Brevet FR2666927A1 — publié le 19920320

La présente invention concerne un relais électromagnétique du type à alimentation intermittente. Elle trouve application dans la réalisation notamment de relais destinés à commuter des signaux, des tensions, ou des courants ou encore à interrompre des alimentations en courants électriques ou des signaux. Dans l'art antérieur on a déjà proposé des relais électromagnétiques dont l'alimentation en courant électrique destinée à leur fonctionnement, ne dure pratiquement que la durée de commutation. En particulier, ces relais consomment peu de courant. Ils restent dans une position stable entre deux périodes de commutation. Cette technologie permet en particulier de limiter la consommation électrique d'une part et de limiter l'échauffement thermique des ensembles électriques dotés de tels relais, d'autre part. Dans l'art antérieur de tels relais présentent en général une position de repos maintenue par un aimant permanent, qui agit sur une armature en matériau magnétique, cette armature étant mobile ou bien en translation ou bien en pivotement de façon à quitter la position de repos vers une autre position. Pour entraîner ce mouvement de l'armature lors de la commutation, on réalise une magnétisation de sens opposé à celle de l'aimant permanent maintenant la position de repos, pendant au moins le temps pour faire basculer l'armature loin de sa position de repos.En particulier ce principe sert dans les applications monostables où la position de repos est unique et où il faut, pendant le temps d'application de la commande, écarter l'armature de sa position de repos d'une part et les applications bistables dans lesquelles une seconde position de repos est maintenue par un second aimant permanent de polarités géométriquement opposées à celles du premier aimant destiné à maintenir la première position de repos. L'énergie magnétique transmise à l'armature au déclenchement de la commande est fabriquée par une bobine dont les deux bornes d'entrée reçoivent un signal de polarité déterminée selon le sens du mouvement désiré de l'armature. D'autre part, l'armature porte, ainsi qu'il est connu, un certain nombre d'organes mobiles comme des doigts de contact mobiles, dotés de ressorts qui participent à la stabilité du relais. Dans les réalisations antérieures, les relais électromagnétiques impulsionnels, dont l'armature pivote relativement au boîtier du relais, sont généralement soumis au défaut suivant. La bobine destinée à magnétiser l'armature entoure celle-ci à une distance non négligeable des parties ferromagnétiques. De ce fait, le pivotement de l'armature exige un faible couplage magnétique entre les parois de la bobine et l'armature proprement dite. Il s'ensuit que la bobine doit être dimensionnée en conséquence. De plus, l'amplitude du mouvement de basculement est limitée par l'ouverture de la bobine. Afin de porter remède à cet inconvénient de l'art antérieur, la présente invention concerne un relais électromagnétique du type à alimentation intermittente, comportant une armature mobile destinée à déplacer au moins un organe comme un contact ou un doigt de contact mobile, depuis au moins une position de repos. L'armature est liée mécaniquement et magnétiquement à un noyau magnétique, mobile en rotation autour de l'axe central de l'alésage d'une bobine solénoïdale, alimentée par une tension polarisée intermittente de commande d'activation du relais. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des figures annexées qui sont - la figure 1 : un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 : un schéma représentant la relation entre tension de commande et position de l'armature dans un mode de fonctionnement du relais de la figure 1, - la figure 3 : un autre exemple de réalisation de la présente invention dans une configuration bistable, - la figure 4 : un schéma représentant la relation entre la tension de commande et le mouvement de l'armature dans l'exemple de la figure 3, - la figure 5 : un autre mode de réalisation d'un relais selon l'invention, - les figures 6a à 6d : des schémas représentant le parcours des flux magnétiques dans un mode de réalisation préféré, - la figure 7 : un éclaté d'un relais bistable dans un mode de réalisation préféré de l'invention, - la figure 8 : un développé de montage de la partie principale du relais de la figure 8, - la figure 9 : un schéma portant les cotes du relais de la figure 8, - la figure 10 : un tableau d'essai. A la figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation selon la présente invention. Le relais comporte schématiquement une platine 1 sur laquelle est monté un moyen pour maintenir une position de repos. La position de