Brevet FR2586324A1 — publié le 19870220

La présente invention concerne un électro-aimant à courant continu & mouvement de translation. On sait que pour un électro-aimant donné, à courant continu, il existe une distance optimum d'entrefer pour laquelle le produit de la force d'attraction à cette distance par la course restant & parcourir est maximum. En effet, quand cette distance diminue, la force d'attraction ne tend pas vers l'infini, compte tenu des effets de la saturation magnétique et de la présence d'entrefers résiduels ou antirémanents, et le produit diminue pour tendre vers zéro. Et d'autre part, quand cette distance augmente, la force d'attraction diminue sensiblement comme le carré de la course et le produit diminue également. On constate expérimentalement que cet entrefer optimum est voisin du dixième de la racine carrée de la surface de l'entrefer. La réalisation de cet entrefer optimum pour vaincre un travail mécanique résistant tel que celui des contacts d'un relais, conduit en général a augmenter la surface d'entrefer par rapport à la section de fer, par exemple en disposant à l'extrémité d'un noyau un épanouissement polaire dont la surface est double de celle du fer. Simultanément, on peut utiliser une amplification par rotation en faisant pivoter l'armature sur une extrémité d'une branche d'un U dont l'autre branche porte la bobine. Ainsi, la course de fermeture de l'entrefer peut Vtre plus petite que le déplacement utile communiqué par l'electro-aimant, par exemple aux contacts d'un relais. Si toutefois il est nécessaire que l'armature ait un mouvement de translation, par exemple pour commander directement des contacts à double coupure dans des contacteurs, on ne peut plus utiliser l'artifice de l'amplification par rotation. On pourrait envisager d'utiliser un noyau plongeur mais cette disposition s'accompagne d'une réluctance de coulissement non négligeable. On est donc contraint de recourir & une configuration à deux entrefers en strie (armature plane en face d'un U ou d'un E, ou armature en U ou en E en face d'une culasse de même forme). Or avec deux entrefers en série, pour retrouver les mêmes caractéristiques (réluctance, inductions, flux, forces) qu'avec un seul entrefer, il est nécessaire de doubler la surface de chaque entrefer (réluctance totale d'entrefers inchangée, flux inchangé donnant deux forces égales chacune & la moitié de la force précédente). Pour retrouver les effets du doublement de la surface d'un entrefer unique il faudrait alors deux épanouissements de chacun quatre fois la section de fer. Non seulement les circuits identiques en E ou en U se faisant face ne seront plus utlisables, mais même avec une armature plane, l'encombrement devient prohibitif et les flux de fuite sont importants. Pour résoudre ce problème, on a proposé d'avoir des surfaces d'entrefer non planes, en dièdre. Mais on ne peut aller au-delà de l'équivalent du doublement des surfaces. Et cela pose des problèmes de guidage. Dans le FR-A-2 522 871, un des entrefers est à recouvrement, donc à faible réluctance, mais les surfaces correspondantes doivent être recouvertes d'une matière plastique telle que du polytètrafluoréthylène, ce qui rend la réalisation délicate et onéreuse sans éliminer les risques d'usure et de coincement. La présente invention a ainsi pour but de proposer une structure d'électro-aimant & courant continu à mouvement de translation permettant d'avoir deux entrefers en série ayant chacun une surface jusqu'à dix fois supérieure à la section de fer, de façon à retrouver les conditions optimales d'un entrefer unique à épanouissement important et à amplification par rotation, malgré un encombrement restreint et une réalisation peu onéreuse. L'invention vise ainsi un électro- aimant à courant continu à mouvement de translation, comprenant un premier et un second équipages magnétiques mobiles l'un par rapport & l'autre, et un bobinage bobiné sur une carcasse de bobine entourant un noyau qui appartient au premier équipage et dont une première extrémité est munie d'un épanouissement polaire faisant face à une première région du deuxième équipage en définissant ainsi un premier