Brevet FR2807871A1 — publié le 20011019

La présente invention concerne un électroaimant, notamment un électroaimant à courant continu, destiné à un appareil interrupteur de puissance en basse tension, tel qu'un contacteur ou un contacte urldisjoncteur, comprenant une armature mobile et culasse fixe, laquelle porte deux enroulements identiques connectés soit en série soit en parallèle en fonction de la position de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. De nombreux électroaimants possèdent une armature mobile métallique qui est capable d'effectuer mouvement de fermeture et d'ouverture entre une position fermée et une position ouverte. Généralement, le mouvement de fermeture est provoqué par la force d'attraction résultant de la circulation d'un courant d'appel dans une bobine située culasse fixe et le mouvement d'ouverture est provoqué par un ressort de rappel en I absence de courant dans la bobine. Un électroaimant à courant continu délivre généralement un effort moteur très important lorsqu'il est fermé, ce qui peut rendre difficile son ouverture. Aussi, pour pallier ce problème donc faciliter l'ouverture des contacts, on peut par exemple augmenter la force rappel, ou utiliser un entrefer anti-rémanent plus important. On peut aussi chercher à diminuer le courant consommé en phase de maintien de l'état fermé. Pour cela, il connu d'utiliser deux enroulements d'une part pour effectuer le mouvement de fermeture et d'autre part pour maintenir l'armature mobile en position fermée. Dans certains cas, comme indiqué par exemple dans le document EP 627753, un premier enroulement est activé durant une première phase d'appel correspondant au mouvement de fermeture de l'armature mobile, dans le but d'obtenir une force d'attraction suffisante, puis les deux enroulements sont simultanément activés durant une seconde phase d'appel de l'armature mobile, dans le but de minimiser le courant consommé. Cependant, solutions peuvent entraîner des moyens supplémentaires tel qu'un circuit électronique pour déterminer l'instant de commutation entre les deux phases, pénalisant ainsi coûts de réalisation. De plus, il n'est pas toujours aisé de maîtriser de façon fiable et répétitive cet instant de commutation, notamment à cause de l'évolution des frottements mécaniques, de la valeur du courant d'appel dans la bobine. C'est pourquoi l'invention a pour but de concevoir de façon la plus simple et la plus économique possible un électroaimant alimenté en courant continu ou en courant redressé, ayant la capacité de consommer un courant de maintien plus faible que le courant d'appel nécessaire au mouvement de fermeture de l'armature mobile, la commutation entre les phases d'appel et de maintien se faisant durant le mouvement de l'armature mobile par rapport à la culasse fixe. C'est pourquoi l'invention décrit un électroaimant d'un appareil interrupteur comprenant une culasse fixe possédant un noyau central entouré par une bobine constituée d'un support isolant portant deux enroulements alimentés en courant continu, et une armature mobile métallique, en forme de palette, solidaire d'un porte- contacts mobile en matière isolante, possédant au moins une face polaire plane apte à effectuer un mouvement de fermeture et d'ouverture entre une position fermee et une position ouverte en fonction du courant circulant dans les enroulements. II se caractérise par le fait que les deux enroulements sont identiques, sont connectés en parallèle lorsque l'armature mobile est en position ouverte et durant une première partie initiale du mouvement de fermeture de l'armature mobile et sont connectés série lorsque l'armature mobile est en position fermée et durant une première partie initiale du mouvement d'ouverture de l'armature mobile, le changement du mode connexion des deux enroulements étant effectué au moyen d'un dispositif commutation implanté directement sur le support isolant de la bobine et actionne mecaniquement par un organe de commande implanté sur l'armature mobile. L'avantage d'avoir deux enroulements connectés en série en phase de maintien et en parallèle en phase d'appel, est que cela permet d'augmenter le courant d'appel par rapport à un seul enroulement, car on n'atteint jamais le courant établi de la phase d'appel, la commutation intervenant avant. Le dispositif de commutation est constitué par deux contacts à ouverture respectivement reliés à chaque extrémité des deux enroulements et par une diode câblée en série entre les deux enroulements, de façon à ce que lorsque les deux contacts sont dans un état 0 non conducteur, les deux enroulements