Brevet FR2606927A1 — publié le 19880520

ELECTRO-AIMANT POLARISE BI-STABLE. L'invention concerne un électro-aimant polarisé bi-stable comprenant un circuit magnétisable fixe qui est excité par un bobinage associé dans lequel circule un courant électri- que selon l'une de deux polarités possibles, et une armature mobile présentant un aimant permanent aux deux faces polai- res opposées duquel sont reliées deux pièces polaires respectives, cette armature étant apte à se déplacer longi- tudinalement entre deux positions pour chacune desquelles ces pièces polaires coopèrent avec des portions distinctes du circuit fixe par l'intermédiaire de deux entrefers placés en série, dont l'un au moins est variable. De tels électro-aimants qui sont largement utilisés dans les installations industrielles et systèmes d'automatisme, par exemple pour réduire la consommation d'énergie ou pour assu- rer aux circuits la conservation de leur état en cas de défaillance des sources d'alimentation, peuvent être illus- trés par exemple par le brevet français N 2 358 006 dans lequel les deux entrefers variables sont placés en série et évoluent simultanément, tandis que dans chacun des deux états stables, le flux de l'aimant permanent se referme sur un circuit magnétique de réluctance négligeable. Dans un tel électro-aimant le remplacement d'une bobine n'est pas aisé en raison de la présence de pièces polaires débordantes. - 2 - Par ailleurs, la présence de deux entrefers placés en série nécessite que la bobine développe un nombre d'ampère-tours suffisamment élevé pour s'opposer au flux développé par l'aimant, tout en permettant sa circulation à travers deux réluctances placées en série; dans cet appareil connu, on rencontre en outre une certaine difficulté technique pour qu'une application simultanée des pièces polaires sur le circuit magnétique, soit bien opérée, en raison de la distance qui les sépare. L'invention se propose, par suite, de fournir un électro- aimant présentant la constitution générale mentionnée ci- dessus et dans lequel des mesures seront prises, d'une part, pour réduire le volume de la bobine et, d'autre part, pour écarter les difficultés techniques qui se présentent lorsque l'on doit obtenir la fermeture simultanée de deux entrefers ne se trouvant pas dans un même plan; par ailleurs, l'invention vise également la conservation du bénéfice qui résulte de façon connue de l'utilisation de mêmes aimants pour stabiliser l'armature dans ses deux positions extrêmes. Selon l'invention, le but visé est atteint grâce au fait que l'un des entrefers présente une faible réluctance sensible- ment constante, qui est obtenue grâce au déplacement relatif longitudinal de surfaces parallèles, appartenant respecti- vement à l'armature et au circuit magnétisable fixe. De façon annexe, l'invention porte sur des modes de réalisa- tion qui permettent soit de réduire la réluctance des entre- fers, dont la valeur est par construction sensiblement constante, soit de présenter des formes de circuits magnéti- sables ne nécessitant que l'application d'un nombre d'ampè- re-tours réduits, soit encore de réaliser l'électro-aimant sous des formes susceptibles de réduire les forces d'attrac- tion parasites qui se développent entre les deux surfaces voisines d'entrefers de faible épaisseur. -3- On connaît déjà, par exemple par le brevet FR N 2 568 402 des électro-aimants dans lesquels des mesures sont prises pour diminuer les ampère-tours développés par la bobine grâce à l'aménagement de deux entrefers dont l'un, ayant une réluctance variable pour engendrer des forces d'attraction, se trouve placé en série avec un second entrefer coulissant, dont la réluctance est faible et sensiblement constante; dans un tel électro-aimant o les circuits magnétisables ne présentent qu'une seule voie de circulation pour le flux de la bobine, on ne peut pas incorporer directement dans ce circuit un aimant permanent sans établir dans l'un ou l'autre de ses