Brevet FR2466844A1 — publié le 19810410

La présente invention se rapporte à un électro- aimant à courant continu ou redressé, tel que celui d'un contacteur, comprenant nne culasse fixe entourant les deux extrémités d'une bobine également fixe, et un noyau- plongeur susceptible de se déplacer par translation à l'intérieur de la bobine suivant l'axe de cette dernière, entre deux positions extrêmes. Les entrefers-de tels électro-aimants se situent au voisinage immédiat de la bobine. Ils ont de ce fait un meilleur rendement que les entrefers d'électro- aimants à palette à noyau fixe. De plus, le mouvement de translation du noyau-plongeur se prête à certaines com- mandes, par exemple dans le cas de contacteurs ou d'élec- trovalves. On connaît par ailleurs les avantages que pro- curent l'introduction d'aimants permanents dans les cir- cuits magnétiques d'électro-aimants: meilleur rendement, plus grande course, forces plus importantes en fin de course, possibilité de fonctionnement bistable. Les brevets FR 2 225 827 et 2 271 654 illustrent de telles possibilités. Les structures décrites ne s'adaptent ce- pendant pas à un électro-aimant à noyau-plongeur. On connaît par le brevet FR 1 397 934 un électro-aimant à noyau-plongeur, à fonctionnement bi- stable. Cependant, le rendement de cet électro-aimant est moins bon que celui d'un électro-aimant équivalent mono- stable, en raison de l'énergie qu'il faut apporter pour aimanter et désaimanter l'aimant fixe logé dans la bobine. La présente invention a pour but principal de révéler une structure d'électro-aimant à fonctionnement bistable ou monostable, du type à noyau-plongeur, dans laquelle l'introduction d'aimants permanents permet de bénéficier des avantages précités, sans en présenter certains inconvénients. D'autres avantages de la présente invention apparaîtront par la suite, en particulier en ce qui concerne la création de forces de rappel réglables n'agissant qu'en fin de course. L'invention est caractérisée en ce que le noyau-plongeur est.constitué par un équipage mobile com- prenant d'une part au moins un aimant permanent, et d'autre part deux pièces polaires conductrices de flux,fixés respectivement à chaque face polaire dudit aimant per- manent, perpendiculairement à l'axe d'aimantation de l'aimant, lesdites pièces polaires ayant des bras débor- dant des faces polaires,-au moins une des pieces polaires ayant des bras cambrés à angle droit pour définir, avec au moins un bras de l'autre pièce polaire, deux zones d'.entrefer disposées de part et d'autre de l'axe d'aiman- tation, en ce que l'âme de la bobine a une section rectangulaire occupée par l'aimant et les pièces polaires, l'axe d'aimantation étant perpendiculaire à l'axe de la bobine, en ce que les zones d'entrefer sont disposées aux deux extrémités de la bobine et en ce que des parties planes de la culasse, parallèles à l'axe d'aimantation, pénètrent chacune respectivement dans une zone d'entre- fer de sorte que, pour au moins une position stable du noyau-plongeur, une partie plane de la culasse soit en contact avec une des pièces polaires, tandis que l'autre partie plane soit en contact avec l'autre pièce polaire. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, correspondant à un électro-aimant à deux positions stables en l'absence d'excitation de la bobine, chaque pièce polaire forme deux bras s'étendant respec- tivement de part et d'autre de l'axe d'aimantation, au moins une pièce polaire a des extrémités de ses bras cambrés à angle droit et les extrémités d'une pièce polaire sont cambrées au-delà des bras de l'autre pièce polaire par rapport à l'axe d'aimantation. Suivant un deuxième mode de réalisation, S correspondant à un électroaimant à une seule position stable en l'absence d'excitation de la bobine, une pièce polaire forme un bras unique s'étendant d'un premier côté de l'axe d'aimantation, tandis que l'autre pièce polaire a, du premier côté de l'axe d'aimantation, un bras dont l'extrémité est cambrée à l'angle droit au-delà dudit bras unique par rapport à l'axe d'aimantation, et - du deuxième côté de l'axe d'aimantation, deux bras magné- tiquement réunis, dont les extrémités sont respectivement cambrées à angle droit, l'une au-delà de l'autre par rapport à l'axe d'aimantation. D'autres caractéristiques et dispositions de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 représente