sont connectés série et lorsque les deux contacts sont dans un état 1 conducteur, les deux enroulements sont connectés en parallèle. L'avantage de l'implantation de ce dispositif directement sur le support isolant de la bobine, est de permettre une réduction du cout des tolérances du dispositif, tout en offrant la possibilité d'une connexion directe enroulements sur les contacts lors de l'opération de bobinage. Par ailleurs, l'organe de commande de l'armature mobi est constitué par deux ergots appartenant au porte-contacts mobile et traversant palette mobile via deux ouvertures transversales, capables de commuter les deux contacts du dispositif de commutation durant les mouvements de l'armature mobile. Les ergots ne nécessitent donc pas de pièce supplémentaire puisqu'ils sont directement intégrés dans le porte-contacts mobile, généralement réalisé par moulage en matière plastique. Ce montage simple offre la fonctionnalité désirée comme on le détaillera par la suite. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention vont ressortir de la description détaillée qui va suivre, illustrée par les dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 représente une vue générale d'un électroaimant conforme à l'invention, - la figure 2 montre une coupe suivant un axe X-X d'un exemple de réalisation du dispositif de commutation de l'électroaimant en position ouverte, - la figure 3 montre le même dispositif que dans la figure 2, mais en position fermée, - la figure 4 détaille un mode de réalisation du schéma électrique du dispositif de commutation, - la figure 5 est une variante de la figure 4, - la figure 6 représente en vue de dessus le détail des enroulements et du dispositif de commutation de l'électroaimant. En référence à la figure 1, un appareil interrupteur de puissance en basse tension, tel qu'un contacteur ou un contacteur/disjoncteur, comporte un électroaimant composé d'une culasse fixe 10 possédant deux ailes latérales 13,14 parallèles à un noyau central 11, pouvant avantageusement être de forme cylindrique, les extrémités du noyau central 11 et des deux ailes latérales 13,14 formant une face externe plane 10a. Le noyau central 11 est entouré par une bobine 12 constituée d'un support isolant 15, pouvant avantageusement être cylindrique, portant deux enroulements S1,S2. Chacun des deux enroulements S1,S2 est constitué d'un bobinage réalisé à partir d'un fil conducteur qui est émaillé pour assurer son isolation, chaque fil conducteur ayant une première extrémité appelée respectivement a1,b1 et une seconde extrémité appelée respectivement a2,b2. Comme indiqué sur la figure 6, ces deux fils sont simultanément enroulés côte à côte et de façon homogène autour du support isolant 15 plusieurs couches superposées de façon à former la bobine 12. Ce mode de réalisation permet d'obtenir que la valeur X de résistance, la valeur de self et le comportement magnétique des deux enroulements S1,S2 soient sensiblement identiques. L'électroaimant comprend également une armature mobile métallique 20, en forme de palette I , solidaire d'un porte-contacts mobile 21 en matière isolante, possédant au moins face polaire plane 20a. L'armature mobile 20 effectue un mouvement de fermeture F et d'ouverture O entre une position fermée et une position ouverte en fonction courant continu I circulant dans la bobine 12. Dans le mode de réalisation represente dans les figures 1,2 et 3, ces mouvements sont rectilignes. En position ouverte, faces planes 10a et 20a sont écartées l'une de l'autre comme indiqué en figure position fermée, appelée aussi phase de maintien, les faces planes 10a et sont rapprochées l'une de l'autre comme indiqué en figure 3. Le mouvement de fermeture F, appelé aussi phase d'appel, correspond au passage de la position ouverte à I position fermée et le mouvement d'ouverture O correspond au passage de la position fermée à la position ouverte. L'électroaimant possède un dispositif de commutation 19 permettant de connecter les enroulements S1,S2 soit en série, soit en parallèle. Selon la figure 4, ce dispositif de commutation 19 se compose de deux contacts à ouverture K1,K2 et d'une diode D, implantés le support isolant 15 de la bobine 12. Les contacts K1,K2 sont formés chacun d'une amenée de courant fixe et d'une lame conductrice souple, respectivement 27,28, qui assure simultanément le passage du courant et la pression de contact. Les contacts K1,K2 sont situés de part et d'autre du noyau central 11 et se trouvent soit à l'état 0 non conducteur, soit à l'état 1 conducteur. Ils sont actionnés mécaniquement un organe de commande 