Brevet FR2635404A1 — publié le 19900216

ACTIONNEUR A SOLENOIDE AMELIORE 1. Domaine de l'invention Cette invention concerne les actionneurs à solénoïde destinés à des commutateurs et à d'autres appareils électriques. 2. Description de la technique Bien que beaucoup de progrès aient été faits récemment dans la technologie des appareils de commutation entièrement électroniques, il faut encore disposer d'actionneurs électromagnétiques dans de nombreuses applications pour lesquelles les appareils entièrement électroniques ne conviennent pas. Par suite, il existe un besoin d'actionneurs électromagnétiques fiables, en particulier dans les applications o l'appareil est soumis à des vibrations, à des chocs importants, à des accélérations élevées ainsi qu'à des températures et à Aie humidité variables. Dans le passé, les appareils de commutation électronique qui, comme les relais, pouvaient supporter - 2 - cet environnement difficile étaient souvent particulièrement complexes. Par suite, beaucoup de ces anciens appareils. sont coûteux et difficiles à fabriquer. Par exemple, un relais ancien typique est un modèle 412 K Série T0-5 fabriqué par Teledyne Corporation. Ce relais se compose d'une armature à pinces comportant deux petits poussoirs et une perle de verre isolante qui pousse une lame de relais, d'une première position pour la mettre à une deuxième position, lorsque la force électromagnétique attire l'armature et un gros ressort de rappel pour ramener l'armature à sa première position lorsque l'électro- aimant est mis au repos. La construction de l'armature ainsi que la disposition complexe des éléments de contact rendent ce relais difficile à fabriquer. Ce modèle est également caractérisé par un nombre relativement élevé de pièces mobiles et de joints soudés qui peuvent tomber en panne. Par suite, la fiabilité de ce relais limite son utilité dans de nombreuses applications. Dans un autre modèle antérieur, le système composé du ressort et de l'armature est remplacé par un actionneur coulissant en forme de barre accouplé mécaniquement à la lame de contact. La pièce mobile est équipée d'un aimant permanent déporté qui est habituellement attiré vers l'étrier et le noyau de l'électro-aimant. Ainsi, la pièce mobile et la lame de contact sont maintenues dans une première position. La mise au travail de l'électro-aimant repousse l'aimant permanent, ce qui a pour effet de déplacer la pièce mobile et la lame pour les mettre dans une deuxième position. Bien que ce modèle soit une amélioration par rapport au relais T0-5 mentionné ci-dessus, il n'a qu'une seule position stable et il consomme beaucoup d'énergie pour repousser l'aimant permanent. -3- Dans un autre modèle, une armature faite d'un matériau ferro-magnétique est placée sous un électro- aimant. Pour accroître la résistance aux chocs et aux vibrations, un aimant permanent est placé de telle façon que l'armature est maintenue dans une position par la force d'attraction de l'aimant permanent. Lorsque l'électro-aimant de l'actionneur est mis au travail, la force d'attraction de l'électro-aimant devient plus forte que celle de l'aimant permanent et l'armature est amenée à une deuxième position. Ce modèle consomme beaucoup d'énergie pour contrecarrer l'effet de l'aimant permanent. Un objet de la présente invention est de fournir un actionneur à solénoïde amélioré qui, dans la pratique, permet d'éviter les limitations mentionnées ci-dessus, en particulier grâce à un montage mécanique relati-vement peu compliqué. Un autre objet de l'invention est de fournir un actionneur à solénoïde qui est à la fois très fiable, de construction simple, relativement peu coûteux à fabriquer et capable de supporter les conditions d'environnement typiques des applications exigeant de tels actionneurs. Un actionneur conforme à une réalisation préférée de la présente invention se compose d'une pièce mobile munie d'un aimant permanent placé coaxialement sous le noyau d'un électro-aimant. La pièce mobile est accouplée à l'élément à actionner, et, est maintenue dans une première position par la force d'attraction de l'aimant permanent agissant sur l'électro-aimant. Lorsque l'électro-aimant est mis au travail, il repousse l'aimant permanent, déplace la pièce mobile et l'élément actionné pour le mettre à une deuxième position. Dans une réalisation préférée, l'actionneur a aussi une masse de matériau ferro-magnétique placée à côté de la deuxième position. Lorsque l'électro-aimant -4-- est mis au travail, l'attraction de l'aimant permanent