états une opposition des deux flux développés par la bobine et respectivement par l'aimant. L'invention, ainsi que divers modes de réalisation auxquels elle se prête, seront mieux compris à la lecture de la description ci-dessous et à l'examen des figures annexées qui illustrent: Aux figures 1, 2 et 3, un premier mode de réalisation asymétrique d'un électro-aimant selon l'invention représenté dans ses deux états stables et pour une position intermédiaire de l'armature; A la figure 4, une vue de l'électro-aimant qui corres- pond à la position de l'armature définie à la figure 3, et o est indiqué le partage de flux d'origines différentes; A la figure 5, un second mode de réalisation asymétri- que de l'électro-aimant, dans lequel le circuit magné- tisable associé à la bobine est modifié; A la figure 6, un électro-aimant dont la constitution répond à celle des figures 1 à 4 dans lequel des mesu- res sont prises pour réduire des forces d'attraction parasites; -4- A la figure 7, un électro-aimant dont la constitution répond à celle de la figure 5 et dans lequel des mesu- res sont prises pour réduire des forces d'attraction parasites; Aux figures 8 et 9, deux troisièmes modes de réalisa- tion qui dérivent de ceux représentés aux figures 1 et lorsque l'on donne à leurs éléments des formes de révolution autour d'axes voisins des entrefers coulissants; Aux figures 10 et 11, deux quatrièmes modes de réali- sation qui dérivent de ceux représentés aux figures 1 et 5 lorsque l'on donne à leurs éléments des formes de révolution autour d'axes passant par les entrefers de travail; Aux figures 12 et 13, deux cinquièmes modes de réali- sation qui, dans le cadre d'organes d'électro-aimants ayant des formes de révolution, font appel à deux entrefers coulissants situés l'un au voisinage de l'axe de symétrie, et l'autre à une distance voisine de la périphérie; Aux figures 14 et 15, deux vues de côté d'armatures ayant des formes de révolution et mettant en oeuvre des aimants permanents de différentes formes; et Aux figures 16 et 17, deux vues en coupes d'armatures ayant des formes de révolution et une orientation axiale de leurs pôles magnétiques. Selon un premier mode de réalisation 1 d'un électro-aimant selon l'invention, visible notamment à la figure 3, une armature mobile 2 est guidée longitudinalement le long d'une coulisse 18 appartenant à un boîtier 19 le long de direc- tions longitudinales F et G. - 5 - Cette armature, représentée sur cette figure dans une posi- tion intermédiaire instable - III -, comprend un aimant permanent 3 ayant des faces polaires transversalement oppo- sées 4 respectivement 5, qui sont respectivement reliées à des pièces polaires magnétisables 7 et 6; la pièce polaire 6 comporte elle-même deux prolongements opposés 6a, 6b dont l'un 6a coopère grâce à un entrefer constant 10 dont la réluctance avec une première branche 28 d'un circuit magné- tisable fixe 13 présentant une seconde branche 26 est faible et sensiblement constante lorsque l'armature se déplace. A ce circuit magnétisable 13 est associé une bobine d'exci- tation 14 qui est enroulée de façon connue sur une carcasse placée autour d'une branche 29, et présente deux bornes d'alimentation 16, 17. Entre une extrémité 12 de la branche 29 et la pièce polaire 7 se trouve un entrefer variable 9 dont la réluctance varie selon la position de l'armature. Le second prolongement 6b coopère grace à un entrefer 24 dont la réluctance est faible et sensiblement constante, avec une extrémité 26 d'une seconde pièce magnétisable fixe ; cette seconde pièce magnétisable possède, par ailleurs, une autre extrémité 27 qui est placée en regard de la pièce polaire 7, et se trouve séparée de celle-ci par un entrefer 23 dont la réluctance varie selon la position longitudinale de l'armature. Cette figure permet donc de saisir l'existence de deux paires 8 et 22 d'entrefers, o chaque paire comprend, d'une part, un entrefer de réluctance variable 9 respectivement 