Brevet FR2520152A1 — publié le 19830722

La présente invention concerne un électro- aimant à équipage mobile à aimant permanent et présen- tant un fonctionnement monostable. Les appareils de ce genre comprennent généra- lement une ou plusieurs bobines entourant partiellement un circuit magnétique qui comprend lui-même une culasse fixe et une armature mobile Cette armature se compose d'un aimant permanent portant sur ses faces polaires des pièces polaires débordant de part et d'autre de l'axe d'aimantation de l'aimant Ces pièces polaires consti- tuent, avec les extrémités de la culasse fixe, deux zones d'entrefer o se développent des forces magnétiques qui tendent à déplacer l'armature vers l'une ou l'autre de Ses positions extrêmes, suivant l'excitation de la bobine. Dans ce qui précède, on a considéré arbitrai- rement la culasse comme fixe et l'armature comme mobile, mais il est bien entendu que cette mobilité doit être considérée comme relative et que les appareils envisagés ici peuvent aussi bien avoir une culasse mobile et une armature fixe. Un tel appareil fonctionne évidemment de façon bistable, puisque, dans chacune des positions extrêmes de l'armature, le circuit magnétique est fermé sur l'aimant permanent. On a cherché à obtenir un fonctionnement monos- table en réalisant l'un des entrefers de telle manière quedans l'une des positions extrêmes de l'armature, le flux de l'aimant permanent ne passe pas par cet entrefer, ce qui empêche le verrouillage stable dans cette posi- tion Il est toutefois nécessaire, en raison d'une réma- nence éventuelle, de prévoir un moyen de rappel, tel qu'un ressort, pour vaincre cette rémanence et permettre de déplacer l'armature jusqu'au point de sa course o le rappel par l'aimant lui fera terminer cette course jus- qu'à sa position extrême de repos, compte tenu éventuellement de la pesanteur. La mise en place d'un tel ressort présente des complications de montage et de réglage De plus, dans le cas d'un relais ou d'un contacteur, si cette force de rappel est donnée en partie par la réaction de compres- sion de contacts électriques, l'usure des contacts au cours de la durée de vie de l'appareil peut diminuer la force de rappel jusqu'à provoquer un défaut de fonctionne- ment par rémanence. On connaît également des électro-aimants monos- tables faisant intervenir des dispositifs électroniques incluant notamment des condensateurs La complexité et le coût de ces appareils sont évidents. La présente invention vise à réaliser un électro-aimant du type précité à fonctionnement monosta- ble qui soit d'une construction simple et économique et d'un fonctionnement parfaitement fiable. Ce résultat est obtenu, conformément à l'in- vention, au moyen d'un second aimant permanent intercalé dans la culasse fixe avec une polarité telle que l'arma- ture soit sollicitée vers l'une prédéterminée de ses positions extrêmes quand la bobine n'est pas excitée. Cette position, qui se définit donc comme une position de repos, est une position stable, verrouillée par la mise en série des deux aimants dans le circuit formé par la culasse et l'armature Quand la bobine est excitée, dans un sens convenable, l'armature est amenée dans son autre position extrême et y reste tant que la bobine est excitée, pour revenir en position de repos quand l'excitation cesse. Suivant une réalisation préférée de l'inven- tion, dans toutes les positions des aimants, ceux-ci sont séparés l'un de l'autre par la bobine. Quand on excite la bobine, le flux qu'elle crée s'oppose au flux de l'aimant fixe et oblige ce dernier flux à se fermer autrement que par l'aimant per- manent, déverrouillant ainsi la position de repos. Suivant une première forme de réalisation de l'invention, la culasse comprend deux demi-culasses se recouvrant partiellement et enveloppant chacune une extré- mité de la bobine pour coopérer avec des pièces polaires planes dont une au moins a ses extrémités cambrées, les- dites pièces polaires étant mobiles transversalement à l'axe de l'aimant mobile, et l'aimant fixe-est assujetti entre les