4 à faible résistance.Par suite de sa faible inductance, elle admet un courant intense des qu'un élisent de comsutation rapide 5, pouvant avantageusement être constitué par un thyristor, permet le passage dlun courant. I1 peut alors circuler dans la bobine motrice un courant qui atteint très rapidement une valeur élevée et produit un champ magnétique très intense, atteignant sa pleine intensité au bout de 20 microsecondes env.iron et agissant alors sur une seconde bobine à air 1 également discorde, constituant l'armature et solidaire d'un axe 2 mobile axialement par rapport à la bobine motrice, dans deux paliers 6 et 7.La bobine d-air 1 constituant l'armature est en série avec la bobine motrice 3 par rapport à la source de courant 4 et polarisée de façon que le courant produit dans la bobine motrice 3 circule par rapport à l'axe commun 2 dans un sens opposé à celui dans la bobine à air 1. Les champs magnétiques produits par les bobines aair 1 et 2 s'opposent par suite, en déplaçant la bobine à air I et l'axe 2 > dans la ditection de la flèche A. Cette translation ouvre un jeu de contacts, constitué par deux contacts fixes 8 et 9 et un pont mobile 10, fixé à l'extrémité de l'axe 2. La croissance rapide des champs magnétique8 dans les bobines à air 1 et 2 produit une vitesse de commutation élevée. Le pont mobile et les contacts correspondants 8 et 9 peuvent etre dis posés au voisinage immédiat de la bobine motrice 3 fixe, de façon que le champ magnétique de cette dernière puisse produire un soufflage sa8né- tique de l'arc éventuellement amorcé entre les contacts fixes et le pont mobile. L'exempie de 'réalisation selon'figure 2 représente une inversion technique par rapport à celui de la figure 1. Alors que dans l'exemple de réalisation selon figure 1, la répulsion magndtique des deux bobines à air 1 et 2 est utilisée pour le déplacement de l'axe 2 et du pont mobile 10, la polarité de la bobine à air 1 est choisie par rapport B la bobine motrice fixe 3 dans l'exemple de réalisation selon figure 2 de façon que le courant circulant dans les deux bobines à air I et 3 en série après la fermeture de l'interrupteur 5 tourne dans le mêrne sens autour de l'axe commun 2 et-les champs magnétiques produits dans les deux bobines à air l et 3 s'attirent, l'axe 2 et le pont mobile 10 se dépla çant vers la gauche, dans la direction de la fleche A. L'exemple de réalisation du système moteur de la figure 3 comporte, comme celui de la figure 2, une bobine motrice fixe 3, en série avec une bobine à air mobile 1 constituant l'armature et polarisée de façon que les champs magnétiques de ces deux bobines s'attirent. En plus des éléments déjà prévus sur la figure 2, l'exemple de réali- sation selon figure 3 comporte une culasse Il discorde, coaxiale avec l'axe 2 et la bobine motrice 3, réalisée dans un matériau magnétique et en fer doux de préférence, et produisant une concentration accrue des lignes de force en direction de la bobine à air mobile 1 et par suite une impulsion de mouvement amplifiée. Le même rôle est assuré par une seconde culasse discorde 12, coaxiale avec le système moteur précédemment décrit et disposée en regard de la face de la bobine à air 1 opposée à la bobine motrice fixe 3.Les deux culasses discoïdes li et 12 comportent avantageusement une ou plusieurs fentes radiales, s'étant de préférence jusqu'au bord du disque, s'opposant à l'établiseement des champs magné- tiques produits par les bobines 1 et 3 et supprimant ou tout au moins réduisant fortement les courants de Foucault dans les culasses. Le système moteur selon figure 4 est destiné à un appareil de connexion bistable, comportant un polit mobile 10 commun à une premiere paire de contacts 8 et 9, identiques à ceux prévus sur les figures 1 à 3,-et à une seconde paire de contacts 18 et 19, qui est fermée sur la seconde position du pont mobiles 10 quand l'axe commun 2 se déplace avec la bobine à air mobile 1 vers la gauche, suivant la direction de la flèche A. Comma dans l'exemple de réalisation selon figure 1, la bobine à air mobile 1 se trouve en regard d'une bobine motrice fixe 3, également réalisée sous forma de bobine à air, avec un faible entrefer axial dans la première position de commutation représentée, dans laquelle les contacts 8 et-.9 sont reliés par le pont mobile 10. En regard de l'autre face de la bobine à air mobile 1, opposée à la bobine motrice 3, se trouve une seconde bobine motrice 13 à une distance déterminée parla course utile et la distance axiale de la seconde paire de contacts 18 et 19 à la pre mière.paire de contacts 8 et 9. Une des extrémités dé la bobine motrice 13 est reliée par un fil 14 à la première bobine motrice 3 et l'autre extrémité à la source de tension 4 à faible résistance.Pour que la bobine à air 1 se déplace dans le sens de la flèche A, elle doit être le siège d'un champ magnétique opposé à celui produit par la bobine motrice 3. Le courant dans la bobine à air 1 doit circuler autour de l'axe commun dans le sens opposé à celui qu'il a dans la bobine motrice 3. Les extrémités de la bobine à air mobile 1 sont pour ce faire reliées à deux contacts mobiles 21 et 22 d'un inverseur.Sur la position représen- tée en tirets par exemple, le courant 3 provenant de la source 4 circule dlabord dans la bobine à air 1 par le contact mobile22, puis dans la bobine motrice 3 par le contact mobile 21.La répulsion résultante des deux champs magnétiques produits par les bobines 1 et 3 déplace la bobine à air 1 et l'axe 2 vers la gauche et doit vaincre la force de rappel de deux ressorts de compression bandés 23 et 24, faisant partie d'un accumulateur d'énergie bistable.Lorsque la position médiane instable des deux ressorts de compression 23 et 24 est franchie, llarbre portant le pont mobile atteint brusquement sa seconde position de commutation, dans laquelle le pont mobile relie les deux contacts 18 et 19, et la bobine à air 1 mobile se trouve en regard de la seconde bobine mobile 13, à une faible