Brevet FR2569298A1 — publié le 19860221

ELECTRO-AIMANT POLARISE A FONCTIONNEMENT BI-OU-MONO STABLE. L'invention se rapporte à un électro-aimant polarisé comportant: - une bobine apte à être alimentée en courant continu, - un noyau magnétisable qui est mobile entre deux positions extrêmes longitudinales alternativement occupées grace à un glissement à l'intérieur de la carcasse de cette bobine, et qui présente deux épanouissements polaires externes opposés s'étendant transversalement par rapport à l'axe de la bobine, - une culasse fixe présentant axialement, de part et d'autre de chaque épanouissement une paire de prolongements polaires ayant des polarités magnétiques opposées qui leur sont conférées par des moyens magnétiques permanents placés entre eux et orientés de façon que leurs axes magnétiques soient parallèles au dit axe, lesdits épanouissements venant en coopération avec ces prolongements de façon telle que, pour chacune des deux positions extrêmes, le flux magnétique envoyé par ces moyens magnétiques à travers le noyau soit de sens inverse. Ces électro-aimants présentent un grand intérêt pour l'ac- tionnement des interrupteurs de relais ou de contacteurs o - 2- l'on souhaite une bonne sensiblilité et/ou une économie de courant. Un électroaimant présentant la structure définie ci-dessus est, par exemple, connu par le brevet français N 1 603 300 o il est appliqué à un relais polarisé effectuant la commutation de courants faibles. Dans un tel relais polarisé, la mise en oeuvre d'un aimant permanent de forme annulaire et celle d'un noyau cylindri- que, aux extrémités duquel sont associés concentriquement deux disques parallèles, procure une symétrie des attrac- tions et répulsions magnétique qui se répercute parallèle- ment sur le coulissement du noyau à l'intérieur de la bobine; ce relais présente toutefois l'inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre de deux aimants permanents pour magnétiser les trois pièces distinctes constituant avec eux la culasse fixe du relais. De plus, la situation latérale et totalement excentrique des aimants qui donne à l'ensemble une forme plate de faible épaisseur, définit des proportions qu'il est difficile d'utiliser dans certaines applications. Dans ce relais connu, l'utilisation des deux aimants et des trois pièces a été rendue nécessaire par le fait que ces pièces jouent un rôle accessoire qui est celui de participer avec le noyau à la constitution d'un interrupteur pour courants faibles; à cet effet, les aimants permanents font appel à des céramiques isolantes pour établir un isolement galvanique entre les trois pièces. L'invention se propose d'apporter à ce relais connu, des perfectionnements visant à simplifier sa structure lorsque le noyau est associé directement ou indirectement à un interrupteur séparé nécessitant, pour sa commutation, l'exercice d'une force plus élevée, tout en conservant les avantages dont il peut bénéficier, relativement à la généra- tion des forces d'appel parfaitement concentriques à la bobine. -3- Selon l'invention le but visé est atteint grâce au fait que deux paires de prolongements, de même premier signe, placées symétriquement par rapport à l'axe de la bobine font partie d'une même première pièce de canalisation de flux rectangu- laire entourant une seconde pièce de canalisation de flux qui relie entre eux deux autres paires de prolongements symétriques ayant des signes opposés au premier et qui entoure une bobine dont la carcasse se trouve sensiblement traversée par les axes magnétiques d'aimants permanents disposés au même niveau axial entre des branches de canali- sation de flux transversales. D'autres particularités de l'invention visant l'obtention d'un fonctionnement monostable respectivement celle d'un appareil aisé à monter, ainsi que des variantes de réalisa- tion, seront mieux comprises à la lecture de la description ci-après, avec référence aux dessins annexés, dans les- quels: Les figures 1 et la représentent en perspective deux électro-aimants selon l'invention, ne se différen- ciant l'un et l'autre que par les dispositions relati- ves des deux pièces de canalisation de flux. La figure lb montre une vue en élévation de l'électro- aimant selon la figure 1. La figure 2 illustre, dans une demi-vue coupée en élévation, un électro-aimant présentant la constitu- tion générale visible à la figure 1, mais o- des premières mesures particulières sont prises pour lui conférer un caractère monostable. La figure 2a montre dans une vue en perspective