Brevet FR2573570A1 — publié le 19860523

RELAIS ELECTROMAGNETIQUE POLARISE A ACCROCHAGE MAGNETIQUE POURUN _DECLENCHEUR D'UNDISJONCTEUR ELECTRIQUE. L'invention est relative à un relais électromagnétique pola- risé à accrochage magnétique, notamment d'un dispositif de déclenchement de disjoncteur électrique, comportant: - un circuit magnétique fixe en matériau ferromagnétique com- prenant une culasse tubulaire reliée à ses extrémités oppo- sées à un premier et un deuxième flasques parallèles, s'éten- dant perpendiculairement à t'axe longitudinal de la culasse, - un aimant permanent annulaire à aimantation axiale dont les surfaces frontales coplanaires de polarités opposées viennent en contact respectivement avec la paroi interne du premier flasque et l'une des faces d'un shunt de répartition du flux magnétique, - une armature mobile montée à coulissement axial selon la direction de l'axe longitudinal entre une position d'accro- chage et une position de déclenchement, ladite armature étant sollicitée en position de déclenchement par un ressort de rappel et se trouvant en position d'accrochage collée contre le shunt par la force d'attraction magnétique de l'aimant per- manent d'intensité supérieure à la force antagoniste du res- sort de rappel, - un organe d'actionnement associé à l'armature et traversant axialement une ouverture du deuxième flasque, l'ensemble arma- ture et organe d'actionnement formant l'équipage mobile du relais, - un premier entrefer axial correspondant à l'intervalle entre le shunt et l'armature mobile, - une bobine fixe de commande montée coaxialement sur un four- reau isolant à l'intérieur de la culasse en entourant l'arma- ture mobile et en s'étendant axialement entre le shunt et le deuxième flasque, l'excitation de ladite bobine engendrant dans le circuit magnétique un flux magnétique de commande qui s'oppose dans le premier entrefer au flux de polarisation de l'aimant permanent, de manière à libérer l'armature et à auto- riser son déplacement de la position d'accrochage vers la position de déclenchement sous l'action du ressort de rappel. Selon un dispositif connu du genre mentionnée, Le ressort de rappel de l'armature mobile est disposé a L'extérieur du cir- cuit magnétique, et la longueur axiale de La bobine est infé- rieure à celle de l'aimant permanent. La forte réltuctance du circuit magnétique en position d'accrochage de t'armature nécessite un flux de commande important qui augmente L'éner- gie de déclenchement de la bobine. L'utilisation d'un tel relais dans un déclencheur à propre courant est dépedante d'un signal de déclenchement de forte valeur obtenue soit par amplification, soit par des capteurs de courant plus impor- tants; L'invention a pour but de remédier à ces inconvéniets et de permettre la réalisation d'un reLais de déctenchemeut a haute sensibilité et à encombrement réduit. Le relais selon l'invention est caractérisé par te fait que le deuxième flasque du circuit magnétique est équipé d'un manchon interne fixe de forme tubulaire en matériau ferro- magné-tique, s'étendant paralLèlement dans un espace annuaire ménagé coaxialement entre le fourreau et t'armature mobite, cette dernière étant séparée dudit manchon par un deuxième entrefer radial restant uniforme durant Le déptacement en translation de l'armature, et que La distance de recouvrement axial de l'armature par le manchon en position d'accrochage du relais est supérieure à l'épaisseur du deuxième flasque et/ou à celle de la culasse. La présence du manchon ferromagnétique autour de ['armature diminue la réluctance du circuit magnétique entraînant une réduction du flux de commande de la bobine. It en résulte une augmentation de la sensibilité du relais et une diminution de l'énergie de déclenchement. Selon un développement de l'invention, des moyens de guidage en translation axiale de l'équipage mobile déterminent un jeu radial prédéterminé avec l'armature mobile, L'épasseur dudit jeu étant inférieure à celle du deuxième entrefer radial agencé entre le manchon et l'armature. Cette différence de côtes entre le jeu de guidage et le deuxième entrefer radial est indispensable pour conserver l'uniformité dudit entrefer lors de la translation de l'arma- ture mobile. Les moyens de guidage de l'armature peuvent être constitués soit par une