repos est repérée par la référence 2. Le moyen pour maintenir la position de repos 2 est constitué par un aimant permanent 3 sous forme d'un barreau en matériau ferromagnétique à rémanence convenable qui, au dessin, présente un pôle nord du côté de la position de repos 2 et un pôle sud à l'opposé du barreau. L'un des pôles de l'aimant permanent est donc contigu ou voisin à la position de repos du relais. D'autre part, la platine porte une bobine 4 constituée par un solénoïde enroulé sur un tube limitant un alésage 5 autour de l'axe central de l'enroulement 4. A l'intérieur de l'enroulement dans l'alésage 5, est disposé un noyau 6 en matériau ferromagnétique magnétisable dont une extrémité sortant de l'alésage 5 porte un bras 7 s'étendant vers la position de repos. L'armature mobile du relais électromagnétique selon l'invention est constituée par le bras 7 et le noyau 6. Le bras 7 s'étend perpendiculairement à la direction de l'axe central de l'alésage 5 jusqu'au niveau de la position de repos 2. Quand la bobine est inactive, l'aimant permanent 3 exerce une attraction sur le bras 7 en matériau magnétisable et maintient la position de l'armature mobile sur la position de repos 2. Les dimensions géométriques et magnétiques de l'aimant permanent 3 et de l'armature 6,7 sont telles que le relais est capable de maintenir la position de repos malgré les vibrations et accélérations auxquelles le relais est admis. D'autre part l'enroulement ou bobine solénoïdale 4 comporte une borne de sortie et une borne d'entrée 8,9 qui sont accessibles de l'extérieur du relais. A ces bornes, on applique une tension de commande VC destinée à magnétiser avec une polarité convenable l'armature mobile 6,7. Quand le sens du courant dans la bobine 4 est convenable, le bras 7 de l'armature mobile prend une polarité opposée à la polarité de l'aimant permanent disposé du côté de la position de repos 2. Il s'ensuit que le bras mobile 7 reçoit une force l'éloignant de la position de repos 2 vers une position repérée 10. Dans le cas d'un relais monostable cette position 10 est une position instable qui peut être marquée ou bien par un moyen de blocage temporaire ou bien par une butée. Dans un exemple de réalisation particulier, la butée comporte un moyen d'amortissement du choc de l'armature sur la butée dans la position 10. Dans un autre mode de réalisation, la position 10 est maintenue par un cliquet qui peut être effacé par un effort de retour vers la position 2, appliqué sur l'armature 6,7. A la figure 2, on a représenté la relation tension de commande à position de l'armature. Sur la figure 2a, on a représenté sur l'axe horizontal, des durées et sur l'axe vertical, l'amplitude de la tension de commande VC. A la figure 2b, on a représenté le temps le long de l'axe horizontal et la position du relais le long de l'axe vertical, soit une position de repos 2 et active 10. Avec une tension de polarité convenable VO, constituée par une impulsion de tension aux bornes 8 et 9, l'armature 6,7 tourne jusqu'à la position 10 qui est maintenue pendant toute la durée où l'impulsion VC est maintenue à la tension VO. Puis la tension VC passe à une polarité de sens inverse -V1 qui permet de redonner à l'armature 7 la même polarité magnétique que le pôle du côté de la position de repos 2 sur l'aimant permanent. Dans un autre mode de réalisation, la tension de commande est toujours du signe de VO et s'annule. Le matériau du bras 7 de l'armature mobile est tel que sa rémanence est dimensionnée par rapport au champ rémanent de l'aimant permanent 3. Au bout d'un certain temps, l'aimant permanent combat l'aimantation rémanente de l'armature mobile qui est alors attirée vers la position de repos 2 et le rappel se fait alors de façon naturelle. Un tel relais permet principalement de contrôler l'écart à une position de repos. Dans un certain nombre d'applications, on a besoin de contrôler aussi une seconde position de repos. Un tel relais bistable peut être facilement réalisé selon l'invention. A la figure 3, on a représenté un schéma de principe d'un tel relais bistable. Le relais bistable est vu en coupe partielle et comporte deux aimants permanents constitués par des barreaux 15 et 16 de polarité opposée, au moins pour leur extrémité homologue. Ainsi, sur la figure 3, les barreaux 15,16 sont de formes allongées dans une direction dite direction verticale. D'autre part, le relais comporte, ainsi qu'on l'a déjà vu, une bobine 17 comportant un alésage central 18 à l'intérieur duquel est disposé un noyau 19. Le noyau 19 est solidaire mécaniquement et magnétiquement du bras 20 de l'armature du relais. Sur la figure, le bras 20 est dans la position repérée 21. La polarisation magnétique