Brevet FR2535107A1 — publié le 19840427

Percuteur à grande sensibilité La présente invention est relative à un percuteur électromé- canique destiné à libérer sous l'action d'un signal électrique une énergie mécanique préalablement emmagasinée dans un ressort bandé Un tel percuteur est utilisé pour le déclenchement d'un disjoncteur à l'apparition d'un défaut, le signal électrique étant élaboré à partir des résultats de mesures électriques effectuées sur le circuit élec- trique à protéger. De tels percuteurs ont déjà été conçus et réalisés Le brevet français 1 592 767 décrit notamment un percuteur comprenant un gros ressort maintenu bandé par une pièce déplaçable sous l'action d'une énergie mécanique de faible valeur, cette énergie étant produite par un deuxième organe mobile possédant une énergie potentielle mécanique libérée par l'action d'un courant électrique. Le deuxième organe mobile est une pièce métallique comprimant un petit ressort, maintenue par un aimant et libérée par l'action d'un courant dans un bobinage qui crée un flux magnétique s'opposant à celui de l'aimant. Un tel percuteur présente un certain nombre de défauts. Le grand nombre de pièces qu'il contient en fait un appareil de prix de revient élevé: par ailleurs il est difficile d'obtenir des caractéristiques répétitives d'un appareil à l'autre, notamment en raison des dispersions des caractéristiques des ressorts et de la complexité de l'organe mécanique de maintien de la tige de percussion. La corrosion des pièces peut amener des incidents de fonctionnement. Pour pallier ces inconvénients, la Demanderesse a conçu et décrit, dans le brevet français N O 7 738-236 déposé le 19 12 77 ayant pour titre "Percuteur", un percuteur du type comprenant une tige de percussion coulissante capable de prendre une position fixe dans laquelle la tige maintient bandé un ressort, la position fixe de la tige étant obtenue par attraction magnétique au moyen d'un circuit magnétique à aimant permanent, et une bobine électrique permettant d'annuler ladite attraction pour permettre la détente du ressort qui entratne la tige, le circuit magnétique comprenant, d'une part, deux pièces polaires enfilées sur ladite tige, l'une fixe en contact avec -2- l'aimant, l'autre mobile, lesdites pièces polaires comprenant chacune un épaulement venant respectivement en contact avec l'une et l'autre extrémité d'un ressort enfilé sur la tige, et d'autre part, un bottier entourant les pièces polaires et possédant un fond en contact avec l'aimant et un couvercle muni d'un orifice par o dépasse la tige, la tige présentant un renflement permettant sa solidarisation en transla- tion avec la pièce mobile, ladite bobine entourant les pièces polaires. Un tel percuteur présente de nombreux avantages. Il y a peu de pièces, elles sont d'un usinage facile et peu sujettes à usure L'absence d'étage mécanique permet un fonctionnement sûr et une reproductibilité des performances, d'un appareil à l'autre. Le prix de revient est modeste. L'ensemble est peu sensible à la corrosion. Malgré cela, le percuteur précité ne répond pas aux nouvelles exigences de fonctionnement imposées par les exploitants de réseaux. D'une part, les exploitants exigent un niveau de l'énergie déve- loppée par la pièce mobile supérieur à celui qu'on peut obtenir des percuteurs des types précités Ce niveau est de l'ordre de 30 N cm, alors que les percuteurs des types précités n'atteignent que 10 N cm. Par ailleurs, les cahiers des charges octroient une valeur très faible au courant devant alimenter la bobine du percuteur lors du fonctionnement du percuteur; or, on ne doit pas, toujours selon les cahiers des charges exigés, multiplier les ampères-tours de la bobine, sous peine de devoir augmenter la dimension de celle-ci au-delà de certaines valeurs limites imposées. Un but de la présente invention est de réaliser un percuteur de faible volume, libérant une énergie importante sous l'action d'une faible énergie électrique. Un autre but de l'invention est de réaliser un percuteur à fort degré d'insensibilité aux chocs, de manière à ne pas libérer intempes- tivement son énergie en l'absence de signal électrique On souhaite en particulier que le percuteur reste insensible à toute accélération Jusqu'à valeur de 100 g. La présente invention a pour objet un percuteur destiné à -3- libérer une énergie mécanique sous l'action d'un signal électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un bottier métallique cylindrique avec un fond, en matériau perméable au flux magnétique, le boîtier comportant à son intérieur un pilier cylindrique axial s'étendant depuis le fond sur une partie de la longueur du bottier, un bobinage électrique disposé coaxialement audit pilier et l'entourant, un