collerette annulaire venant de mou- lage avec le fourreau isolant de la bobine, soit par une douille amagnétique, notamment en laiton, intercalée axiale- ment entre le manchon et le shunt. Selon une caractéristique de L'invention, le shunt est satu- rable, et s'étend radialement selon une direction parallèle au premier flasque pour venir en contact avec la surface latérale interne de la culasse, l'épaisseur dudit shunt dans sa partie la plus étroite étant inférieure à l'épaisseur de l'aimant permanent et/ou à celle de la bulasse. Le ressort de rappel est du type à compression et l'armature est pourvue d'un trou borgne axial oour le logement d'une par- tie dudit ressort, ce dernier traversant le shunt et l'aimant permanent annulaires en prenant appui par son extrémité oppo- sée sur un bossage central du premier flasque. Le rayon extérieur de l'aimant permanent annulaire est supé- rieur à son épaisseur, cette dernière correspondant à la dis- tance axiale séparant te premier flasque et le shunt. La lon- gueur axiale occupée par la bobine est au moins supérieure à la moitié de la longueur totale du relais. Les dimensions de l'aimant, du shunt et de la bobine peuvent bien entendu être modifiées en fonction des caractéristiques de déclenchement. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: - La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un relais seton L'invention, représenté en position de réarmement; - La figure 2 est une vue partieLte en coupe selon La Ligne II-Il de La fig. 1; - La figure 3 montre une vue identique à cette de La fig. 1 d'une variante de réalisation, Le reLais étant représenté en position de décLenchement. En référence aux figures 1 et 2, un relais 10 éLectromagné- tique de déclenchement à haute sensibilité pour disjoncteur électrique comporte un circuit magnétique 12 fixe polarisé par un aimant permanent 14 et coopérant avec une armature 16 coulissante associée à un organe d'actionnement 18. Le cir- cuit magnétique 12 est formé par une culasse 20 ferromagné- tique en forme de coquille cylindrique fermée à ses extrémi- tés opposées par une paire de flasques 22, 2-4 discoldaux. L'aimant permanent 14 à aimantation axiaLe est logé à l'inté- rieur de la culasse 20 et présente une forme annulaire à sur- faces frontales coplanaires de polarités opposées venant en contact respectivement avec La paroi interne du premier flasque 22 et L'une des faces paralLèles d'un shunt 26 de répartition du fLux magnétique. Les deux fLasques 22, 24 et Le shunt 26 sont en matériau fer- romagnétique et Le rayon extérieur de l'aimant permanent 14 est supérieur à son épaisseur correspondant à la distance axiaLe séparant te premier fLasque 22 du shunt 26. Ce dernier s'étend radiaLement vers la surface latéraLe interne de la culasse 20 et comprend une extension 28 annulaire coopérant avec L'armature 16 mobile de forme cylindrique. Une bobine 30 de commande est montée coaxiatement dans un fourreau 32 cylindrique en matériau isolant, à l'intérieur de La culasse 20 en s'étendant axialement entre le shunt 26 et le deuxième flasque 24. L'armature 16 mobile est formée par un noyau plongeur monté à coulissement axial alterné à à l'intérieur du fourreau 32 cylindrique entre une première position d'accrochage et une deuxième position de déclenche- ment. Le noyau de l'armature 16 est pourvu d'un trou 34 axial borgne pour le logement d'un ressort 36 de rappel du type à compression prenant appui par son extrémité opposée sur un bossage 38 central du premier flasque 22. Le ressort 36 tra- verse axialement l'aimant permanent 14 et le shunt 26, et sollicite l'armature 16 mobile vers la deuxième position de déclenchement. Durant son mouvement de détente vers la posi- tion de déclenchement, le ressort 36 est guidé en translation par la paroi cylindrique du trou 34. L'organe d'actionnement 18 est doté d'un percuteur ou poussoir tubulaire emmanché sur un prolongement 40 axial de l'armature 16 et destiné à coopérer avec un verrou (non représenté) d'un mécanisme, respectivement lors d'un déclenchement par excita- tion de la bobine 30, et lors d'un réarmement du relais 10 entrainant le retour de l'armature 16 vers la première posi- tion d'accrochage. L'organe d'actionnement 18 est en matériau isolant plastique et traverse axialement une ouverture 42 