la vue en coupe verti- cale (suivant I-I de la Figure 2) de l'électro-aimant suivant l'invention, avec un mode de réalisation en fonctionnement bistable. La Figure 2 représente-ce même électro-aimant en coupe horizontale (suivant II-II de la Figure 1). La Figure 3 montre la modification à apporter à une partie de la Figure 1 pour avoir un fonctionnement monostable. La Figure 4, semblable à la Figure 1, représen- te une variante de disposition des pièces polaires, avec l'adjonction d'un ressort donnant une force de rappel n'agissant qu'en fin de course. Sur la Figure 1, on a représenté en 1 une bobine avec son bobinage 2 bobiné suivant l'axe 3 de la bobine. Une culasse fixe 4 entoure la bobine en allant d'une-extrémité de l'âme de la bobine à l'autre extrémi- té de cette âme. En pratique cette culasse comprend deux demi-culasses 4a4b en forme d'U, s'emboîtant l'une dans l'autre suivant l'axe 3 de la bobine et maintenues en- semble par exemple par des vis Sa, 5b, 5c, 5d (voir aussi Figure 2). A l'intérieur de l'âme de la bobine se trouve un noyau-plongeur susceptible de se déplacer par trans- lation suivant l'axe 3 de la bobine. Ce noyau-plongeur est constitué par un équipage mobile qui comprend d'une part, un aimant permanent 6 disposé de façon que son axe d'aimantation 7 soit perpendiculaire à l'axe 3 de la bobine et d'autre part deux pièces polaires conductrices de flux 8 et 9, fixées respectivement à chaque face polai- re N - S de l'aimant 6, perpendiculairement à son axe d'aimantation 7. Chaque pièce polaire 8,9 a deux bras a, lOb et respectivement lia, llb débordant des faces polaires N - S de l'aimant 6. De plus ces bras 10,11 sont cambrés à angle droit vers- l'axe 3 de la bobine, en déterminant des ex- trémités parallèles 12a,12b et respectivement 13a,13b. Plus précisément, les extrémités 12a,12b de la pièce polaire 8 se trouvent respectivement au-delà des extré- mités 13a, 13b de la pièce -polaire 9 par rapport à l'axe d'aimantation 7. De la sorte sont définies deux zones d'entrefer, localisées respectivement entre les extrémités parallèles 12a-13a d'une part, et 12b- 13b d'autre part. Ces zones d'entrefer sont disposées aux deux extrémités de la bobi- 1, de part et d'autre de l'axe d'aimantation 7. On voit d'autre part que des parties planes 14a- 14b des culasses 4a-4b, parallèles à l'axe d'aimantation 7, pénètrent respectivement chacune dans une zone d'entrefer. Les pièces polaires 8-9 peuvent être fixées à l'aimant 6 par exemple par des plaques 15a-15b perpendiculaires à l'axe 3 de la bobine, et comportant des languettes 16a, 16b,16c,16d, serties dans des fentes des pièces polaires. Une tige de guidage 17 est rendue solidaire de l'équipage mobile et est guidée suivant l'axe 3 de la bobine par des paliers 18a-18b fixés par exemple par des étriers 19a-19b, eux-mêmes fixés sur chaque demi-culasse 4a-4b, par exemple par des vis. Sur la Figure 2, on retrouve certains des éléments décrits ci-dessus. On voit qu'il y a deux aimants permanents 6a-6b d'axes parallèles 7a-7b. Entre ces aimants passe la tige de guidage 17 qui peut ainsi traverser de part en part l'équipage mobile en étant fixée à ce dernier par exemple par des écrous 20a-20b visibles sur la Figure 1. On voit aussi sur la Figure 2 que l'âme de la bobine a une section rectangulaire, occupée par les aimants et les pièces polaires. Le fonctionnement de cet électro-aimant est le suivant: Lorsque l'équipage mobile (représenté en posi- tion intermédiaire sur la Figure 1) occupe sa position extrême basse, le flux sortant del'aimant permanent 6 par la face polaire N passe dans la pièce polaire 8, le bras 1Oa, l'extrémité cambrée 12a et la partie plane 14a de la culasse 4a. De là, par les bras en U des demi-culasses, il passe à la partie plane 14b de la culasse 4b, à l'extrémité cambrée 13b, à la pièce polaire 9 et à la face polaire S de l'aimant 6. Les entrefers fermés 12a-14a et 13b-14b donnent des forces dans le même sens qui maintiennent l'équipage mobile dans sa position extrême basse. Si la bobine est excitée dans un sens créant un flux opposé au précédent, les forces précédentes sont annulées et il apparaît des forces entre l-es entrefers 13a-14a et 12b-14b, amenant l'équipage mobile dans sa position mobile extrême haute. On a donc un fonctionnement bistable avec des entrefers de noyau-plongeur analogues à ceux de l'élec- tro-aimant