entrefer à grande surface. Suivant l'invention, l'électro-aimant est caractérisé en ce que la deuxième extrémité du noyau est prolongée au-delà de la carcasse de bobine et est munie d'un deuxième épanouissement polaire, et en ce que le deuxième équipage magnétique présente une deuxième région engagée entre la carcasse de bobine et le deuxième épanouissement polaire en définissant ainsi avec ce dernier un deuxième entrefer à grande surface disposé magnétiquement en série avec le premier entrefer et se fermant en simultanéité avec lui. Ainsi, chacun des deux entrefers en série se trouve à l'une des extrémités axiales de la bobine et peut donc avoir une très grande surface sans que l'encombrement de l'électro-aimant dans le plan perpendiculaire & l'axe de la bobine en soit affecté. Quant à l'encombrement dans le sens de l'axe de la bobine, il est à peine accru par la présence du second entrefer. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci- après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un électro-aimant selon l'invention, selon la ligne I-I de la figure 2; - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; et - la figure 3 est une vue en coupe partielle selon la ligne III-III de la figure 2. L'électro-aimant représenté aux figures comprend un bobinage 1 bobiné autour d'une carcasse de bobine 2, cette carcasse étant en matière plastique isolante. On appelle bobine l'ensemble du bobinage 1 et de sa carcasse 2. La carcasse 2 entoure un noyau magnétique 3 appartenant à un premier équipage magnétique, qui est fixe dans l'exemple. Une première extrémité 3a du noyau 3 est munie d'un épanouissement polaire adjacent & une face externe d'une joue 2a de la carcasse 2. Cet épanouissement est réalisé à l'aide d'une pièce polaire 4 emmanchée fixement sur l'extrémité 3a contre un épaulement du noyau 3. Comme le montre la figure 2, les joues 2a et 2b (seule la joue 2a est visible) de la carcasse 2 ont une forme générale rectangulaire et l'épanouissement 4 a une forme rectangulaire dont la longueur et la largeur sont voisines de celles des joues 2a et 2b. L'électro-aimant comprend en outre un second équipage magnétique, mobile dans l'exemple, qui comprend deux armatures magnétiques 5 et 6 disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe de la bobine. Chaque armature 5, 6 comprend une région centrale plane 5b, 6b disposée à c8té de la bobine, parallèlement & son axe, et guidée en translation parallèle audit axe entre deux paires d'ergots 2c portées chacune par l'une des joues 2a, 2b. Les deux régions centrales 5b, 6b sont disposées de part et d'autre de la bobine, parallèlement l'une à l'autre. A l'extrémité de la région centrale b, 6b qui est adjacente à l'épanouissement 4, les armatures 5, 6 sont cambrées à angle droit l'une vers l'autre pour former chacune une première région d'entrefer 5a, 6a qui fait face à l'épanouissement 4 du c8té opposé à la joue 2a. Les régions 5a, 6a des armatures 5, 6 forment ainsi avec l'épanouissement 4 un premier entrefer variable el à grande surface (4/5a, 6a). L'appui des régions 5a, 6a sur l'épanouissement 4, c'est-à-dire la fermeture du premier entrefer, détermine l'une des extrémités du mouvement de translation des armatures 5, 6. Les armatures 5, 6 sont fixées l'une à l'autre par un support 7 en matière plastique dans lequel sont montés les contacts mobiles 13 d'un contacteur dont l'électro-aimant constitue l'élément moteur. Les contacts mobiles 13 sont sollicités contre un appui de butée 14 par des ressorts 16. Pour la fixation des armatures 5, 6 au support 7, chaque région Sa, 6a est retenue contre la face inférieure du support 12 entre deux glissières 7a prévues sur deux bords opposés de ce dernier. Ainsi, après montage de la bobine et du premier équipage magnétique, ainsi que du support de contacts mobiles et du support de contacts fixes (seuls les contacts fixes sont représentés en trait mixte sous la référence 17), il est possible de monter les deux armatures 5, 6 en les introduisant latéralement, de part et d'autre de la bobine, dans leurs paires de glissières 7a respectives. En position montée, les armatures 5 et 6 sont en butée l'une