avec arrachement au quart, un électro-aimant ayant une constitution voisine de celle visible à la figure 1, mais o des secondes mesures particulières sont prises pour lui conférer un caractère monostable. Les figures 3, 3a, 3b représentent, dans une vue en élévation coupée par un plan axial, une vue de côté, et une vue de dessus en demi-coupe, un électro-aimant dans lequel sont précisés des moyens d'assemblage de ses différents organes; et La figure 4 montre, dans une demi-vue en élévation, une pièce moulée servant de carcasse de bobine, de support pour ses bornes, et de moyen d'assemblage avec le circuit magnétique fixe. Des positions d'éléments de l'électro-aimant 1 représenté à la figure 1, étant définis par rapport à un axe de symétrie, celui-ci a été représenté par XX' qui constitue également l'axe longitudinal du logement interne 4 d'une carcasse 2 recevant un bobinage 3; dans ce logement coulisse, entre deux positions extrêmes opposées, un noyau magnétisable 5 dont deux extrémités 6 et 7 sont partiellement visibles sur la figure; l'extrémité 6, qui dépasse de la joue 15 de la carcasse reçoit une première palette magnétisable 8 ayant deux épanouissements polaires transversaux externes et symétriques 9, 10, tandis qu'une seconde palette 11 magnéti- sable, ayant deux épanouissements polaires transversaux externes et symétriques 12, 13, se trouve placée sur le noyau entre une joue 14 de la carcasse 2 et l'extrémité 7, cette dernière étant par exemple utilisée pour effectuer la commande d'un interrupteur non représenté; l'appareil ne serait pas changé si le noyau 5 au lieu de s'arrêter au niveau de la seconde palette était prolongé par une exten- sion pour effectuer une commande mécanique. Le noyau et ses deux palettes constituent la pièce mobile de l'électro- aimant et il est clair que la distance séparant les deux palettes autorise leur déplacement longitudinal entre les deux positions extrêmes opposées. Dans l'une des positions extrêmes, la palette 11 repose sur une branche transversale 16 externe appartenant à une pre- mière pièce de canalisation de flux 17 en forme de cadre - 5rectangulaire, tandis que la palette 8 repose sur une branche transversale interne 18 d'une seconde pièce de canalisation de flux en forme de cadre 19 qui est entourée parallèlement par la première et qui entoure à son tour la carcasse de la bobine. On voit sur la figure qu'une autre branche interne 20 est placée en regard de la branche inter- ne 18 du cadre 19 et qu'une autre branche interne 21 de ce cadre est placée en regard des branches externes 20 respec- tivement 16, de sorte que chaque palette se trouve placée entre deux branches parallèles. Ces branches constituent des paires de prolongements polaires transversaux 20a, 20b res- pectivement 16a, 16b et 18a, 18b respectivement 21a, 21b ainsi que cela apparaitra à la figure lb. Il va de soi que, au moins les branches internes, et respec- tivement une branche externe comportent des ouvertures axiales, non représentées pour ne pas alourdir la figure, afin de permettre le passage du noyau, respectivement du prolongement 7. Deux aimants permanents 22 et 23 sont placés symétriquement par rapport à l'axe XX' entre les branches 20 et 18 de façon telle que leurs pôles magnétiques de même signe soient appliqués contre une même branche et que leur axe de magné- tisation NS, N'S', qui sont tous deux parallèles à l'axe, traversent sensiblement la carcasse de la bobine. Il en résulte une diminution de l'encombrement et une différence de longueur de fer que doit parcourir le flux de l'aimant pour circuler vers les faces 18, 20 d'une part et 16, 21 d'autre part. Les deux branches internes présentent, par suite, une même polarité magnétique, d'un certain signe, tandis que les deux branches externes présentent à leur tour une même polarité magnétique de signe opposé au précédent. On observe que le dispositif qui vient d'être décrit possède deux états stables, définis par les positions extrêmes du - 6 - noyau, pour lesquels, en l'absence d'excitation de la bobi- ne, le noyau peut &tre traversé par deux flux de sens opposé qui sont fournis par les aimants permanents et qui sont transmis alternativement par les pièces de canalisation de flux. Dans le second état stable opposé à celui de la figure 1 la palette 8 passe entre les aimants et vient s'appliquer sur la branche 20, tandis que la palette 11 s'applique sur la branche 21. Lorsqu'un courant continu (ou redressé) de sens convenable est envoyé dans la bobine par