23 et, d'autre part, un entrefer 10 respectivement 24 de réluc- tance faible et sensiblement constante. Les entrefers 10 et 24 sont établis par des surfaces proches et parallèles à la direction - F, G -. - 6 - Bien que, notamment pour des raisons d'équilibrage, on puisse associer à l'armature un ou plusieurs organes élasti- ques agissant en sens F ou G, on ne fera pas intervenir ces organes dans le bilan des forces qui s'exercent sur celle- ci, lorsque des excitations opposées sont communiquées à la bobine et aux circuits grâce à la circulation dans un sens ou dans l'autre d'un courant dans cette dernière. Le fonctionnement de l'électro-aimant 1 sera expliqué à l'aide des figures 1, 2 et 3 qui comportent des circuits en traits continus pour représenter le flux 0B developpé par la bobine, et des circuits en traits interrompus pour représen- ter ceux 9a, 0al,' a2 qui sont développés par l'aimant permanent. Dans l'un des états stables - I - représenté à la figure 1, le flux 9a de l'aimant se referme à travers la pièce polaire 7, la branche 29, le noyau 30, ia branche 28, l'entrefer 10 de faible réluctance, le prolongement 6b et la pièce polaire 6, car les pièces 7 et 12 sont pratiquement en contact et une force d'attraction applique l'armature contre le circuit fixe 13; un faible flux de fuite jfl se referme par ailleurs à travers la pièce fixe 25. Lorsqu'un courant de sens approprié circule dans la bobine 14, le flux 0B circule à travers le noyau 30, la branche 29, l'entrefer 23, la pièce 25, l'entrefer 24, les prolongements 6b, 6a et l'entrefer 10; une telle circulation implique que, d'une part, les entrefers 24 et 10 aient une très faible réluctance et que, d'autre part, le flux GB' qui ne peut traverser l'aimant, soit développé par des ampère-tours de bobine suffisants pour vaincre la réluctance de l'entre- fer 23, qui est relativement plus importante. Lorsque ces ampère-tours sont suffisamment élevés, une pola- rité magnétique apparaissant à l'extrémité 27 attire la pièce polaire 7; ce phénomène se produit dès que 0B devient supérieur à Oa' et l'armature se déplace alors en sens G. -7. On remarquera que lorsque ce déplacement s'effectue, la réluctance de l'entrefer 32 diminue, alors qu'apparaît une réluctance dans l'entrefer 9. Pour que le mouvement puisse se prolonger, il est nécessaire que la réluctance globale Rg, autorisant la circulation du flux 0B et faisant alors intervenir en série deux réluctan- ces partielles, n'augmente sensiblement pas. Au fur et à mesure que l'armature s'éloigne du circuit fixe 13, le flux 9a diminue en raison de l'apparition de l'entre- fer 9 et l'attraction subie en sens F par cette armature diminue également. Pour une position particulière - III - de l'armature, visi- ble aux figures 3 et 4, le flux de l'aimant se partage en deux flux 0al' Oa2' circulant respectivement dans le circuit fixe 13 et dans le circuit fixe 25, de sorte que les actions motrices en sens F et en sens G développées par cet aimant, sont égales et de sens opposé. Il suffit, par suite, que l'excitation de la bobine soit maintenue jusqu'au moment o le déplacement en sens G de l'armature amène celle-ci légèrement au-delà de cette position particulière - III - pour que le flux 0a2 devienne prépondérant et attire ensuite l'armature jusqu'à une posi- tion proche de la pièce fixe 25; dans l'état stable - II - correspondant et visible à la figure 2, l'armature est donc encore maintenue par l'aimant permanent. Des entrefers résiduels, 23r respectivement 9r, ayant une faible épais- seur, peuvent être établis avantageusement entre les pièces polaires 7 et les extrémités 12, respectivement 27 pour atténuer les effets d'adhérence et faciliter le décollage de l'armature dans l'un ou l'autre sens. Le retour de l'armature de la position - II - vers la position - I d'origine est également opéré grace à une -8- excitation de courte durée de la bobine qui est alors parcourue par un courant de sens inverse au