est telle que l'extrémité du bras 20 est de polarité N. Dans cette situation, le bras 20 est en contact avec l'aimant 16. L'extrémité du bras 20 peut présenter un plateau ou volet en matériau magnétisable par la bobine 17. Ce volet peut être de forme telle que, en position de repos, sa face en regard soit parallèle à la face du barreau marquant la position de repos. La bobine 17 comporte deux bornes 23,24 sur lesquelles on applique une tension de commande VC. Quand la tension est telle que la polarité magnétique du bras 20 est inversée, c'est-à-dire passe à une valeur S, le pôle 16 repousse violemment le bras. Dans un mode de réalisation particulier, dans le même temps que le bras est repoussé par les polarités identiques du volet et de l'aimant 16, il est attiré par l'aimant permanent 15 marquant et fixant la seconde position stable du relais. De ce fait, le bras 20 de l'armature bascule autour de l'axe de l'alésage 18. De même la position de repos 22 est obtenue par l'aimant permanent 15.Dans un tel fonctionnement représenté à la figure 4, une impulsion d'une durée pré-déterminée T1 est appliquée avec une polarité positive VO qui place l'armature dans la position 21. Cette position représentée à la figure 4b est maintenue tant qu'une impulsion de tension opposée -V1 est appliquée aux bornes 23,24 de la bobine 17. La position passe alors en position 22. A la figure 5, on a représenté une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de la présente invention. Cette coupe d'une vue de face permet de voir par les symétries de cette figure que le relais de l'invention comporte quatre aimants permanents sous forme de barreaux verticaux, dont deux seulement sont représentés 30 et 31. L'aimant 30 est un aimant permanent de maintien de la position stable PS1 dans laquelle le relais est représenté à la figure 5, tandis que l'aimant 31 est un aimant permanent pour maintenir l'autre position stable PS2. Les polarités des deux aimants 30 et 31 sont donc inversées. Le relais comporte une bobine 32 dotée de deux fils de sortie 33 et 34 et d'un alésage central 35. Un noyau cylindrique 37 réalisé en un matériau magnétique peut tourner autour de l'axe central de cette bobine. Le noyau 37 est relié mécaniquement et magnétiquement à deux bras supérieur 38 et inférieur 39. Ces bras sont prolongés par des volets respectivement nord N40 et 41 et sud S42 et 43. Les volets supérieurs 40 et 41 sont reliés par un bras supérieur 44 et les volets inférieurs par un bras inférieur 45.Quand le courant fourni à la bobine 32 est d'une polarité permettant d'inverser les polarités des parties supérieure et inférieure de l'armature, les aimants permanents 30 et 31 chassent l'armature qui pivote autour de l'axe 36. On réalise ici que l'invention permet de multiplier les actions magnétiques autour de l'axe 36 de façon à obtenir une commutation plus puissante que dans le cas d'un basculement d'une armature à l'intérieur d'un aimant. A la figure 6a on a représenté à trois dimensions une vue du circuit magnétique constitué par le relais bistable de l'invention. Selon l'invention, le relais comporte deux bras longitudinaux gauche 50 et droit 51 de formes allongées, qui sont reliés perpendiculairement par deux pièces de fermeture 52 et 53. Ces pièces de fermeture présentent une réluctance magnétique 2Rm. Les parties longitudinales de bras gauche et droit 50 et 51 présentent respectivement des réluctances Rmh gauche et Rmh droit. Ce circuit magnétique 50-53 constitue le stator du relais de l'invention. Un axe de rotation 54 est disposé au centre du circuit magnétique 50-53 autour duquel pivote un bras supérieur 55 et un bras inférieur 56. Ces bras sont reliés par une colonne 57 autour de laquelle est disposée une bobine 58 alimentée de manière impulsionnelle. A la figure 6a le relais est présenté dans la position dans laquelle le bras supérieur 55 est en contact avec le bras 50 de gauche du stator. A la figure 6b on a représenté une vue de dessus du schéma de la figure 6a. Le stator 50-53 est fermé par les bras 55 et 56 de l'armature mobile. Quand la bobine est non alimentée deux flux F1 et F2 sont répartis de manière équilibrée entre la partie fixe et la partie mobile. A la figure 6c, on a représenté le mouvement commençant de l'armature mobile quand la bobine est alimentée. Le sens du courant est donné de manière à provoquer un flux opposé à celui des aimants à travers l'armature mobile. A la figure 6d, on a représenté les flux F'1 et F'2 obtenus dans la nouvelle position stable après que la commutation ait été exécutée. La bobine est alors non alimentée et les positions du relais sont stables. On remarque que la structure de l'invention permet, notamment