ses deux bornes 24, 24', le flux de commande développé par celle-ci va s'opposer au flux permanent traversant le noyau; si ce flux de commande est d'intensité suffisante, le noyau va se déplacer axialement pour prendre une position extrême opposée. Il est clair qu'un fonctionnement identique sera obtenu si deux autres aimants, tels que les aimants 22, 23 sont pla- cés, de façon analogue, entre les branches 16 et 21 pour que leurs flux soient additifs; toutefois dans ce cas les lon- gueurs de fer à traverser sont les mêmes. On voit également que le fonctionnement reste le même si l'on fait pivoter, par exemple, la pièce de canalisation de flux 19' d'un quart de tour par rapport à la pièce 17 et autour de l'axe XX', voir figure la. On conçoit également que le flux permanent puisse encore être canalisé si l'une des cloisons 25 ou 26 ou 27 ou 28 doit être enlevée pour des raisons particulières ou réduite en section à condition que subsistent l'une d'entr'elles pour relier, dans chaque cadre, les branches latérales qui forment des prolongements transversaux nécessaires à l'éta- blissement d'un flux au travers des épanouissements des palettes, et ensuite du noyau. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, o les pièces ayant les mêmes fonctions portent les mêmes repères, un prolongement 30 du noyau porte une troisième palette 31 -7- extérieure au cadre 17 qui est éloignée de la branche 20 pour une position de repos R o le noyau est déplacé vers la gauche et qui s'y plaque pour la position extrême de travail T opposée représentée sur cette figure, alors que la palette 8 n'atteint pas la branche 18. Il est clair, que pour cette dernière position un circuit magnétique de faible réluctance (comprenant la branche 18, la palette 8, le prolongement 30, la palette 31 et la branche 20) va se trouver placé en parallèle avec un circuit comprenant la branche 18, le noyau 5, la palette 11 et les cloisons externes 27, 28 de la pièce de canalisation de flux 17 et va shunter ainsi le flux développé par les aimants permanents, de sorte que les forces d'attraction exercées sur les palettes pour cette position n'auront plus la même intensité si des phénomènes de saturation apparaissent par exemple dans la branche 18. Par suite, à la disparition dans la bobine, du courant d'excitation qui a été nécessaire pour amener les palettes dans cette position T, des attractions de sens inverses pourront s'exercer sans effet de rémanence entre les palet- tes et les branches 20, respectivement 21 pour ramener l'armature mobile constituée par l'ensemble des pièces 5, 8, 11 à la position de repos R. Le fonctionnement de cet électro-aimant présente donc une caractéristique monostable qui peut avantageusement être utilisée pour la commande d'appareils du type relais ou contacteur. Dans une variante d'électroaimant monostable visible à la figure 2a, une faible réluctance parallèle pourrait égale- ment être procurée par une troisième palette 33, placée sur un prolongement 34 du noyau 5' situé entre les branches 16', 21' de façon à se placer dans le plan de la branche 21' à travers une ouverture 35 de celle-ci légèrement plus grande alors que la palette 11' est, elle, placée extérieurement-à la branche 16'. Cette variante provoque toutefois l'appari- tion de forces d'attraction transversales sur la palette 33. -8- Dans l'autre position le circuit magnétique est fermé grâce au contact des palettes 8', 33 contre les branches 18' res- pectivement 16'. Enfin, on peut également adjoindre au noyau, un ressort d'assistance tel que 36 pour fournir une force axiale F susceptible d'améliorer le caractère monostable du disposi- tif. Un exemple de réalisation de l'électro-aimant, selon l'invention qui est visible aux figures 3, 3a, 3b, et dont la mise en oeuvre peut être étendue à l'un des quelconques modes de réalisation présentés, a été plus spécialement adapté à celui de la figure 1. Cet exemple fait particulièrement appel à une pièce moulée synthétique 70 jouant le rôle de la carcasse de la bobine et procurant des moyens d'association aptes à appliquer ferme- ment les faces polaires des aimants permanents contre les branches des pièces conductrices de flux. La carcasse 40 de la bobine 41 présente un alésage 42, dont les extrémités sont ajustées pour guider le noyau 43, et deux joues transversales 44, 45. L'une de ces joues 45 peut comporter une saillie de faible hauteur 46 pour assurer son centrage dans une ouverture 47 de la pièce de guidage de flux interne 48, tandis que