de la pièce mobile sur la masse ferro-magnétique se combine avec la force de répulsion de l'électro-aimant pour déplacer la pièce mobile et la mettre à la deuxième position. On s'est rendu compte que ce montage réduit l'importance de la force de répulsion que doit fournir l'électro-aimant et entraine donc une réduction de la consommation d'énergie de l'actionneur. De plus, la taille de la masse de matériau ferro- magnétique peut être modulée afin de tenir la pièce mobile à la deuxième position, après que l'électro- aimant soit mis au repos, ce qui permet de disposer d'une deuxième position stable. Les autres avantages ainsi que la structure de l'invention seront mieux compris en lisant la description détaillée qui suit ainsi que les dessins joints. La figure 1 est une coupe d'un actionneur à solénoïde conforme à une réalisation de la présente invention, et illustrant la position de la pièce mobile lorsque l'électro-aimant est au repos. La figure 2 est une coupe de l'actionneur de la figure 1, illustrant la position de la pièce mobile lorsque l'électro-aimant est au travail. Les figures 1 et 2 présentent un actionneur à solénoïde 10 conforme à une réalisation préférée de la présente invention. Illustré en coupe, l'actionneur 10 est pratiquement symétrique par rapport à l'axe central AA. L'actionneur 10 peut être utilisé pour actionner un certain nombre de dispositifs électro- mécaniques comme des relais HF et CC ainsi que des interrupteurs à lames souples et des atténuateurs HF, des diviseurs de puissance et d'autres encore. L'actionneur 10 se compose d'un électro-aimant 12 composé d'un enroulement de fil conducteur 14 enroulé autour d'une bobine de forme cylindrique 16. Centré -5- dans l'enroulement 14, se trouve un noyau 18 fait d'un matériau ferro-magnétique. Le circuit magnétique est complété par un étrier 20 également fait en matériau ferro-magnétique. -L'étrier 20 se compose d'un membre porteur 22 en forme de U inversé accouplé au noyau 18 à une extrémité de l'enroulement 14 et d'une paire de pièces radiales longitudinales 24 et 26 qui se trouvent entre les extrémités du membre -porteur 22 et se prolongent vers l'intérieur, vers le centre de l'autre extrémité de l'enroulement 14, comme il apparaît aux figures 1 et 2. Pour actionner la lame conductrice ou un autre élément mobile d'un relais ou d'un autre appareil électrique, l'actionneur 10 a aussi une pièce mobile 28 adaptée pour se déplacer suivant l'axe central A-A, dans le manchon 30. Dans la réalisation illustrée, la surface extérieure de la pièce mobile 28 et la surface intérieure 32 du manchon 30 sont de forme cylindrique, le diamètre extérieur de la pièce mobile 28 étant légèrement plus petit que le diamètre intérieur du manchon 30, afin de permettre un mouvement axial libre de la pièce mobile 28 dans le manchon 30. Bien entendu, il est tout à fait possible de donner d'autres formes. à la pièce mobile 28. De plus, le manchon 30 peut être omis, et dans ce cas, le guidage peut par exemple est assuré par le corps de l'appareil. Un doigt 34 accouple la pièce mobile 28 à l'élément mobile à actionner. Dans la réalisation illustrée, le doigt 34 est fait d'un matériau isolant non-magnétique pour qu'il puisse, le cas échéant, engager directement des éléments conducteurs de l'électricité, par exemple des lames souples. Un aimant permanent 36 est intégré à la pièce mobile 28. La coupe horizontale de l'aimant 36 est carrée mais d'autres formes, par exemple une forme arrondie, sont-également utilisables. Comme il apparaît -6- en repérant les symboles "N" et "S" les pôles nord et sud de l'aimant 36 sont alignés coaxialement avec l'axe central A-A de l'enroulement et le noyau de l'électro- aimant de l'actionneur. Lorsque l'enroulement 14 de l'électro-aimant 12 n'est plus sous tension, c'est-à- dire est mis au repos, l'aimant permanent 36 est attiré par le noyau 18 de l'électro-aimant 12, amenant la pièce mobile 28 à la "première" position de l'actionneur 10, comme il apparaît à la figure 1. Ainsi, l'élément mobile accouplé à la pièce mobile 28 par le doigt 34 du curseur est maintenu dans une "première" position qui correspond à la première position de la pièce mobile qui est illustrée à la figure 1. A la mise sous tension de l'électro-aimant, l'électro- aimant exerce une force électromagnétique coaxiale sur l'aimant permanent 36 de la pièce mobile 28, repoussant l'aimant permanent 36 par rapport au noyau 18 de l'électro-aimant et déplaçant la pièce mobile 28 axialement pour la mettre à la "deuxième" position illustrée à la figure 2. Pour réduire davantage l'importance de la force de répulsion (et donc l'énergie électrique) requise par l'électro-aimant, l'actionneur 10 de la réalisation illustrée comprend aussi une masse 38 de matériau ferromagnétique doux placée à côté de la deuxième position de la pièce mobile 28. L'aimant permanent 36 de la pièce mobile 28 est attiré vers la masse ferro-magnétique 38 et cette force d'attraction se combine avec la force de répulsion de l'électro-aimant pour déplacer la pièce mobile et l'amener à la deuxième position de la figure 2. De cette façon, l'élément mobile couplé-à la pièce mobile 28 est mis à une deuxième position. Dans la réalisation illustrée, la masse ferro- magnétique 38 a la forme générale d'une pièce annulaire et, est positionnée de façon équidistante par rapport à -7- l'axe central A-A. Bien entendu il est tout à fait possible que la masse 38 ait d'autres formes. Dans une réalisation, la masse ferro-magnétique 38 est dimensionnée et placée de façon que, dans la deuxième position de la figure 2, la force d'attraction de l'aimant permanent 36 sur le noyau 18 et l'étrier 20 de l'électro-aimant 12 soit supérieure à la force d'attraction sur la masse ferro-magnétique 38. En conséquence, à la mise au repos de l'électro-aimant, la pièce mobile 28 revient à la première position illustrée à la figure 1. Dans cette disposition, l'actionneur 10 est considéré comme étant "normalement" à la première position. Alternativement, la taille de la masse ferro- magnétique 38 peut être accrue pour que l'attraction de l'aimant permanent 36 pour la masse ferro-magnétique 38 soit supérieure à l'attraction pour le noyau 18 et l'étrier 20 de l'électro-aimant lorsque la pièce mobile 28 est à la deuxième position de la figure 2. En conséquence, à la mise au repos de l'électro-aimant, la pièce mobile 28 reste dans' cette deuxième position. Dans cette disposition, l'actionneur 10 doit être considéré comme étant bistable, c'est-à-dire comme ayant' deux positions stables. Pour ramener la pièce mobile 28 à la première position de la figure 1, l'électroaimant peut être remis au travail, le courant traversant l'enroulement 14 étant inversé, provoquant ainsi l'inversion des pôles de l'électro-aimant. Par suite, l'aimant permanent 36 de la pièce mobile 28 est également attiré vers l'électro-aimant par la force électromagnétique exercée par l'électro-aimant, en surmontant l'attraction de l'aimant permanent 36 sur la masse ferro-magnétique 38. Alternativement, un deuxième enroulement (non représenté) dont le bobinage est dans la direction opposée de celui de l'enroulement 14 pourrait être mis en oeuvre. -8- Dans une autre réalisation possible, la masse ferro-magnétique 38 peut être supprimée. Il est apparu que ce montage fonctionnait de façon tout à fait satisfaisante. Toutefois, la consommation électrique de l'électro-aimant se trouve accrue par la-suppression de la masse 38. De préférence, la gamme des mouvements admissibles de l'élément mobile couplé à la pièce mobile 28 est limitée pour que celle-ci ne puisse pas entrer en contact avec l'électro-aimant 12 lorsqu'elle est à la première position de la figure 1. Cette disposition réduit également la quantité d'énergie requise pour déplacer ultérieurement la pièce mobile 28 afin de la mettre à la deuxième position de la figure 2. D'une façon similaire, la deuxième position de la pièce mobile 28 de la figure 2 peut être définie en limitant les possibilités de déplacement de l'élément mobile vers sa deuxième position. Par exemple, un élément mobile comme une lame souple peut engager alternativement deux bornes de contact 42 et 44 qui définissent la première et la deuxième position et, delà, l'intervalle de déplacement de la lame 40. Puisque la pièce mobile 28 est couplée à la lame conductrice 40 par le doigt coulissant 34, la première et la deuxième position de la pièce mobile sont définies par la première et la deuxième position de la lame conductrice 30. En conséquence, l'actionneur 10 se règle lui-même. En d'autres termes, la pièce mobile 28 déplace toujours la lame conductrice 40 afin qu'elle soit engagée réellement avec une des deux bornes de contact 42 et 44, assurant une bonne connexion électrique entre la lame conductrice et la borne associée. Il faut également noter, à partir de ce qui précède, que l'actionneur 10 n'a qu'une seule piece mobile, la pièce mobile 28, mis à part l'élément mobile -9- qui est actionné. Le nombre minimum de pièces mobiles a pour conséquence