dans le cas d'un relais bistable d'équilibrer les flux F1 et F2 de repos. Ainsi, le relais n'a pas de position ou de sens de commutation priviligié. I1 est clair qu'il est possible de déséquilibrer l'un des côtés magnétiques de façon à obtenir des réactions différentes dans un sens ou dans l'autre du basculement du bras ou de l'armature mobile. A la figure 7, on a représenté un éclaté du relais bistable impulsionnel dans un mode de réalisation préféré. Le relais est entièrement enfermé dans un capot 60 partiellement représenté d'une hauteur H. I1 comporte un socle 61 de longueur L et de largeur 1 à travers lequel passe des pattes de contact 62,63,64 et 65. Ces pattes de contact accèdent à des doigts de contact respectivement 66,67 et à des lames de contact 69 et 70. Ces lames 69 et 70 sont mobilisées par un poussoir 71 solidaire de l'armature mobile 72. L'armature mobile 72 porte un bras supérieur 73 et un bras inférieur 74. Les bras supérieur 73 et inférieur 74 sont reliés par un noyau 75 autour duquel est disposée une bobine représentée schématiquement au repère 76. Le stator du relais comporte des bras latéraux allongés 77 gauche et 78 droit. Ces deux bras allongés sont symétriques par rapport au plan médian du relais contenant l'axe de rotation 79 de l'armature mobile. Les bras 77 et 78 comportent des extrémités hautes 77a et 77b du côté du bras haut 73 et des extrémités basses 78a et 78b du côté du bras inférieur ou bras bas 74 de l'armature mobile 72. Dans un mode de réalisation préféré, l'ensemble du relais est inclus dans un capot dont les dimensions sont H = 25mm L = 39mm 1 = 22,5mm. Un tel relais peut facilement être monté sur un circuit imprimé de tout montage électronique. On remarque que l'extrémité des bras supérieur 73 et inférieur 74 de l'armature mobile 72 comporte des volets 80 et 81 parallèles au plan des bras latéraux 77 et 78 du stator. D'autre part, les bras latéraux 77 et 78 du stator sont connectés par des aimants respectivement 82 et 83 disposés à leurs extrémités. Ces aimants sont disposés de façon à ce que leurs polarisations magnétiques soient dirigées perpendiculairement au plan médian contenant l'axe de rotation 79 de l'armature mobile et dans le même sens. On a réalisé ainsi un stator fermé entourant complètement l'armature mobile 72. La bobine 72 comporte des fils de connexion de sortie 84 et 85 qui peuvent être connectés à des pattes non représentées traversant le socle 61 du relais. A la figure 8, on a représenté un développé de montage des parties principales du relais selon la figure 7. On trouve respectivement le long de l'axe 79 de rotation du relais, une palette mobile constituée par une plaque allongée 90 dotée d'un poussoir latéral 91 et d'un trou 92 destiné à recevoir l'extrémité basse 93 du noyau 94. Au-dessus de la palette mobile 90-91, on dispose la carcasse 95 destinée à porter la bobine d'excitation du relais. Cette carcasse 95 comporte principalement deux flancs 96 et 97 entourant une colonne 98 percée d'un alésage 99 à travers lequel passe le noyau 94. Le noyau 94 comporte deux excroissances 94a inférieure et 94b supérieure destinées à permettre une rotation sans translation du noyau autour de l'axe 79. Ensuite un stator 95 est passé autour du montage de la carcasse 95 et de la bobine non représentée. L'extrémité supérieure 100 du noyau 94 porte ensuite une palette mobile supérieure 101 percée d'un trou convenable 102 à travers lequel passe l'extrémité du noyau 94. A la figure 9, on a représenté un schéma permettant de voir plus clairement les cotes du mode préféré de l'invention. En particulier, on a représenté dans cette vue partielle la seule partie d'extrémité concernée par le bras mobile supérieur 105 du relais. De façon à assurer un dimensionnement convenable, la face intérieure des volets d'extrémités 106 et 107 des éléments allongés latéraux du stator portent des cales d'épaisseur réalisées en un alliage cuivre, étain, baryum, Cu, Sn, Be, d'une épaisseur variant entre 5 et 12 centièmes de mm dans les exemples de réalisation qui seront décrits ciaprès. Le bras mobile 105 est de 17,5mm de longueur et l'épaisseur de la tôle magnétique constituant les bras 106 et 107 est de lmm. L'entrefer entre les deux bras 106 et 107 est de largeur E choisi égal à 2mm occupé aussi par l'aimant 108. La bobine est installée sur une carcasse de 4mm de diamètre présentant un alésage de 3mm de diamètre et le diamètre hors-tout de la bobine est de 12mm. Elle est réalisée en un fil d'une résistance de 75 Ohms à 23"c pour un diamètre de fil de 0,13mm. A la figure 10, on a représenté un tableau relevant les résultats de mesure du relais selon l'invention. Dans la première colonne on a représenté