précédent. Au cours de cette opération, la circulation du flux.B qui change de sens, voir figure 2, et se referme notamment à travers la pièce fixe 25 en sens inverse du flux 9a de l'aimant permanent, de sorte que celui-ci est obligé de se refermer à travers la pièce polaire 4, l'entrefer 9, la pièce fixe magnétisable 13, l'entrefer 10 et le prolongement 6a de la pièce polaire 6. Les deux flux qui sont alors additifs dans les portions 4, 13, 10 et 6a provoquent l'apparition de forces d'attraction qui sont appliquées en sens F sur l'armature 2 et établis- sent son déplacement initial dans ce sens. D'une façon comparable à celle décrite précédemment, mais dans des sens opposés, le flux 0a2 diminue, et le flux 0al augmente, tandis que le flux OB reste sensiblement cons- tant; ici encore, il n'est donc pas nécessaire de maintenir une circulation du courant dans la bobine au-delà d'une position particulière de l'armature, qui est sensiblement voisine de la précédente, voir figure 4, pour que le dépla- cement de celle-ci en sens F se poursuive de lui-même et uniquement grâce à la présence de l'aimant permanent. La forme en U donnée ici à la culasse 13 permet d'effectuer une rechange de la bobine 14 par des déplacements relatifs de sens F et G de celle-ci. Selon une variante de réalisation 30 de l'invention, qui est visible à la figure 5, o l'armature 31 de l'électro-aimant se trouve dans sa position d'équilibre, les entrefers coulissants de faibles réluctances référencés précédemment 10 et 24 ne sont plus présents et la pièce ou épanouissement polaire 39 de l'armature 31 est associée par un unique entrefer E de faible réluctance avec une traverse magnétisa- ble 33 qui relie longitudinalement la branche 34 du circuit -9magnétisable fixe 35 associé à la bobine 36, avec la seconde pièce fixe 37. Dans ce mode de réalisation, l'armature mobile 32 peut être guidée longitudinalement en sens F et G dans le boîtier, grâce à une coulisse du boîtier 39 repré- sentée schématiquement en 38 du boîtier. Ce mode de réalisation est intéressant dans la mesure o il permet une diminution de la masse de l'armature en ne néces- sitant qu'un seul entrefer de faible réluctance E; ce dernier regroupe cependant les fonctions des deux entrefers précédents, ainsi que le montre en pointillé le partage du flux de l'aimant en deux flux $al et 0a2 circulant à travers deux entrefers voisins e1 et e2. Le mode de fonctionnement de cette variante de réalisation est tout à fait comparable à celui du précédent: toutefois, on appréciera que, pour un même flux 0B développé dans les circuits 34, 37, il ne sera pas nécessaire d'appliquer un nombre d'ampère-tours aussi élevé qu'auparavant, compte tenu de la disparition des entrefers placés antérieurement en 9 et 24. Dans les modes de réalisation 1 et 30 de l'invention, les moyens utilisés pour opérer le guidage longitudinal de l'armature doivent prendre en compte l'existence de forces d'attraction transversales qui se développent entre les pièces magnétisables séparées par les entrefers coulissants , 24 d'une part et E d'autre part; ces forces latérales parasites engendrent des frottements supplémentaires. Par ailleurs, un démontage de la bobine 36 n'est pas directement possible, sauf si la culasse 35 présente une pièce polaire a pouvant être dissociée de la branche 34. L'un des moyens que l'on peut utiliser pour réduire très sensiblement ces forces latérales parasites dans un mode de réalisation la, voir figure 6, consiste à faire traverser par les prolongements 6a, 6b deux ouvertures 41, 42 de sections analogues qui seront aménagées dans une jambe 28a - 10 - 2606927 - 10 - du circuit fixe 13a et respectivement dans l'extrémité 26a de la pièce fixe 25a. Dans un autre mode de réalisation 30a dérivé de celui de la figure 5 et visible à la figure 7, la pièce polaire 32a de l'armature 31a est pourvue d'une ouverture 43 entourant avec entrefer de faible réluctance E1 une traverse 33a de section