contre l'autre par l'extrémité libre de leur région Sa, 6a. Celles-ci définissent cependant entre elles un ajour circulaire Sd positionnant l'extrémité large d'un ressort hélicoïdal de compression conique 8 monté entre la face inférieure du support 7 et l'extrémité 3a du noyau 3 qui apparaît par le trou d'emmanchement de la pièce polaire 4. Suivant l'invention la deuxième extrémité 3b du noyau 3 est prolongée audelà de la carcasse de bobine 2 et est munie, à une certaine distance audelà de la joue 2b, d'un deuxième épanouissement polaire réalisé au moyen d'une pièce polaire 9 présentant un trou central 9a par lequel elle est engagée et sertie autour de l'extrémité 3b, en appui contre un épaulement 3c du noyau. L'épanouis - sement 9 a une forme générale rectangulaire dont la longueur et la largeur sont sensiblement égales aux dimensions correspondantes de l'équipage mobile. Pour assurer la constance radiale de la section de fer au passage du noyau 3 à la pièce polaire 9, une rondelle de fer 10 est sertie sur l'extrémité 3b contre la pièce polaire du cSté opposé à la bobine 1, 2. Selon une autre particularité importante de l'invention, & l'extrémité de leur région centrale 5b, 6b, qui est adjacente à l'extrémité 3b du noyau, les armatures 5, 6 sont cambrées une seconde fois l'une vers l'autre à 90 pour former une deuxième région d'entrefer 5c, 6c engagée entre la joue 2b et l'épanouissement 9, pour former un deuxième entrefer variable e2 C9/5c, 6c) disposé magnétiquement en série avec le premier el. Dans la position extr#me dans laquelle le premier entrefer el est fermé, le second entrefer e2 est également fermé. Dans l'exemple représenté, les contacts mobiles 13 sont alors appliques sur les contacts fixes 17 avec une force qui est déterminée par les ressorts 16. Lorsque le bobinage 1 n'est pas excité, les armatures 5, 6 sont ramenées par le ressort 8 dans la position extreme représentée aux figures, dans laquelle leurs régions 5c, 6c sont en butée contre la joue 2b de la carcasse 2. Comme le premier entrefer el, le second entrefer e2 a une surface remarquablement large, par exemple à cinq à dix fois la section de fer du circuit magnétique, c'est-à-dire la section du noyau 3 ou encore la somme des sections des régions centrales b et 6b des armatures 5 et 6 qui sont magnétiquement en parallèle. Les deux entrefers ont de préférence une surface égale. Un manchon 11 en cuivre ou en laiton, c'est-à-dire en matière non magnétique mais électriquement conductrice, est emmanché sur le noyau 3 entre le deuxième épanouissement polaire 9 et la joue adjacente 2b de la carcasse de bobine. Le manchon 11 a plusieurs r8les. D'une part il fixe l'écartement axial entre l'épanouissement polaire 9 et la carcasse de bobine 2. D'autre part, son diamètre extérieur est voisin du diamètre intérieur d'un orifice 5e que définissent ensemble les extrémités dirigées l'une vers l'autre des régions Sc et 6c. Ainsi, l'orifice 5e coopère avec le manchon 11 pour compléter le guidage en translation des armatures 5 et 6 tout en réservant - entre elles et le noyau 3 un entrefer à écartement fixe e3 qui minimise les fuites magnétiques. De plus le manchon 11 joue le r8le d'une bague de retard diminuant la surtension provoquée par une coupure brusque de l'alimentation du bobi- nage 1. Du c8té de la joue 2b, la bague 11 présente une collerette lia qui soutient mécaniquement la joue 2b, évitant que, au fil du temps, la joue 2b ne se déforme sous la pression du bobinage 1 et fasse dimi - nuer l'écartement maximal possible de l'entrefer e2. On notera encore qu'il est réservé entre la tranche de la pièce polaire 4 et la région centrale 5b ou 6b de chaque armature 5, 6 un entrefer e4, d'écartement constant, qui minimise les fuites magnétiques inutiles entre la pièce polaire 4 et chaque armature 5, 6. L'invention permet de donner à chaque entrefer variable une surface d'environ dix fois celle de la section de fer du noyau 3, ce qui est magnétiquement équivalent à-un circuit magnétique qui ne comporterait qu'un seul entrefer ayant une surface cinq fois plus grande que celle du noyau ou encore à un circuit magnétique ayant un entrefer unique dont