parties des demi-culasses qui se recouvrent. De préférence, la pièce polaire ayant ses extré- mités cambrées est alors en deux parties raccordées en biseau, de manière à faciliter un réglage précis de la distance entre les extrémités cambrées, malgré une tolé- rance relativement large sur les cambrures. Suivant une deuxième forme de réalisation de l'invention, le circuit magnétique comprend deux noyaux réunis magnétiquement par une de leurs extrémités, et deux culasses fixées aux autres extrémités des noyaux pour coopérer avec des pièces polaires planes mobiles parallè- lement à l'axe de l'aimant mobile, et l'aimant fixe est intercalé sur la liaison magnétique entre les deux noyaux. Suivant une troisième forme de réalisation de l'invention, le circuit magnétique comprend deux noyaux réunis magnétiquement par une de leurs extrémités, l'ar- mature étant montée rotative autour d'un axe parallèle aux noyaux pour faire coopérer les pièces polaires avec les extrémités libres des noyaux, et l'aimant fixe est intercalé sur la liaison magnétique entre les noyaux. Dans ces trois formes de réalisation, l'aimant mobile est avantageusement surmoulé avec les pièces polai- res dans un matériau plastique pour constituer l'arma- ture. Suivant une réalisation perfectionnée de l'invention, les puissances respectives de l'aimant mobile et de l'aimant fixe sont déterminées de manière que le flux résultant de ces aimants complétés par leurs pièces polaires et culasses soit sensiblement nul dans les entre- fers fermés quand l'armature mobile est dans sa position extrême de travail, la bobine n'étant pas excitée. D'autres particularités et avantages de l'in- vention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue en coupe longitudi- nale, suivant I-I de la figure 2, d'un électro-aimant conforme à l'invention, dans une première forme de réali- sation; la figure 2 est une vue de l'armature suivant Il-Il de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1; les figures 4 à 7 sont des schémas simplifiés de l'électro-aimant des figures 1 à 3, destinés à expliquer son fonctionnement; la figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un électro-aimant conforme à l'invention, dans une deuxième forme de réalisation; les figures 9 et 10 sont des vues partielles destinées à expliquer le fonctionnement de l'électro- aimant de la figure 8; la figure 11 est une vue en élévation d'un électroaimant conforme à l'invention, dans une troisième forme de réalisation; la figure 12 est une vue en coupe suivant XII-XII de la figure 11; la figure 13 est une vue suivant XIII-XIII de la figure 11; z 20 152 la figure 14 est une vue en coupe suivant XIV-XIV de la figure 11; la figure 15 est une vue en coupe suivant XV-XV de la figure 11. En référence aux figures 1 à 3, un électro- aimant conforme à l'invention comprend une bobine 1 enroulée sur une carcasse 2 présentant une cavité axiale 3 sensiblement rectangulaire dans laquelle est montée à coulissement libre une armature 4. L'armature 4 est représentée sur la figure 1 en position moyenne, ce qui ne correspond pas, comme on le verra plus loin à une position stable de fonctionnement. Cette armature comprend un aimant permanent 5 dont l'axe magnétique Nord-Sud est sensiblement perpendi- culaire à la direction de coulissement de l'armature et qui porte sur ses faces polaires des pièces polaires res- pectives 6 et 7 collées sur lui La pièce polaire 7 a ses extrémités 7 a et 7 b cambrées sensiblement à 90 pour venir vis-à-vis des extrémités 6 a, 6 b de la pièce polaire 6. L'ensemble de l'armature, à l'exception des extrémités des pièces polaires, est surmoulé dans un bloc 8 de maté- riau plastique. La pièce polaire 7 est en deux parties 71, 72 raccordées suivant un biseau 73 (figure 2), ce qui permet, avant l'opération de surmoulage, de définir avec préci- sion la distance entre les extrémités cambrées 7 a, 7 b, ainsi que leurs positions relativement aux extrémités 6 a, 6 b de la pièce polaire 6. Deux demi-culasses 9 a, 9 b enveloppent chacune une extrémité de la bobine 2 et se