distance axiale. Afin de produire une attraction entre la bobine à air 1 et la bobine motrice 13, au voisinage immédiat de cette dernière, le courant J circule dans la seconde bobine motrice 13, par rapport à l'axe commun, dans un sens opposé à celui dans la première bobine motrice 3. Dès que les deux contacts mobiles 21 et 22 sont ramenés dans leur position médiane représentée, le courant J est interrompu et le pont mobile 10 demeure dans sa seconde position de connexion des contacts 18 et 19. Afin de ramener l'appareil de-connexion dans la position initiale, suivant la flèche B, il suffit de placer l'inverseur sur la seconde position de fermeture, dans laquelle les deux contacts mobiles occupent la position représentée en pointillés et le courant provenant de la source 4 passe d'abord dans la bobine à air 1 par le contact mobile 21, mais dans un sens opposé à celui précédemment décrit, puis dans les deux bobines motrices 3 et 13, par le contact mobile 22, et dans le même sens que précédemment. Par suite de l'inversion du sens du courant J dans la bobine à air 1, cette dernière est repoussée vers la droite par le champ magnétique de la bobine motrice 13 et, après avoir franchi la position médiane indifférente des deux ressorts de compression 23 et 24, atteint la position initiale représentée sur la figure 4 et dans laquelle la bobine à air I est attirée par la bobine motrice 3, tant que les contacts mobiles 21 et 22 se trouvent dans la position en pointillé précédemment décrite. la position représentée, dans laquelle le pont mobile 10 relie les deux contacts 8 et 9, est conservée même quand les contacts mobiles 21 et 22 sont ramenés dans leur position médiane neutre, en interrompant le contact J. L'avantage particulier de appareil de connexion decrit réside dans ses temps de commutation extrem-ment courts et dans le fait qui consomme de l'énergie électrique uniquement tors du passage d'une position de commutation à l'autre, le courant pouvant être nul tant que la position atteinte est conservée. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'etre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs > sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Appareil de connexion rapide, tel que relais, contacteur ou autre, avec une bobine motrice destinée au raccordement à une source de courant et une-armature se déplaçant sous l'action du champ magnétique produit par la bobine motrice parcourue par un courant et servant à manoeuvrer les contacts, ledit appareil étant caractérisé en ce que la bobine motrice est réalisée sous forme d'une bobine à air discorde et l'armature est constituée par une seconde bobine à air également discoide, sensiblement coaxiale avec la bobine motrice, située à une faible distance axiale de cette dernière dans l'une des deux positions de commutation et pouvant etre translatée coaxialement à la bobine motrice 2.Appareil selon revendication 1, caractérisé en ce que les deux bobines à air ont des nombres de spires au moins sensiblement égaux, pour les memes dimensions géométriques et notamment leurs diamètres intérieur et extérieur et leur hauteur axiale. 3. Appareil selon revendication 2, caractérisé en ce que les deux bobines à air sont branchées en série par rapport à la source de courant. 4. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde bobine à air constituant l'armature est montée sur un axe passant au centre de la bobine motrice fixe. 5. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par une polarité des deux bobines à air telle que le courant dans une bobine circule autour de l'axe commun dans un sens opposé à celui dans l'autre bobine, les deux bobines à air étant en regard à une faible distance dans la position de repos. 6. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par une polarité des deux bobines à air telle que le courant dans les deux bobines circule dans le même sens autour de l'axe commun, les deux bobines à air étant disposées au repos à une distance correspondant à la course utile. 7. Appareil-selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le montage, en regard de la face de la bobine à air fixe opposée à 1a bobine à air mobile, d'une culasse discorde, au moins sensiblement coaxiale à la bobine à air fixe. 8. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le montage, en regard de la face de la bobine à air mobile opposée à la bobine à air fixe, d'une culasse discorde, de préférence solidaire de la bobine à air mobile. 9. Appareil selon une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la culasse discorde comporte au moins une fente radiale, s'étendant de préférence jusqu'au bord. 10. Appareil selon une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le matériau de la culasse discorde présente une réluctance élevée, mais une faible conductibilité électrique. il. Appareil selon une quelconque des revendications 7 à 10 > caractérisé en ce que la culasse discorde est constituée par l'assemblage de plusieurs disques minces, reliés mécaniquement, mais isolés électriquement. 12. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par deux bobines motrices discoldes fixes, entre lesquelles est disposée la bobine à air mobile constituant l'armature. 13. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par un accumulateur d'énergie mécanique bistable, relié à l'axe mobile portant l'armature. 14. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le montage des contacts sur une face axiale du système moteur, comportant au moins une bobine motrice fixe et une bobine à air mobile. 15. Appareil selon revendication 14, caractérisé par le montage d'un jeu de contacts sur chacune des deux faces du système moteur. 16. Appareil selon une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que les contacts destinés à l'interruption du courant sont disposés dans le champ magnétique d'une bobine motrice fixe, de façon que ce champ produise un soufflage magnétique de- l'arc-de commutation.