les caractéristiques des deux types d'aimants respectivement au baryum et au strontium installés à la place de l'aimant 108. Dans la seconde colonne, on a représenté l'entrefer E, dans la troisième colonne, on a représenté l'épaisseur des cales en mm (10-3 m), dans la quatrième colonne, on a représenté la tension de basculement Ub en Volts (V) appliquée aux bornes de la bobine et dans la cinquième colonne, on a représenté la force de basculement exercée sur l'armature mobile en gf (grammes force). L'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation, mais s'étend à d'autres variantes couvertes par les revendications annexées. En particulier une position de repos peut être maintenue de façon permanente tant qu'aucune tension de commande n'est appliquée à la bobine du relais par des moyens autres que magnétiques ou que par des aimants permanents. En particulier la position peut être maintenue par un cliquet, par un autre électro-aimant, etc. En particulier dans certaines applications, la position de repos peut elle-même être fixée seulement pendant des périodes déterminées de temps. En particulier ceci est le cas quand on souhaite asservir et contrôler la position de repos seulement pendant des instants déterminés par un phénomène extérieur. Dans ce cas le phénomène extérieur peut servir à engendrer un courant d'excitation de polarisation convenable d'un autre électro-aimant destiné à maintenir la position de repos, par exemple dans le cas de la figure 1. REVENDICATIONS 1) Relais électromagnétique du type à alimentation intermittente, comportant une armature mobile (6,7), destinée à déplacer au moins un organe mobile comme un contact ou un doigt de contact, depuis au moins une position de repos (2), caractérisé en ce que l'armature mobile (6,7) est entraînée par un noyau magnétique (6), mobile en rotation autour de l'axe central de l'alésage (5) d'une bobine solénoïdale (4) alimentée temporairement par une tension polarisée (VC) intermittente de commande du relais. 2) Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une position de repos (2) est déterminée par un aimant permanent (3) dont un pôle (N) est contigu à la position de repos (2). 3) Relais selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins un aimant permanent de maintien d'une position de repos est constitué par un barreau allongé (15,16), et en ce que l'armature mobile (19,20) présente, devant au moins le pôle de l'un des barreaux, l'extrémité d'un bras (20) pouvant comporter un plateau ou volet, le volet pouvant présenter au moins une face en regard du barreau parallèle au barreau dans la position de repos correspondante, le volet pouvant prendre, en fonction de la tension de commande (VC) appliquée temporairement aux bornes (23,24) d'une bobine (17) entourant le noyau magnétique (19) connecté au bras (20), une polarité magnétique de signe opposé à la polarité en regard du barreau pour rapprocher le bras (20) de la position de repos ou du même signe pour l'en écarter. 4) Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique une tension de commande (VC) d'un seul signe pour écarter l'armature mobile (6,7) du relais de sa position de repos (2). 5) Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau magnétique (94), comporte à chacune de ses extrémités des excroissances (94a,94b) destinées à permettre une rotation sans translation du noyau (94) autour de l'axe (79) de l'armature mobile (72). 6) Relais selon la revendication 3, caractérisé en ce que le relais comporte une partie fixe constituée par deux bras longitudinaux (50,51) en matériau magnétique reliés à leurs extrémités par des aimants permanents (52,53 ; 80,82) présentant une polarisation de même sens et perpendiculaire au plan des bras longitudinaux et en ce que l'armature mobile (55,58 73,74) est mobile autour d'un axe perpendiculaire au plan de la partie fixe. 7) Relais selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'armature mobile comporte au moins deux bras (55,56) en matériau magnétique, solidaires du noyau magnétique (57) installé dans l'alésage de la bobine (58), et qui sont diamétralement opposés. 8) Relais selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aimant permanent est un aimant au baryum. 9) Relais selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aimant permanent est un aimant au strontium. 10) Relais selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est inclus dans un capot (60) dont le socle (61) est traversé par des pattes (62-65) de connexion connectées à des doigts (66,67) et des lames de contact (69,70) mobilisés par au moins un poussoir (71) solidaire de l'armature mobile (72) et par des pattes de connexion des bornes de la bobine.