la surface est 2,5 fois supérieure a celle de la section du noyau en combinaison avec une amplification doublant la course utile au moyen d'une rotation. Bien entendu, si la surface d'entrefer ainsi procurée est excessive, il est facile de la diminuer. On peut donc arriver à choisir une surface d'entrefer optimum. Il ne sert en effet à rien d'augmenter exagérément la surface d'entrefer car alors la réluctance du fer devient voisine de celle des entrefers à circuit ouvert, et, d'autre part, la force à circuit magnétique fermé diminue au point d'entraîner des difficultés à comprimer les ressorts des contacts de puissance. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté, et de nombreux aménagements peuvent Etre apportés & cet exemple sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi, que, moyennant suppression du manchon 11, le noyau pourrait Utre coulissant dans la carcasse de bobine, les pièces telles que 5 et 6 étant fixées contre la joue 2c de la carcasse de bobine. Si l'on se contente d'entrefers ayant une surface cinq fois plus grande que la section du noyau, il est possible de supprimer l'une des armatures et 6. Il serait également possible de ne prévoir qu'une seule armature sans réduire les surfaces d'entrefer à condition de prévoir dans l'une des régions d'entrefer de cette armature un trou pour le passage du prolongement du noyau qui porte la pièce polaire telle que 9. Le noyau peut avoir une section rectangulaire, et par exemple Qtre constitué d'un empilage de t8les découpées, ou encore de deux tales cambrées à angle droit en directions opposées au-delà de chaque extrémité de la bobine de façon à réaliser d'un seul tenant le noyau et ses deux épanouissements polaires. REVENDICATIONS 1.Electro-aimant à courant continu à mouvement de translation, comprenant un premier (3, 4) et un second (5, 6) équipages magnétiques, mobiles l'un par rapport à l'autre, et un bobinage (1) bobiné sur une carcasse de bobine (2) entourant un noyau (3) qui appartient au premier équipage et dont une première extrémité (S3a) est munie d'un épanouissement polaire (4) faisant face à une prmière région (5a, 6a) du deuxième équipage (5) en définissant ainsi un premier entrefer à grande surface (4/5a, 6a), caractérisé en ce que la deuxième extrémité (3b) du noyau (3) est prolongée au- delà de la carcasse de bobine (2) et est munie d'un deuxième épanouissement polaire (9), et en ce que le deuxième équipage magnétique (5, 6) présente une deuxième région (5c, 6c) engagée entre la carcasse de bobine (2) et le deuxième épanouissement polaire (9) en définissant ainsi avec ce dernier (9) un deuxième entrefer à grande surface (9/5c, 6c) disposé magnétiquement en série avec le premier entrefer (4/5a, 6a) et se fermant en simultanéité avec lui. 2. Electro-aimant selon la revendication 1, caractériseé en ce que la surface de chaque entrefer (4/5a, 6a; 9/5c, 6c) est de cinq à dix fois supérieure à la section de fer du noyau (3). 3. Electro-aimant selon l'une des revendications I ou 2, caractériseé en ce que le deuxième équipage magnétique (5, 6) comprend une région centrale (5b, 6b) sensiblement parallèle à l'axe de la bobine (1, 2) et est cambrée sensiblement à angle droit vers l'axe de la bobine et de part et d'autre de celle-ci pour former la première (Sa, 6a) et la deuxième (5c, 6c) régions du deuxième équipage (5, 6). 4. Electro-aimant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième équipage magnétique (5, 6) comprend deux demi-armatures il (5, 6) identiques en forme de U, introduites latéralement de part et d'autre de la bobine (1, 2) et fixées chacune à une extrémité de la face inférieure d'une pièce isolante (7) portant des contacts mobiles (13). 5. Electroaimant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un manchon (11) de matière non magnétique, mais électriquement conductrice telle que du cuivre est emmanché sur le noyau (3) entre le deuxième épanouissement polaire (9) et une joue adjacente (2b) appartenant à la carcasse de bobine (2). 6. Electro-aimant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le manchon (11) comporte une collerette (lia) de renforcement de ladite joue (2b).