analogue. Si l'on se propose en outre de faire jouer à ces nouveaux entrefers coulissants une fonction de guidage mécanique longitudinal et transversal, on pourra y disposer par exem- ple des bagues en matériau antifriction, les ouvertures et pièces traversantes ayant alors avantageusement des sec- tions circulaires ajustées. Selon deux autres modes de réalisation 50 et 60, qui déri- vent de ceux illustrés aux figures 5 et 1 en donnant aux pièces fixes et mobiles des formes de révolution, les élec- tro-aimants prennent avantageusement la forme de pots magné- tisables o sont opérés simultanément l'équilibrage des forces d'attraction ainsi qu'un guidage efficace et économi- que. Dans ces modes de réalisation, représentés aux figures 8 et 9, l'axe de symétrie XX', respectivement YY' passe sensible- ment par la pièce polaire 6 ou respectivement traverse 33, décrites précédemment, et les bobines 51 respectivement 61 sont logées dans des cavités annulaires 52 respectivement 62 concentriques à XX', respectivement YY'. Les armatures 53 respectivement 63 font ici appel à des aimants permanents 54 respectivement 64, ayant par exemple, des formes annulaires visibles à la figure 14. Selon deux autres modes de réalisation 70 et 80 qui sont visibles aux figures 10 et 11, qui dérivent également de ceux illustrés aux figures 1 et 5 en donnant aux pièces - 11 - fixes et mobiles des formes de révolution autour d'axes WW' respectivement ZZ' passant longitudinalement par les jambes 29 respectivement 43, on obtient des avantages comparables à ceux procurés par les modes de réalisation 50 et 60. Un avantage commun aux modes de réalisation 50, 60, 70, 80 est qu'ils permettent d'opérer aisément un changement des bobines 51, 61, 71, 81 grace à la présence de fonds démonta- bles 55, 65, 72, 82 et respectivement de couvercles 56, 66 placés dans des régions accessibles de bottiers 57, 67, 73, 83 conformés pour maintenir par ailleurs les autres pièces fixes et indémontables. On peut présenter des variantes 105, 106 en opérant des combinaisons de structures, voir figures 12 et 13, dans lesquelles les deux entrefers coulissants de faible réluc- tance sont disposés, l'un 91 respectivement 92 à la périphé- rie d'une première pièce fixe et magnétisable 93 respective- ment 94, l'autre 95 respectivement 96 dans une région centrale d'une seconde pièce fixe magnétisable 97 respecti- vement 98. Selon le mode de réalisation de la figure 12, on a en outre déplacé vers le fond 99 de la pièce fixe 97 l'un des entre- fers d'attraction qui se trouve ici éloigné de l'aimant permanent 100. Lorsque les armatures mobiles, telles que 101, respective- ment 103 prennent la forme de disques comme le cas se présente dans les figures 8 à 13, on peut faire appel soit à un unique aimant permanent 102 ayant une forme annulaire, voir figure 14, soit encore à une multiplicité d'aimants permanents qui sont ajustés dans des alvéoles telles que 104, respectivement 105 et qui peuvent prendre des formes circulaires 106 ou respectivement rectangulaires 107; dans tous les cas représentés ici, les axes de magnétisation sont radiaux. - 12 - 2606927 -12 - Il est par ailleurs possible de donner aux aimants des arma- tures mobiles ayant des formes de révolution, d'autres directions d'aimantation non radiales. Aux figures 16 et 17, les armatures 110 respectivement 111 font appel à un même type d'aimant annulaire 112 dans lequel la proportion de la hauteur par rapport au diamètre moyen a été augmentée et o la direction de l'aimantation NS est parallèle à l'axe de révolution KK'. Des pièces polaires massives 113, 114 qui peuvent être asso- ciées à chacun des pôles magnétiques le long de surfaces externes et internes de l'aimant, voir figure 16, amènent ici à opérer un décalage axial - d - des entrefers coulis- sants. A la figure 17, des pièces polaires décolletées ou embouties , respectivement 116 sont associées à l'aimant permanent 112 grâce à des rétrécissements respectivement