cir- culaire ménagée dans le deuxième flasque 24. L'armature 16 se déplace dans un premier entrefer (d) axial variable, qui est nul lorsque l'armature 16 est collée contre l'extension 28 du shunt 26, et maximum lorsque l'armature 16 se trouve en position de déclenchement. L'armature 16 et l'organe d'actionnement 18 constituent l'équipage mobile coopérant avec des moyens de guidage en translation axiale formés d'une part par une collerette 44 annulaire, agencée autour de l'armature 16, ladite collerette 44 venant de moulage avec le fourreau 32 fixe de support de la bobine 30, et d'autre part par l'ouverture 42 circulaire du flasque 24 servant de palier au percuteur 18. Le deuxième flasque 24 est équipé d'un manchon 46 interne tubulaire en matériau ferromagnétique, s'étendant jusqu'à la collerette 44 dans un espace annulaire délimité radialement par le fourreau 32 cylindrique et l'armature 16. Le manchon 46 entoure coaxialement l'armature 16 avec interposition d'un deuxième entrefer radial (jl) prédéterminé dont l'épaisseur est supé- rieure au jeu de guidage (j2) agencé entre la collerette 44 et l'armature 16. Cette différence de côtes entre l'entrefer jl et le jeu j2 est indispensable pour conserver l'uniformité de l'entrefer jl radial lors de la translation de l'équipage mobile selon la direction axiale, et pour éviter toute attrac- tion magnétique contre le manchon 46 susceptible de s'opposer au libre coulissement de l'armature 16. Une patte 48 radiale du fourreau 32 isolant fait saillie d'une encoche 50 de la culasse 20 et sert simultanément d'organe de blocage en rotation de la bobine 30, et de support de con- nexion des fils 52, 54 de branchement de la bobine 30. Une lamelle 56 élastique de forme incurvée est intercalée entre l'une des faces frontales de la bobine 30 et le deuxième flasque 24 pour assurer le rattrapage automatique du jeu axial lors de l'empilage des différents éléments constitutifs du relais 10. La lamelle 56 élastique vient directement de mou- lage avec le fourreau 32 isolant de la bobine 30. L'organe d'actionnement 18 isolant peut avoir des formes quel- conques en fonction de la structure du verrou du déclencheur, et/ou du calibre du disjoncteur. L'épaisseur du shunt 26 dans sa partie la plus étroite située autour de l'extension 28 est inférieure à l'épaisseur (12) de la culasse 20 et à celle de l'aimant 14. La longueur axiale de la bobine 30 est très grande par rapport à l'épaisseur de l'aimant permanent 14. L'interstice du deuxième entrefer (jl) radial est inférieur à l'épaisseur (11) du deuxième flasque 24. Le fonctionnement du relais 10 polarisé de déclenchement selon les figures 1 et 2 est le suivant: En position déclenchée de l'armature 16 mobile, la bobine 30 n'est pas alimentée, et la totalité du flux engendré par l'aimant permanent 14 circule dans la partie rétrécie du shunt 26, une portion de La culasse 20, agencée coaxialement autour de l'aimant 14, et le premier flasque 22. Le shunt 26 est saturé, et aucun flux ne circule dans le reste du circuit magnétique 12. Au cours de la manoeuvre de réarmement du relais 10, l'arma- ture mobile 16 se déplace en translation dans le premier en- trefer (d) axial, et vient en butée contre la surface polaire de l'extension 28 du shunt 26. Le ressort 36 se trouve alors dans l'état comprimé. Le flux de l'aimant permanent 14 se par- tage en deux flux élémentaires S et U (voir fig. 1), à sa- voir un premier flux *Sappelé "flux shunt",passant par le shunt 26, la culasse 20 et le premier flasque 22, et un deuxième flux tU, appelé "flux de polarisation", traversant l'extension 28, le premier entrefer (d) axial, l'armature mobile 16, le deuxième entrefer (jl) radial, le manchon 46, le deuxième flasque 24 et retour à l'aimant permanent 14 par la culasse 20 et le premier flasque 22. L'armature 16 est maintenue par attraction magnétique dans la position armée par le flux de polarisation OU traversant le premier entrefer (d), la force d'attraction magnétique correspondante de l'ai- mant (14) étant supérieure à l'effort antagoniste du ressort 36 de compression. Lors de l'excitation de la bobine 30 de commande au moyen d'un signal de déclenchement appliqué aux bornes des conduc- teurs 52, 54, le flux magnétique Qc de ta bobine 30 s'oppose dans l'entrefer axial (d) au flux de polarisation