recouvrent partielle- ment à l'extérieur de la bobine pour serrer entre elles un aimant permanent 11 L'assemblage est réalisé par surmoulage et l'ensemble de la zone derecouvrement des deux demi-culasses est compris dans un bloc 12 de maté- riau plastique. La polarité de l'aimant 11 est déterminée de manière que l'armature 4 soit sollicitée vers l'une de ses positions extrême quand la bobine n'est pas excitée. Avec-les polarités indiquées sur la figure 1, cette posi- tion sera la position haute (sur la figure) de l'arma- ture et sera, par définition, la position de repos. Dans cette position, l'extrémité 6 b de la pièce polaire 6 vient au contact de la demi-culasse 9 b et l'extrémité cambrée 7 a de la pièce polaire 7 vient au contact de la demi-culasse 9 a, de sorte que, dans le cir- cuit magnétique ainsi fermé, les deux aimants permanents sont en série (figure 41. Bien entendu, les pièces polaires 6 et 7 sont dimensionnées et positionnées de manière que les deux contacts précités aient lieu simultanément, notamment grâce aux dispositions exposées en référence à la figure 2. On remarque qu'il résulte de cette description que, dans toutes leurs positions relatives, les aimants 5 et 11 sont séparés l'un de l'autre par la bobine. On va maintenant décrire en détail, en réfé- rence aux figures 4 à 7, le fonctionnement de cet électro- aimant. Dans la position de repos (figure 4), on a vu plus haut comment l'armature 4 était sollicitée par une force F dirigée vers le haut dans le cas de figure, le flux passant à l'intérieur de la bobine étant également dirigé vers le haut. Quand on excite la bobine a partir de cette position de repos (figure 5) de manière à lui faire émettre, par hypothèse, un flux dirigé vers le bas, le flux de l'aimant fixe 11 est contrarié et doit se réfer- mer sur lui-même (flèches 13), ce qui est facilité par la faible distance entre les demi-culasses 9 a et 9 b. Cet effet est notamment dé au fait que les deux aimants sont séparés l'un de l'autre par la bobine. Le flux de la bobine se ferme notamment par la demi-culasse 9 b qui se trouve polarisée Nord, de même que la pièce polaire 6 L'entrefer fermé 9 b-6 b est donc le siège de forces de répulsion Il en est de même, pour la même raison, de l'entrefer fermé 9 a-7 a. Corrélativement il apparaît des forcés d'attrac- tion dans les entrefers ouverts 6 a-9 a et 7 b-9 b, par suite de la mise en série du flux de l'aimant mobile 5 et du flux de la bobine Ce dernier flux se ferme par l'entre- fer fixe existant entre les deux demi-culasses. La force appliquée à l'armature 4 est donc dirigée vers le bas et déplace cette armature vers sa position extrême de travail (figure 6) Dans cette posi- tion, les forces d'attraction ont considérablement aug- menté par la fermeture des entrefers 9 b-7 b et 9 a-6 a, alors que les forces de répulsion ont diminué par l'ouver- ture des entrefers o elles s'exercent. Quand on coupe l'excitation de la bobine (figure 7), le flux de l'aimant fixe Il cesse d'être con- trarié par le flux de la bobine et peut s'écouler normale- ment par la demi-culasse 9 a pour atteindre la pièce polaire 7 à travers l'entrefer ouvert 9 a-7 a Il en est de même à travers l'entrefer 9 b-6 b Les deux aimants se retrouvent donc en série En outre, des forces de répulsion apparais- sent dans les entrefers fermés et sollicitent l'armature vers le haut L'armature se déplacera donc pour venir occuper la position de la figure 4 (repos). On constate, sur les figures 6 et 7, que les entrefers fermés en position de travail occupent une position dissymétrique par rapport aux aimants respectifs. Les réluctances respectives à vaincre sont donc différen- tes Or, il importe, pour éviter toute rémanence nuisible quand on coupe l'excitation, que le flux résultant soit sensiblement nul dans ces entrefers Les puissances res- pectives des deux aimants sont calculées à cet effet. Dans l'exemple décrit, la puissance de l'aimant fixe 11 est plus grande que celle de l'aimant mobile 5. On va maintenant décrire, en référence à la figure 8, une seconde forme de