décrit dans le brevet FR 1 397 934, mais sans faire appel à une force de rappel et avec un meilleur rendement. Bien entendu, pour éviter de shunter l'entrefer 12a-14a, il est nécessaire de ménager dans la culasse 4a une ouverture 21a suffisante autour du bras 10a. De même pour le bras 10b avec l'ouverture 21b. Ces ouvertures facilitent aussi l'assemblage des demi-culasses sur la bobine équipée de son noyau-plongeur. Par ailleurs, il est nécessaire d'obtenir la fermeture simultanée et complète des entrefers pour chaque position extrême, de façon à- ne pas voir diminuer considérablement les performances de l'électro-aimant. Comme toutes les surfaces d'entrefer sont paral- lèles entre elles et que le mouvement de translation de l'équipage mobile est bien guidé, on évite les fermetures en coin des entrefers. Au moment de l'assemblage de l'équipage mobile, il est facile d'obtenir des distances identiques entre les extrémités cambrées 12a-13a et respectivement 12b-13b. Pour obtenir la fermeture complète des entre- fers, il suffit alors de régler la distance entre les parties planes 14a et 14b des culasses, en réglant par exemple l'emboîtement des demiculasses. Cela peut se faire simplement en ne bloquant les vis 5a-b-c-d, que lorsque l'électro-aimant est sous tension. Sur la coupe partielle de la Figure 3, on voit que le bras 11b de la pièce polaire 9 a été supprimé. Par contre, parallèlement au bras 10b de la pièce polaire 8, on a ajouté un autre bras 10c magnétiquement réuni au bras 10b et ayant une extrémité 12c cambrée à angle droit de façon à se trouver dans le plan qu'occupait précédem- ment l'extrémité 13b du bras 11b. Il résulte de cette disposition que dans la position haute de l'équipage mo- bile, il n'y a rien de changé par rapport au cas précé- dent, tandis que dans la position basse, les parties planes 14a et 14b des demi-culasses 4a et 4b sont magnéti- quement directement réunies par la pièce polaire 8 et ses bras et extrémités cambrées,sanspasserparl'aimantperma- nent 6.Sousl'effetde la réaction de lachargemécanique commandée, ou sous l'effet d'un ressort de rappel, 1 'équipage mobile reviendra donc dans sa position haute après la cou- pure de l'excitation de la bobine. Le fonctionnement de l'électro-aimant est donc devenu monostable. Sur la Figure 4, on retrouve les éléments déjà décrits du circuit magnétique,avec les différences suivantes: La pièce polaire 9 n'a pas d'extrémités cambrées 13a-13b et la surface des entrefers est donnée directement par le chant des bras lla-1lb. La diminution de la surfa- ce d'entrefer donne une plus grande pente à la courbe de la force en fonction de la course, ce qui peut être acceptable ou souhaitable dans certains cas. -D'autre part, les extrémités cambrées 12a et 12b de la pièce polaire 8 sont cambrées vers l'extérieur par rapport à l'axe 3 de la bobine. Il en résulte que les forces sont engendrées plus loin de l'axe 3, mais le couple correspondant peut être encaissé par la tige de guidage 17. On voit que l'entrefer 12a-14a de la Figure 1 est maintenant remplacé par un entrefer 12a-14a', la la partie plane 14a' de la demi-culasse 4a étant dans le prolongement de la partie 14a. La notion de zone d'entrefer reste donc valable si ces zones sont définies en référence à l'axe d'aiman- tation 7. Cette disposition limite le flux de fuite entre les armatures et elle facilite l'implantation d'un res- sort de rappel. Sur la Figure 4, on a disposé un ressort à boudin 22 sur une des extrémités de la tige de guidage17. Ce ressort est comprimé entre la plaque 15a et une ron- delle 23, elle-même venant en butée sur un anneau élas- tique 24 introduitdans une gorge de la tige de guidage 17. Un autre anneau élastique 25 peut remplacer l'écrou 20a. D'autre part, le palier 18a peut être vissé plus ou moins profondément sur l'étrier 19a et bloqué par un écrou 26. Un épaulement 27.du palier 18a sert de butée fixe à la rondelle 23, dans le mouvement de cette dernière vers la fin de course correspondante. On voit donc qu'on peut régler le moment de la course o le ressort 22 exerce sa force de rappel sur l'équipage mobile. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation des dispositifs qui viennent d'être décrits. Elle comprend tout les équivalents tech- niques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Electro-aimant à courant continu ou redressé, tel que celui d'un contacteur, comprenant une culasse fixe entourant les deux extrémités d'une bobine également fixe, et un noyau-plongeur susceptible de se déplacer par translation à l'intérieur de la bobine suivant l'axe de cette dernière, entre deux positions extrêmes, caractéri- sé en ce que le noyau-plongeur est constitué par un équipage mobile comprenant d'une part, au moins un ai- mant permanent (6) et, d'autre part deux pièces polaires (8,9) conductrices de flux, fixées respectivement à cha- que face polaire (N, S) dudit aimant (6), perpendiculai- rement à l'axe d'aimantation (7) et l'aimant (6), lesdites pièces polaires (8,9) ayant des bras (10,11) débordant des faces polaires (N, S), au moins une (8) des pièces polaires ayant des bras (10) cambrés à angle droit pour définir, avec au moins un bras (11a) de l'autre pièce polaire (9), deux zones d'entrefer disposées de part et d'autre de l'axe d'aimantation (7), en ce que l'âme de la bobine (1) a une section rectangulaire occupée par l'aimant (6) et les pièces polaires (8,9), l'axe d'ai- mantation (7) étant perpendiculaire à l'axe (3) de la bobine, en ce que les zones d'entrefer sont disposées aux deux extrémités de la bobine (1), et en ce que des parties planes (14a, 14b) de la culasse (4), parallèles à l'axe d'aimantation (7), pénètrent chacune respective- ment dans une zone d'entrefer, de sorte que, pour au - moins une position stable du noyau-plongeur, une partie plane de la culasse soit en contact avec une des pièces polaires tandis que l'autre partie plane soit en contact avec l'autre pièce polaire. 2. Electro-aimant selon la revendication 1, à deux positions stables en l'absence d'excitation de la bobine, caractérisé en ce que chaque pièce polaire (8,9) forme deux bras (10a, 10b et respectivement lia, 11b) s'étendant respectivement de part et d'autre de l'axe d'aimantation (7), en ce qu'au moins une pièce polaire (8) a des extrémités (12a, 12b) de ses bras (10a, lOb) cambrées à angle droit et en ce que les extrémités (12a, 12b) d'une pièce polaire (8) sont cambrées au-delà des bras de l'autre pièce polaire (9) par rapport à l'axe d'aimantation (7). 3. Electro-aimant selon la revendication 1, à une seule positionstable en l'absence d'excitation de la bobine, caractérisé en ce qu'une pièce polaire (9) forme un bras unique (11a) s'étendant d'un premier côté de l'axe d'aimantation (7), tandis que l'autre pièce polaire (8) a, du premier côté de l'axe d'aimanta- tion (7), un bras (10a) dont l'extrémité (12a) est cam- brée à angle droit au-delà dudit bras unique (11a) de la pièce polaire (9) par rapport à l'axe d'aimantation (7), et dudeuxièmecôté de l'axe d'aimantation (7), deux bras (lOb, 10c) magnétiquement réunis, dont les extrémi- tés (12b, 12c) sont respectivement cambrées à angle droit l'une (12b) audelà de l'autre (12c) par rapport à l'axe d'aimantation (7). 4. Electro-aimant selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la culasse (4)-est constituée par deux demi-culasses (4a, 4b) en forme d'U, s'embol- tant d'une manière réglable l'une dans l'autre de façon à pouvoir régler l'écartement entre les parties planes (14a, 14b) des demi-culasses (4a, 4b). 5. Electro-aimant selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'équipage mobile est muni d'une tige de guidage (17) disposée suivant l'axe (3) de la bobine (1), coulissant dans des paliers (18a, 18b) fixés sur des étriers (19a, 19b) qui sont fixés respectivement sur chaque demi-culasse (4a, 4b). 6. Electro-aimant selon ia revendication 5, caractérisé en ce que l'équipage mobile comprend deux aimants (6a, 6b) à axes parallèles, entre lesquels 1 1 passe la tige de guidage (17), et en ce que les aimants (6a, 6b) sont immobilisés par des plaques (15a, 15b) dis- posées perpendiculairement à la tige de guidage (17) et comportant des languettes (16a,b,c,d) serties dans des trous ou des fentes des pièces polaires (8,9). 7. Electro-aimant selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un ressort à boudin à compression (22) est disposé sur la tige de guidage (t7), entre d'une part, le corps de l'équipage mobile et, d'autre part une rondelle (23) appliquée par ledit ressort (22) contre un épaulement (24) de la tige de guidage (17) et en ce que, un peu avant la fin de la course de l'équipa- ge mobile vers une de ses positions extrêmes, ladite rondelle (23) rencontre une butée fixe (27).