U de l'ai- mant permanent 14, et affaiblit la force d'attraction de l'armature 16. Lorsque la force de rappel du ressort 36 de- vient prépondérante, l'armature 16 est entraînée vers le haut, jusqu'à la position de déclenchement dans taquelle le percuteur 18 provoque le déverrouillage du mécanisme. Le tra- jet du flux de commande tC (voir fig. 1) dans le circuit magnétique 12 s'effectue par l'armature 16, le shunt magné- tique 26, la culasse 20, le deuxième flasque 24 et le manchon 46, le flux de commande XC s'opposant au flux de polarisation U dans toutes les parties du circuit magnétique 12 sauf dans le shunt 26 qui reste saturé. L'agencement coaxial du manchon 46 tubulaire autour de L'ar- mature 16 détermine une section importante entraînant une réluctance minimum du circuit magnétique 12. En position ar- mée, le manchon 46 ferromagnétique recouvre axialement l'ar- mature 16 sur une distance prédéterminée, dont la longueur L est supérieure à l'épaisseur (11) du deuxième flasque 24 ainsi qu'à celle (12) de la culasse 20. La faible réluctance du cir- cuit magnétique 12 due à la présence du manchon 46 tubulaire nécessite un flux de commande $C de faible valeur autorisant une augmentation de la sensibilité du relais 10, et une dimi- nution de l'énergie de déclenchement de la bobine 30. Sur la variante du relais 100 de la fig. 3, les moyens de gui- dage en translation axiale de l'armature mobile 16 comportent une douille 144 amagnétique, notamment en laiton, montée co- axialement à l'intérieur du fourreau 32 en étant intercalée entre le manchon 46 et le shunt 126. Le jeu radial (j2) entre la douille 144 et l'armature 16 reste inférieur à l'entrefer radial (jl) ménagé entre le manchon 46 et l'armature 16. Le shunt 126 est séparé radialement de la surface latérale de la culasse 20 par un intervalle (e2) dont la dimension est supé- rieure à l'épaisseur (12) de la culasse 20, et à la distance radiale (el) entre l'aimant permanent 14 et la culasse 20. Toutes les autres pièces du relais 100 sont similaires à celles de la fig. 1 et sont affectées des mêmes numéros de repères. On remarque sur les deux dispositifs des fig. 1 et 3, le re- couvrement coaxial de l'armature 16 par le manchon 46 permet- tant la diminution de la réluctance magnétique. Les dimensions du shunt 26, 126 et de l'aimant permanent 14 par rapport aux autres pièces du circuit magnétique 12 peuvent bien entendu être modifiées en fonction de la sensibilité souhaitée du relais 10. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés aux dessins annexés, mais elle s'étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électro- techniques. REVENDICATIONS 1. Relais électromagnétique polarisé à accrochage magnétique, notamment d'un dispositif de déclenchement de disjoncteur électrique, comportant: un circuit magnétique (12) fixe en matériau ferromagnétique comprenant une culasse (20) tubulaire reliée à ses extrémités opposées à un premier et un deuxième flasques (22, 24) paral- lèles, s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal de la culasse (20), - un aimant permanent (14) annulaire à aimantation axiale dont les surfaces frontales coplanaires de polarités opposées viennent en contact respectivement avec la paroi interne du premier flasque (22) et l'une des faces d'un shunt (26, 126) de répartition du flux magnétique, - une armature (16) mobile montée à coulissement axial selon la direction de l'axe longitudinal entre une position d'accro- chage et une position de déclenchement, ladite armature (16) étant sollicitée en position de déclenchement par un ressort de rappel (36), et se trouvant en position d'accrochage col- lée contre le shunt (26) par la force d'attraction magnétique de l'aimant permanent (14) d'intensité supérieure à la force antagoniste du ressort de rappel (36), - un organe d'actionnement (18) associé à l'armature (16) et traversant axialement une ouverture (42) du deuxième flasque (24), l'ensemble armature (16) et organe d'actionnement (18) formant l'équipage mobile du relais (10), - un premier entrefer (d) axial correspondant à l'intervalle entre le shunt (26) et l'armature (16) mobile, - une bobine (30) fixe de commande montée coaxialement sur un fourreau (32) isolant à l'intérieur de la culasse (20) en entourant l'armature (16) mobile et en