noyau magnétique fixe cylindrique coaxial au bottier, placé dans le prolon- gement de la bobine, ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du bottier et présentant à une extrémité un épaulement par lequel il est en contact avec la surface latérale intérieure du bottier, un aimant sous forme de bande en caoutchouc aimanté enroulée en cylindre et placée entre la surface intérieure du bottier et la surface latérale du noyau fixe, un ressort ayant même axe que la bobine et le palier et prenant appui par une première extrémité sur un élément fixe (fond ou noyau fixe), et un noyau mobile pouvant coulisser dans le noyau fixe et présentant un épaulement sur lequel appuie une seconde extrémité du ressort, le noyau présentant une extrémité plane venant s'appuyer sur l'extrémité plane du pilier avec une force d'attraction magnétique due au passage des lignes de forces magnétiques créées par l'aimant, ladite force s'opposant à la force antagoniste du ressort, le noyau magnétique poussant, dans son déplacement qui -survient lor- sque le flux de l'aimant est contrebalancé par le flux de la bobine, la force du ressort devenant alors supérieure à la force magnétique, une tige de percussion traversant un couvercle du bottier en matériau amagnétique. L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un mode préféré de réalisation en référence au dessin annexé dans lequel: la figure i est une vue en coupe axiale d'un percuteur selon l'inven- tion, en position armée, la figure 2 est une vue en coupe axiale du même percuteur après fonctionnement. la figure 3 est une vue en coupe axiale du percuteur montrant les lignes de force dues à l'aimant, la figure 4 est une vue en coupe axiale du percuteur montrant les -4 - lignes de forces dues à la bobine, la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale et la figure 6 une vue partielle en coupe transversale d'un percuteur selon une variante de réalisation des moyens de réglage. la figure 7 est une vue en coupe axiale d'un percuteur selon une variante de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un percuteur selon un premier mode de réalisation Le percuteur est entièrement de révolu- tion cylindrique. Il comprend un bottier cylindrique 1 muni d'un fond 2 et d'un pilier cylindrique central 3 partant du fond et s'étendant sur une longueur comprise entre le 1/3 et la moitié de la longueur du bottier. Le bottier, son fond et le pilier sont de préférence réalisés d'une seule pièce métallique monobloc; le métal choisi est de préfé- rence un fer doux On obtient de la sorte une partie de circuit magné- tique de faible réluctance Si on réalise cependant un bottier avec fond serti, il sera nécessaire d'accrottre le nombre des spires du bobinage pour tenir compte de la réluctance supplémentaire due à l'en- trefer Entre bottier et fond autour du pilier sont disposés, coaxia- lement, un ressort 4 dont une extrémité 4 A s'appuie sur le fond 2, et un bobinage 5, qui occupe tout le volume entre le ressort et la paroi latérale du bottier La longueur 1 du bobinage et la longueur lo du piler sont choisis de telle sorte que la différence d de ces longueurs soit comprise entre le 1/15 et le 1/4 de la longueur lo de telle sorte que la face inférieure du pilier est à l'intérieur de la bobine Des fils d'alimentation 5 A de la bobine passent par un alésage du fond. Le circuit magnétique est complété par un noyau fixe 7, de forme cylindrique présentant un alésage axial La diamètre extérieur du noyau est inférieur au diamètre intérieur du bottier, sauf à une extré- mité ou un épaulement 7 A vient en contact avec la paroi interne du bottier Le noyau fixe 7 vient en butée contre un épaulement 1 A de la- paroi interne du bottier au niveau de l'extrémité de la bobine. L'épaisseur de la paroi latérale du bottier est donc plus faible, mais constante de l'épaulement 1 A jusqu'à son extrémité opposée au fond. -5- Dans l'espace annulaire compris entre le noyau fixe 7 et le bottier 1, est disposé un aimant 8 sous forme d'une bande de caoutchouc aimantée enroulée en cylindre L'aimantation de la bande étant perpendiculaire à la surface de la bande, le fait de la disposer enroulée en cylindre détermine une aimantation radiale. Un noyau mobile 9 est placé dans le noyau fixe; il présente un épaulement 9 A sur lequel prend appui l'extrémité 4 B du ressort 4. Ce noyau mobile, en matériau magnétique doux présente une sur- face d'extrémité plane 9 B qui vient en contact avec l'extrémité du pilier 3. Le flux créé par l'aimant passe dans le noyau fixe 7, la pièce mobile 9, le pilier 3, le fond 2 et se referme par la paroi latérale 1 du bottier. L'induction traversant la surface 9 B produit une force de collage du noyau 9 sur le pilier; cette