que la fiabilité de l'actionneur 10 est accrue. De plus, la facilité de fabrication est ellemême accrue et comporte aussi une diminution correspondante du prix de revient. Plus encore, il apparaît que l'actionneur 10 de la réalisation illustrée est capable de travailler à des vitesses plus élevées que beaucoup d'actionneurs anciens. La simplicité de la conception assure également une résistance élevée à la dégradation provoquée par des conditions extrêmes d'environnement comme les chocs, les accélérations, les vibrations, les variations de la température et de l'humidité. Bien entendu, beaucoup de modifications peuvent être apportées à la présente invention, dans ses différents aspects, et ces variantes seront évidentes à ceux qui connaissent cette technique, certaines ne devenant apparentes qu'après étude et d'autres n'étant que des problèmes quotidiens des travaux de conception électro-mécanique. Par exemple, des tailles et des formes autres que celles décrites peuvent être utilisées. D'autres modifications et variations sont également possibles, chaque conception spécifique dépendant d'une application particulière. Par conséquence, le domaine de l'invention doit en aucun cas être limité par les réalisations particulières décrites ci-dessus, il doit au contraire être défini par les revendications qui suivent et leurs équivalents. - 10 - REVENDICATIONS: 1. Un actionneur(10) pour déplacer une pièce mobile, est composé des éléments suivants: une pièce mobile 28) comprenant un aimant permanent(12) , la pièce mobile(28) étant couplée à l'élément mobile est étant placé dans une première position, ladite pièce mobile(28) et l'élément mobile étant déplaçables entre ladite première position et une deuxième position, un électro-aimant(12) positionné pour attirer l'aimant permanent de la pièce mobile jusqu'à la première position et pour repousser- l'aimant permanent(36) de la pièce mobile(28)lorsque l'électro- aimant(12)est mis au travail; et une masse de matériau ferromagnétique(38)placée à côté de la deuxième position, pour attirer l'aimant permanent(36); et dans lequel la pièce mobile(28)est amenée à la deuxième position par la répulsion de l'aimant permanent(36) de Je pièce mobile(28), par l'électro- aimant (12)lorsqu'il est mis au travail, et l'attraction de la masse ferro magnétique(381. 2. L'actionneur(10) de la revendication 1 dans lequel la masse ferromagnétique(38) est de taille suffisante pour retenir l'aimant permanent(36) de la pièce mobile dans la deuxième position, après que l'électro-aimant(12)ait été mis au repos. 3. L'actionneur(10) de la revendication 1 dans lequel l'élément mobile est une lame souple. 4. L'actionneur(10) de la revendication 1 dans lequel la masse ferromagnétique(38) est une forme annulaire placée autour du chemin de l'aimant permanent(36)de la pièce mobile(28). 5. L'actionneur 0) de la revendication 4 est composé aussi d'un manchon circulaire(30)dans lequel la pièce mobile est disposée pour pouvoir se déplacer, la - l - 2635404 masse annulaire ferro-magnétique étant positionnée autour du manchon(30). 6. Un actionneur(10) pour déplacer un élément mobile est composé des éléments suivants: une pièce mobile(28) composée d'un aimant permanent(36) , la pièce mobile(28) étant couplée à l'élément mobile et étant placée dans une première position, ladite pièce mobile(28) et l'élément mobile pouvant se déplacer entre ladite première position et une deuxième position; et un électro-aimant(12) ayant un noyau aligné coaxialement avec les pôles de l'aimant permanent de la pièce mobile(28)pour attirer l'aimant permanent de la pièce mobile jusqu'à la première position et pour repousser l'aimant permanent(36) de la pièce mobile(28) par un champ magnétique lorsque l'électro-aimant(12).est mis au travail, pour amener ainsi l'aimant permanent(36) de la pièce mobile(28)à la deuxième position. Un actionneur à solénoïde ayant une pièce mobile(28) associée à un aimant permanent(36). Lorsque l'électro-aimant((12) est mis au travail, l'électro- aimant(12) repousse l'aimant permanent(361, déplaçant l'aimant permanent(36) de la pièce mobile(28) pour 'la mettre à une deuxième position, sous l'influence d'une masse de matériau ferro-magn6tique(38) qui est placée à côté de la deuxième position. Dans une réalisation préférée, les pôles de l'aimant permanent(36) de la pièce mobile(28) sont alignés coaxialement avec l'enroulement et le noyau de l'électroaimant(121 Dans une autre réalisation, la masse de matériau ferro- magnétique(38)peut être supprimée.