réalisation de l'invention. Dans cette réalisation, deux bobines 101 a, 101 b d'axes parallèles ont chacune un noyau coaxial, res- pectivement 102 a et 102 b A l'une de leurs extrémités, ces noyaux sont fixés à des plaques 121 a, 121 b elles-mémes réunies l'une à l'autre par une plaque 122 avec interpo- sition de deux aimants permanents Illa, 1 llb pour consti- tuer une liaison magnétique permanente entre les noyaux. Les polarités de ces aimants sont disposées de manière que les aimants soient en série. A son extrémité libre, le noyau 102 a porte une culasse 109 a De même, le noyau 102 b porte, à son extrémité libre, deux culasses 109 b 1 et 109 b 2 séparées par une entretoise 123. Une armature mobile 104 est constituée par un aimant permanent 105 sur les faces polaires duquel sont collées deux pièces polaires 106 et 107, l'axe magnétique de l'aimant 105 étant parallèle aux axes des noyaux, et l'armature étant mobile parallèlement à cet axe. Les pièces polaires 106 et 107 présentent des extrémités débordantes 106 a, 107 a qui s'étendent de part et d'autre de la culasse 109 a de manière à entrer en contact avec cette culasse en deux positions extrèmes de l'armature. Les culasses 109 bl et 109 b 2 s'étendent latéra- lement de part et d'autre de l'armature 104 de manière à venir en contact avec les extrémités 106 b, 107 b des pièces polaires 106, 107 dans les positions extrêmes précitées de l'armature La simultanéité des contacts est assurée par un dimensionnement convenable de l'entre- toise 123. Le fonctionnement de cet électro-aimant est analogue à celui décrit plus haut et définit une position de repos (figure 9), dans laquelle, les bobines n'étant pas exditées, les trois aimants sont en série à travers la liaison magnétique permanente, les noyaux, les culas- ses et les pièces polaires. Inversement, quand les bobines sont excitées dans un sens convenable, l'armature 104 vient dans une position extrême de travail (figure 10) qui cesse d'être stable quand l'excitation des bobines cesse. Comme dans la réalisation précédente, les aimants fixes llla, lllb sont séparés de l'aimant mobile par les bobines, de manière à contrarier le flux des aimants fixes au moment o l'on excite les bobines. En référence aux figures 11 à 15, un électro- aimant conforme à l'invention, dans une troisième forme de réalisation, est utilisé dans un relais et comprend deux bobines 201 a, 201 b entourant chacune un noyau 202 a, 202 b d'axes parallèles. Les bobines sont fixées sur une plaque 231 solidaire d'un socle 232 d'o sortent des cosses 233 ser- vant à l'alimentation des bobines. Les noyaux débordent largement de la plaque 231 pour former des culasses 209 a, 209 b venant s'insérer entre les branches d'une armature 204 en H Cette arma- -ture se compose d'un aimant permanent 205 et de pièces polaires 206, 207 collées sur ses faces polaires L'en- semble est introduit dans un bloc de matériau plastique 208 monté sur un pivot 234 solidaire de la plaque 231 et sur un pivot 235 solidaire d'un bras 236 fixé au socle 232. Par leurs extrémités opposées, les noyaux sont réunis par deux plaques 221, 222 entre lesquelles est inséré un aimant permanent 211 La polarité de cet aimant est déterminée, en corrélation avec celle de l'aimant 205, de manière que, dans une des deux positions angulaires extrêmes de l'armature 204, ces deux aimants soient en O série et définissent une position stable de repos Avec les polarités indiquées, à titre d'exemple, sur les figu- res 11 et 12, cette position de repos sera celle o la pièce polaire 206 viendra se coller sur la culasse 209 a, la pièce polaire 207 venant se coller sur la culasse 209 b en fermant le circuit magnétique. Sur l'excitation des bobines qui aimante Nord la culasse 209 a et Sud la culasse 209 b, des forces de répulsion provoquent la rotation de l'armature vers sa position extrême opposée, qui est la position de travail. Dès que l'excitation cesse, l'armature revient à sa posi- tion de repos suivant le processus décrit plus haut. L'armature porte des lames souples 237, 238, qui sont munies de contacts mobiles 239 coopérant avec des contacts fixes 241 reliés à des cosses de sortie 242. On remarquera que, suivant une disposition ana- logue à celle des réalisations précédentes, les bobines séparent l'aimant fixe de l'aimant mobile. L'invention permet de réaliser de façon simple et économique un électro-aimant monostable de fonctionne- ment sûr. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais couvre toute variante accessible à l'homme de l'art. 2 z 20152 REVENDICATIONS 1 Electro-aimant à équipage mobile à aimant permanent, présentant un fonctionnement monostable, com- prenant au moins une bobine ( 1; 10 la, 101 b; 201 a, 201 b) entourant partiellement un circuit magnétique qui comporte une culasse fixe ( 9 a,9 b; 109 a,109 b; 209 a,209 b) et une arma- ture mobile ( 4,104,204), cette armature comprenant un aimant permanent ( 5,105,205) portant sur ses faces polai- res des pièces polaires ( 6,7; 106,107; 206,207) débordant de part et d'autre de l'axe d'aimantation de l'aimant pour constituer, avec les extrémités de la culasse fixe, deux zones d'entrefer o se développent des forces magné- tiques tendant à déplacer l'armature vers l'une ou l'au- tre de ses positions extrêmes suivant l'excitation de la bobine, caractérisé en ce qu'il comprend un second aimant permanent ( 11; 111 a, 111 b; 211) intercalé dans la culasse fixe avec une polarité telle que l'armature soit sollici- tée vers l'une prédéterminée de ses positions extrêmes quand la bobine n'est pas excitée. 2 Electro-aimant conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, dans toutes les positions rela- tives des aimants, ceux-ci sont séparés l'un de l'autre par la bobine. 3 Electro-aimant conforme à l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que la culasse com- prend deux demi-culasses ( 9 a,9 b) se recouvrant partielle- ment et enveloppant chacune une extrémité de la bobine ( 1) pour coopérer avec des pièces polaires planes ( 6,7) dont une au moins a ses extrémités ( 7 a,7 b) cambrées, les- dites pièces polaires étant mobiles transversalement à l'axe de l'aimant mobile ( 5), et en ce que l'aimant fixe ( 11) est assujetti entre les parties des demi-culasses qui se recouvrent. 4 Electro-aimant conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce polaire ( 7) ayant ses extrémités cambrées est en deux parties ( 71,72) raccor- dées en biseau. Electro-aimant conforme à l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magné- tique comprend deux noyaux ( 102 a,102 b) réunis magnétique- ment par une de leurs extrémités, et deux culasses ( 109 a; 109 bl,109 b 2) fixées aux autres extrémités des noyaux pour coopérer avec des pièces polaires planes ( 106,107) mobiles parallèlement à l'axe de l'aimant mobile, et en ce que l'aimant fixe ( 111 a,lllb) est intercalé sur la liaison magnétique ( 121 a,121 b,122) entre les deux noyaux. 6 Electro-aimant conforme à l'une des reven- dications '1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magné- tique comprend deux noyaux ( 202 a,202 b) réunis magnétique- ment par une de leurs extrémités, l'armature ( 204) étant montée rotative autour d'un axe parallèle aux noyaux pour faire coopérer les pièces polaires ( 206,207) avec les extrémités libres ( 209 a,209 b) des noyaux, et en ce que l'aimant fixe ( 211) est intercalé sur la liaison magnéti- que ( 221,222) entre les noyaux. 7 Electro-aimant conforme à l'une des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que l'aimant mobile est surmoulé avec les pièces polaires dans un bloc ( 8,208) de matériau plastique pour constituer l'armature. 8 Electro-aimant conforme à l'une des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que les puissances res- pectives de l'aimant mobile ( 5,105,205) et de l'aimant fixe ( 11;llla, lllb; 211) sont déterminées de manière que le flux résultant de ces aimants complétés par leurs piè- ces polaires et culasses soit sensiblement nul dans les entrefers fermés quand l'armature mobile ( 4,104,204) est dans sa position extrême de travail, la bobine n'étant pas excitée.