force s'oppose à celle du reom:-rt qui est bandé dans la position de la fîgure 1. Les lignes de forces de l'aimant 8 se referment partiellement par l'épaulement 7 A du noyau 7 sans traverser la surface 9 B. Les dispositions qui viennent d'être décrites permettent, sous un encombrement relativement réduit, d'avoir une surface de contact entre l'aimant 8 et le circuit magnétique beaucoup plus grande que dans les percuteurs précédemment décrits Il en résulte un flux magné- tique important, et done une grande force de collage. Ce flux de collage volontairement surabondant est shunté au niveau de l'épaulement 7 A. Ceci permet de diminuer la réluctance du circuit magnétique pour les lignes de forces générées par la bobine (figure 4), donc les ampère E-tours de commande du flux antagoniste Ce flux n'a plus à pdesesr dans l'aimant dont la réluctanee est importante et voisine de celle de l'air. La grande surface de l'aimant avec le circuit magnétique permet de travailler à des faibles niveaux d'induction Les Jeux et les états de surface dans cette zone de contact ne sont par conséquent pas critiques. On soigne particulierament l'état surface des faces de -6 - l'épaulement TA en contact avec le bottier de manière à diminuer la valeur de la réluctance de l'entrefer correspondant De même, l'extré- mité 9 B du noyau mobile sera rectifiée avec soin et éventuellement nickelée, de manière que l'entrefer constitué avec la surface d'extré- mité du pilier 3 ait une réluctance aussi faible que possible. Le percuteur est complété par une tige de percussion 11, traver- sant un couvercle 13 du bottier en matériau amagnétique. Le fonctionnement du dispositif est le suivant: en l'absence de courant dans la bobine, le noyau mobile 9 et le pilier 3 sont au contact, attirés magnétiquement dans le circuit magnétique comprenant l'aimant 8, le noyau fixe 7 et le noyau mobile 9 et se refermant par le fond 2 et la surface latérale du bottier avec un très faible entrefer 9 B La force magnétique de contact est suffisante pour maintenir bandé le ressort 4. Une impulsion, de sens convenable, dans la bobine, crée un flux magnétique qui, (figure 4) dans l'entrefer 9 B, est opposé à celui créé par l'aimant (figure 3) La force de collage devient inférieure à celle du ressort qui se détend (figure 2) et entraîne par son épau- lement 9 A, le noyau mobile 9 qui entraine lui-même la tige de percus- sion 11. La tige de percussion commande les organes de fermeture du disjoncteur. On notera que pour rendre l'appareil insensible aux chocs ou vibrations et éviter les fonctionnements intempestifs, on allège au maximum le noyau mobile; on peut en outre le désolidariser de la tige 11 comme il est montré dans le brevet français 7 738 236 précité. Le réglage de l'appareil (ajustages des forces magnétiques de collage et mécanique du ressort) se fait par divers moyens dont il est donné ci-après plusieurs exemples. On pourra grouper deux de ces moyens, ou les trois, ou en utiliser un seul. Le premier moyen consiste à régler la force mécanique du ressort 4 en plaçant à une de ses extrémités une ou plusieurs rondelles d'épaisseur calibrées telles que 30 On mesure la force de collage du ressort au moyen d'un dynamomètre fixé au noyau mobile La -7- connaissance des caractéristiques du ressort permet d'établir un abaque ou une table donnant l'épaisseur totale de rondelles à mettre en place. Un second moyen de réglage est fondé sur les considérations suivantes: Le flux généré par l'aimant 8 dans le circuit magnétique dépend entre autre de sa surface de contact avec le noyau fixé 7. Un moyen de réglage de la force de collage du noyau mobile 9 consiste à enfoncer progressivement l'aimant annulaire 8 avant la mise en place du couvercle amagnétique 13. On enfonce donc progressivement l'aimant autour du noyau 7. L'outillage peut comprendre un tube poussant l'aimant et manoeuvré par ur e vis micrométrique Un dynamomètre exerce une trac- tion sur le noyau 9. On détermine ainsi avec précision le position de l'aimant qui donne la force de collage souhaitée Ce cernier est alors immobilisé au moyen d'une ou plusieurs vis 21 traversant la paroi 1 par un alésage 20 et coinçant l'aimant sur le noyau. Le couvercle amagnétique 13, placé ensuite, ne perturbe pas le reglage. Un troisième moyen consiste à régler la force de collage au moyen de shunt additionnel (voir figures 5 et 6) On applique sur 1 l extrémité inférieure du noyau fixe une ou plusieurs pièces métalliques telles que 40 Ces pièces, en fer doux, de préférence, en forme de secteur cîroulaire (voir figure 6) servent de shunt magnétique en diminuant l'induction créée par l'aimant dans le noyau mobile 9 et en réduisant la réluctance pour le flux créé par la bobine. Bien entendu