la joue 44 de forme générale rectangulaire présente à chacun de ses quatre sommets une colonne longitudinale élastique dont deux 49, 50 sont visi- bles à la figure 3. Ces colonnes qui embrassent à leur base 51, 52 la branche interne 53, et peuvent se centrer par rapport à celle-ci grâce à des encoches telles que 54, voir aussi figure 3a, présentent à leurs extrémités respectives un crochet tel que ou 56 qui s'étend au-delà de la branche externe 57 de guidage de flux. - 9 - Les aimants permanents 58, 59 qui sont placés entre ces branches parallèles sont maintenus en ferme contact avec celles-ci, grâce à une force longitudinale développée par les colonnes entre les crochets et la surface extérieure 60 de la joue 44; ces mêmes colonnes, qui limitent un mouve- ment radial centrifuge des aimants, peuvent comporter des portions de logements tels que 61 pour opérer un guidage latéral des aimants, voir aussi figure 3b. Un maintien complémentaire des aimants destinés à empêcher leur déplacement vers l'axe central, ainsi qu'à procurer un guidage angulaire de la position des palettes 67, 68, peu- vent être assurés par une pièce de guidage annexe 62, voir figure 3, qui vient se placer sur l'une ou l'autre des branches 57 ou 53 et présente des colonnettes ou parois parallèles à l'axe telles que celles représentées en 63 à la figure 3. Dans le mode d'exécution représenté, o la pièce 62 est rendue solidaire de la branche 57 ces colonnettes qui traversent des ouvertures 64, 64' de la branche externe 57, voir figure 3a, font partie d'une même plaquette 65 percée d'une ouverture pour permettre le passage d'un prolongement 66 du noyau prévu pour transmettre les mouvements. Si ce prolongement est attelé à un porte-contact dont les mouvements sont guidés angulairement et si les branches 53, 57 portent, en regard des surfaces polaires, des aimants, des dépressions planes empêchant leur déplacement vers l'axe, on pourra se dispenser d'utiliser la pièce annexe 62. Sur les figures 3 à 3b, les proportions de la course des palettes par rapport aux autres dimensions n'ont pas été respectées, afin d'aérer le dessin et de mieux rendre visi- ble les détails de structure. Le montage de cet électro-aimant est effectué de la façon suivante: - 10 - - la pièce 70 est d'abord munie de son noyau et de ses palettes, cellesci étant par exemple rivées ou emmanchées à force sur le noyau; - la carcasse de bobine est ensuite remplie de fil, puis ses extrémités sont raccordées aux bornes prévues à cet effet; pendant cette opération, le maintien de la pièce sur la machine à bobiner est avantageusement opéré grâce aux crochets 55, 57; - la pièce 70 est ensuite introduite latéralement dans la pièce de guidage de flux interne 71 et du côté G ou manque l'une des parois longitudinales; cette introduction est facilitée par exemple grâce à des entailles 72, 73 prati- quées sur les branches internes, dans le prolongement des ouvertures de passage 72', 73' qui sont traversées par le noyau 43; - l'ensemble de la pièce 70 et de la pièce 71 est ensuite engagé, en travers, voir direction A figure 3, vers la branche externe 57 de la pièce de guidage de flux 71 et munie de ses aimants; cet engagement peut être facilité par une entaille latérale 75 de la branche 57 assurant au prolongement 66 un passage plus aisé, voir figure 3a; - après mise en alignement coaxial des deux pièces 74 et 71 cette dernière est poussée axialement pour que s'effec- tue l'accouplement des crochets 55, 57 avec les bords de la branche externe 57; - la pièce 62 est, le cas échéant, mise en place. Les moyens de raccordement des extrémités 78 du fil de la bobine 3, voir figure 4, peuvent avantageusement être rap- portés sur deux des colonnes telles que 79 appartenant à la pièce moulée 70', sous forme de cosses à souder, de bornes à vis, ou de plages métalliques rigides ou souples 80 aptes à - l1 - opérer une liaison électrique par pression et/ou glisse- ment; la figure 4 montre cette dernière solution; le cas échéant, des bornes peuvent être placées aux extrémités des crochets n'entrant pas en contact avec la branche externe. Le maintien latéral de la pièce 71 à l'intérieur de la pièce 74, qui peut être assuré par la coopération des colonnes et des crochets avec des encoches 54 et 81 appartenant respec- tivement à ces deux pièces, peut être complété par le contact de bossages de la pièce 70 tels que 82, 83, 84, 85 avec les cloisons longitudinales 86, 87 de la pièce 74, voir figure 3b. - 12 - Revendications de brevet. 