s'étendant axialement entre le shunt (26) et le deuxième flasque (24), l'excitation de ladite bobine (30) engendrant dans le circuit magnétique (12) un flux magnétique (dC) de commande qui s'oppose dans le premier entrefer (d) au flux de polarisation (LU) de l'aimant permanent (14), de manière à libérer l'armature (16) et à autoriser son déplacement de la position d'accrochage vers la position de déclenchement sous l'action du ressort de rap- pel (36), caractérisé par le fait que le deuxième flasque (24) du circuit magnétique (12) est équipé d'un manchon (46) interne fixe de forme tubulaire en matériau ferromagnétique, s'étendant partiellement dans un espace annulaire ménagé co- axialement entre le fourreau (32) et l'armature mobile (16), cette dernière étant séparée dudit manchon (46) par un deuxième entrefer (jl) radial restant uniforme durant le déplacement en translation de l'armature (16), et que La distance (L) de recouvrement axial de l'armature (16) par le manchon (46) en position d'accrochage du relais (10) est supérieure à l'épais- seur (l1) du deuxième flasque (24) et/ou à celle (12) de la culasse (20). 2. Relais électromagnétique selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que des moyens de guidage en translation axiale de l'équipage mobile déterminent un jeu (j2) radial prédéterminé avec l'armature mobile (16), l'épaisseur dudit jeu (j2) étant inférieure à celle du deuxième entrefer (jil) radial agencé entre le manchon (46) et l'armature (16). 3. Relais électromagnétique selon la revendication 2, caracté- risé par le fait que les moyens de guidage en transtation com- portent une collerette (44) annulaire venant de moulage avec le fourreau (32) isolant de la bobine (30), et que ledit man- chon (46) s'étend axialement jusqu'au voisinage de ladite col- lerette (44). 4. Relais électromagnétique selon la revendication 2, caracté- risé par le fait que les moyens de guidage en translation sont dotés d'une douille (144) amagnétique, intercalée axialement entre le manchon (46) et le shunt (126). 5. Relais électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le shunt (26) est saturable, et s'étend radialement selon une direction parallèle au premier flasque (22) pour venir en contact avec la surface latérale interne de la culasse (20), l'épaisseur dudit shunt (26) dans 1 1 sa partie la plus étroite étant inférieure à l'épaisseur de l'aimant permanent (14) et/ou à celle de la culasse (20). 6. Relais électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que te ressort de rappel (36) est du type à compression, et que l'armature (16) est pourvue d'un trou (34) borgne axial pour le logement d'une partie du- dit ressort (36), ce dernier traversant le shunt (26) et l'ai- mant permanent (14) annulaires en prenant appui par son extré- mité opposée sur un bossage (38)-central du premier flasque (22). 7. Relais électromagnétique selon la revendication 6, carac- térisé par le fait qu'une lamelle (56) élastique de forme in- curvée est intercalée entre l'une des faces frontales de la bobine (30) et le deuxième'flasque (24) pour assurer le rat- trapage automatique du jeu axial lors du montage des diffé- rents éléments constitutifs du relais (10), et que ladite lamelle (56) fait partie du fourreau (32) isolant de la bobine (30). d. Relais électromagnétique seton la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que le fourreau (32) comporte une patte (48) radiale faisant saillie d'une encoche (50) de la culasse (20) pour constituer simultanément un organe de blo- cage en rotation de la bobine (30), et un support de connexion des fils de branchement de la bobine (30). 9. Relais électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le rayon extérieur de l'aimant permanent (14) annulaire est supérieur à son épaisseur, cette dernière correspondant à la distance axiale séparant le premier flasque (22) et le shunt (26), et que la longueur axiale occupée par la bobine (30) est au moins supé- rieure à la moitié de la longueur totale du relais (10). 10. Relais électromagnétique selon la revendication 1, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé par le fait que le shunt (126) - est séparé radiatement de la culasse (20) par un intervalle (e2) dont La dimension est supérieure à L'épaisseur (12) de La culasse (20).