pour cela la longueur de l'aimant doit être telle que 2 on extrémité intérieure ne dépasse pas ou mieux, soit légèrement en retrait de l'extrémité intérieure du noyau fixe. L'appareil peut comprendre une seconde bobine, coaxiale à la bobine 5, pour le réarmement électrique du percuteur (non représentée dans le d:ssin). La figure 7 représente, en coupe un percuteur selon une variante -8 de réalisation. Le noyau fixe 7 et le bottier 1 forment un seul bloc obtenu par tout moyen connu. Cette disposition permet de s'affranchir des dispersions de réluctance entre le noyau 7 et le bottier 1 On obtient la réluctance nécessaire non plus par la longueur difficilement reproductible d'un entrefer, mais par le choix de la hauteur L qu'il est facile d'ajuster une fois pour toute pour une induction bien définie. Le ressort 8 prend appui sur la partie inférieure du noyau fixe 7 Cette disposition présente plusieurs avantages: elle permet d'augmenter le diamètre de la bobine, donc le volume de cuivre et donc pour un même nombre d'ampère-tours, de diminuer le courant et l'énergie de commande, elle permet d'utiliser un ressort à caractéristique plus plate, c'est-àdire ayant une force de répulsion en position enclenchée plus faible pour une même force en position déclenchée. Cette diminution de force de répulsion du ressort se traduit également par une baisse des ampères-tours de fonctionnement pour une même tenue aux chocs mécaniques. On évite le shuntage partiel provoqué par les spires magnétisées du ressort les lignes de force les traversant au voisinage de la jonction des pièces 3 et 9. -9- REVENDICATIONS 1/ Percuteur destiné à libérer une énergie mécanique sous l'action d'un signal électriques caractérisé en ce qu'il comprend un bottier métallique cylindrique ( 1) avec un fond ( 2), en matériau perméable au flux magnétique,le bottier comportant à son intérieur un pilier ( 3) cylindrique axial s'étendant depuis le fond sur une partie de la lon- gueur du bottier, un bobinage électrique ( 5) disposé coaxialement audit pilier et l'entourant, un noyau magnétique fixe cylindrique ( 7) coaxial au bottier, placé dans le prolongement de la bobine, ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du boîtier et présentant à une extrémité un épaulement (TA) par lequel il est en contact avec la surface latérale intérieure du bottier, un aimant ( 8) sous forme de bande en caoutchouc aimanté enroulée en cylindre et placée entre la surface intérieure du bottier ( 1) et la surface laté- rale du noyau fixe ( 7), un ressort ( 4) ayant même axe que la bobine et le palier et prenant appui par une première extrémité ( 4 A) sur un élément fixe, (fond ou noyau fixe), et un noyau mobile ( 9) pouvant coulisser dans le noyau fixe et présentant un épaulement ( 9 A) sur lequel appuie une seconde extrémité du ressort, le noyau présentant une extrémité plane ( 9 B) venant s'appuyer sur l'extrémité plane du pilier ( 3) avec une force d'attraction magnétique due au passage des lignes de forces magnétiques créées par l'aimant, ladite force s'oppo- sant à la force antagoniste du ressort, le noyau magnétique poussant, dans son déplacement qui survient lorsque le flux de l'aimant est contrebalancé par le flux de la bobine, la force du ressort devenant alors supérieure à la force magnétique, une tige de percussion ( 11) traversant ln couvercle du bottier en matériau amagnétique. 2/ Percuteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort ( 4) est disposé entre le pilier ( 3) et la bobine ( 5), et prend appui sur le fond ( 2) par sa première extrémité ( 4 A). 3/ Percuteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bottier 1 présente un rétrécissement de l'épaisseur de sa paroi laté- rale définissant un épaulement ( 1 A) contre lequel le noyau fixé ( 7) vient buter par son épaulement (MA). 2535107. - 4/ Percuteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau fixe ( 7) et le bottier ( 1) forment une seule pièce, le ressort prenant appui par sa première extrémité ( 4 A) sur le noyau ( 7). / Percuteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface latérale du bottier comprend au moins un trou fileté ( 20) dans lequel est placé une vis ( 21) de blocage de l'aimant ( 8). 6/ Percuteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des rondelles ( 30) de réglage de la force du ressort ( 4) disposées à une de ses extrémités. 7/ Percuteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des pièces métalliques ( 40) sont placés au contact de l'extrémité inférieure du noyau fixe ( 7) pour constituer des shunts magnétiques. 8/ Percuteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte disposée coaxialement à la bobine ( 5), une seconde bobine pour le réarmement électrique du percuteur.