à des élar- gissements de leurs diamètres moyens de sorte que les entre- fers coulissants sont ici disposés par un plan moyen trans- versal MM' qui est sensiblement le même que celui de l'aimant. Des dispositions comparables peuvent naturellement être choisies lorsque les armatures mobiles ne prennent pas une forme de révolution ainsi que cela est mis en oeuvre aux figures 1 à 7. - 13 - Revendications 1. Electro-aimant polarisé bi-stable comprenant un circuit magnétisable fixe qui est excité par un bobinage associé dans lequel circule un courant électrique selon l'une de deux polarités possibles, et une armature mobile présentant un aimant permanent aux deux faces polaires oppo- sées duquel sont reliées deux pièces polaires respectives, cette armature étant apte à se déplacer longitudinalement entre deux positions pour chacune desquelles ces pièces polaires coopèrent avec des portions distinctes du circuit fixe par l'intermédiaire de deux entrefers placés en série, dont l'un au moins est variable, caractérisé en ce que l'un des entrefers (10, 24) respecti- vement (E2, E3) présente une faible réluctance sensiblement constante, qui est obtenue grace au déplacement relatif longitudinal de surfaces parallèles (28', 6'al), (26', 6bl), (32', 33'), appartenant respectivement à l'armature (2, 31) respectivement (2a) et au circuit magnétisable fixe (13) respectivement (35, 13a) 2. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des pièces polaires (6) de l'armature (2) présente deux prolongements (6ai 6b) coopé- rant respectivement l'un avec une branche (28) d'un premier circuit magnétisable fixe (13) associé à la bobine (14), et l'autre avec une extrémité (26) d'un second circuit magnéti- sable fixe (25) séparé du premier, ces prolongements consti- tuant chacun l'une des faces de deux entrefers sensiblement constants (10) respectivement (24) placés en série avec deux entrefers variables (9, 23) parcourus par le flux (Ob) développé par la bobine. 3. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des pièces polaires (32) présen- te un épanouissement (32c) coopérant avec une traverse (33) qui relie magnétiquement une branche (34) d'un premier - 14 - circuit magnétisable fixe (35) et une extrémité d'un second circuit magnétisable (37), cet épanouissement portant l'une des faces de deux entrefers contigus (el, e2) sensiblement constants, et placés en série avec le flux ( a) développé par l'aimant permanent (3). 4. Electro-aimant selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les prolongements (6a, 6b), respecti- vement épanouissement (32c), coopèrent avec les portions de circuits fixes concernés (13 a, 25a) respectivement i33a) à l'aide d'entrefers annulaires (- E1 E2 E3 -) de façon à annuler des attractions magnétiques perpendiculaires à la direction de déplacement (- F. G -) de l'armature (2a) respectivement (31a). 5. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les circuits magnétisables fixes (58, 59) respectivement (68, 69), les bobines (51, 61) et l'arma- ture mobile (53, 63) prennent la forme de solides de révolu- tion autour d'axes (XX'), (YY') passant par les prolonge- ments (69a, 69B), respectivement par la traverse (33d). 6. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les circuits magnétisables fixes (75, 76), (85, 86), les bobines (74, 84) et l'armature mobile (77, 87) prennent la forme de solides de révolution autour d'axes (WW'), (ZZ') passant parallèlement à la direction de déplacement (- F, G -) de l'armature par une pièce polaire (78) respectivement (88) opposée à celle qui porte les prolongements (87a, 87b), respectivement à l'épanouissement (79). 7. Electro-aimant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les aimants permanents (3, 100) - 15 - respectivement (112) présentent des directions de magnéti- sation qui sont indifféremment radiales ou respectivement axiales par rapport au mouvement de l'armature (2, 77, 87) respectivement (110, 111).