1. Electro-aimant polarisé comportant: - une bobine apte à être alimentée en courant continu; - un noyau magnétisable qui est mobile entre deux positions extrêmes longitudinales alternativement occupées grâce à un glissement à l'intérieur de la carcasse de cette bobine, et qui présente deux épanouissements polaires opposés s'étendant transversalement par rapport à l'axe de la bobine; - une culasse fixe présentant axialement, de part et d'autre de chaque épanouissement une paire de prolongements polaires ayant des polarités magnétiques opposées qui leur sont conférées par des moyens magnétiques permanents placés entre eux et orientés de façon que leurs axes magnétiques soient parallèles audit axe, lesdits épanouissements venant en coopération avec ces pro- longements de façon telle que, pour chacune des deux posi- tions extrêmes, le flux magnétique envoyé par ces moyens magnétiques à travers le noyau soit de sens inverse, caractérisé en ce que deux paires de prolongements (20a, b) (16a, 16b), de même premier signe magnétique, placées symétriquement par rapport à l'axe (XX') de la bobine font partie d'une même première pièce de canalisation de flux rectangulaire (17) entourant une seconde pièce de canalisa- tion de flux (19) qui relie entre eux deux autres paires de prolongements symétriques (18a, 18b) (21a, 21b) ayant des signes opposés au premier et qui entoure une bobine (3) dont la carcasse (2) se touve sensiblement traversée par les axes (NS, N'S') magnétiques d'aimants permanents (22,23) dispo- sés entre des branches de canalisation de flux transversales (18, 20). 2. Electro-aimant polarisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première pièce de canalisation de - 13 - flux (17) et la seconde pièce de canalisation de flux (19) prennent la forme de deux cadres rectangulaires qui sont placés l'un dans l'autre et sont traversés concentriquement par le noyau (5) respectivement par un prolongement exté- rieur (7) de celui-ci. 3. Electro-aimant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un prolongement (30) respectivement (34) du noyau (5) porte une troisième palette transversale (31) respectivement (33) qui établit avec une branche exter- ne (20) respectivement (16') de la pièce de canalisation de flux externe (17), et pour l'une des positions du noyau, une faible réluctance de façon à dériver une fraction du flux fourni par les aimants permanents (22, 23). 4. Electro-aimant selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette troisième palette (31) reste à l'extérieur de la branche externe (20) avec laquelle elle coopère, pour chacune des deux positions extrêmes (R, T) du noyau. 5. Electro-aimant selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette troisième palette (33) se trouve placée dans le plan de la branche interne (21') avec laquel- le elle coopère grace à la présence d'une ouverture calibrée (35) de celle-ci, et pour l'une des positions extrêmes du noyau. 6. Electro-aimant selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les deux cadres (17, 19) sont placés dans un même plan. 7. Electro-aimant selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les deux cadres (17, 19') sont respec- tivement placés dans deux plans qui sont perpendiculaires. - 14 - 8. Electro-aimant selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'un des cadres rectangulaires (19) respectivement (71) est dépourvu de l'une de ses cloisons longitudinales. 9. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une pièce moulée (70) comportant une portion plane (44, 60) perpendiculaire à l'axe (XX') et des colonnes (49, 50) parallèles à celui-ci munis de crochets (55, 57) applique deux branches transversales (53, 57) des pièces de canalisation de flux (71, 74) contre les faces polaires des aimants (58, 59) et établit un alignement coaxial de ces deux pièces. 10. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une pièce moulée (62) qui présente des moyens de retenue latérale (63) pour les aimants et qui effectue, en même temps, une orientation angulaire des palettes et du noyau est fixée sur l'une des pièces de canalisation de flux. 11. Electro-aimant selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la pièce moulée (70) porte également la carcasse (40, 42, 44, 45) de la bobine (3). 12. Electro-aimant selon les revendications 9 et 11, caractérisé en ce que deux des colonnes (79) de la pièce moulée (70') servent à maintenir des organes de raccordement (80) reliés aux extrémités (78) du fil de la bobine (3).