25,26 solidaire de l'armature mobile 20 et positionné en proéminence de la surface 20a. Ainsi, suivant la position de l'armature mobile, l'organe commande 25,26 peut ou non appuyer sur la lame conductrice souple 27,28 contacts K1,K2 provoquant ainsi passage à l'état 0 ou 1. Le contact K1 est connecté électriquement entre les premières extrémités a1 et a2 des enroulements S1 le contact K2 est connecté électriquement entre les secondes extrémités b1 et enroulements S1,S2. La diode D est câblée en série entre les enroulements S1,S2, c'est-à-dire entre les extrémités a2 et b1, le sens de la diode D n'autorisant passage du courant que de b1 vers a2. Le courant I arrive alors dans le dispositif 19 l'extrémité a1 et ressort par l'extrémité b2. De façon identique, on aurait pu envisager que la diode D soit câblée entre les extrémités a1 b2, le courant I arrivant alors dans le dispositif 19 par l'extrémité a2 et ressortant par l'extrémité b1. Quand les contacts K1,K2 sont à l'état 1 conducteur, le courant continu I arrivant dans bobine se sépare entre les deux chemins suivants : ,S1,b1,K2,b2 d'une part et ,K1,a2,S2,b2 d'autre part. Les deux enroulements ,S2 sont donc montés en parallèle étant donné que la diode D empêche le passage courant de a2 vers b1. Comme la valeur X des résistances des deux enroulements S1,S2 est sensiblement identique, la résistance équivalente de la bobine 12 est égale à XI2. Quand les contacts K1,K2 sont à l'état 0 non conducteur, le courant continu I arrivant dans la bobine prend le chemin suivant : a1,S1,b1,D,a2,S2,b2. Les deux enroulements S1,S2 sont donc montés en série étant donné que la diode D autorise le passage du courant de b1 vers a2. Comme la valeur X des résistances des deux enroulements S1,S2 est sensiblement identique, la résistance équivalente de la bobine 12 est alors égale à 2*X. Ainsi la résistance équivalente de la bobine 12 varie d'un rapport de 1 à 4 en fonction de l'état des contacts K1,K2. Selon une variante présentée en figure 5, il est possible de rajouter une résistance R série avec la diode D, entre les extrémités a2 et b1 de façon à pouvoir ajuster la consommation de courant durant la phase de maintien ainsi que la tension de retombée l'électroaimant, quand l'armature mobile est en position fermée. Dans le mode de réalisation présenté, l'organe de commande de l'armature mobile 20 est matérialisé par deux ergots 25,26 intégrés dans le porte-contacts mobile 21. Par exemple, le porte-contacts mobile 21 et les deux ergots peuvent être moulés ensemble de façon à éviter la fabrication d'une pièce supplémentaire. Les deux ergots 25 et 26, positionnés de part et d'autre du noyau central 11 en correspondance avec les emplacements des contacts K1,K2, traversent deux orifices transversaux 20b,20c ménagés dans l'armature mobile 20 de façon à venir en proéminence de la surface plane 20a. Ils peuvent ainsi appuyer sur chaque contact à ouverture respectivement K1 et K2. La taille des ergots 25,26 est ajustée pour avoir le fonctionnement décrit dans les paragraphes suivants. Lorsque l'armature mobile 20 est en position ouverte, les ergots 25 sont séparés des contacts K1,K2. Ceux-ci sont alors à l'état 1 et les enroulements S2 sont connectés en parallèle entraînant une résistance équivalente de la bobine faible et égale à XI2. Donc, pour une tension d'alimentation donnée, le courant d'appel disponible sera plus important ce qui facilitera le mouvement de fermeture F. Durant le mouvement de fermeture F de l'armature mobile 20, de préférence à la fin du mouvement de fermeture F, les ergots 25,26 vont appuyer sur lame conductrice souple 27,28 des contacts K1,K2, ce qui va provoquer la commutation de ceux-ci à l'état 0 et le passage des enroulements S1,S2 à une connexion série. Dans cette configuration, la résistance équivalente de la bobine augmente passe à une valeur égale à 2*X ce qui fait que, pour une tension donnée, la consommation de courant va diminuer. Tant que l'armature mobile 20 se maintient en position fermée, ergots 25,26 appuient sur les contacts K1,K2 qui restent à l'état 1, et les enroulements S1,S2 restent connectés en série, ce qui limite la consommation de courant pendant toute la phase de maintien et ce qui donc l'effort de rappel nécessaire pour entraîner le mouvement d'ouverture O, matérialisé par un ressort de rappel, par exemple. Durant le mouvement d'ouverture O de l'armature mobile 20, de préférence au début du mouvement d'ouverture O, les ergots 25,26 vont s'écarter de lame conductrice souple 27,28 des contacts K1,K2, ce qui va provoquer le retour de ceux-ci à l'état 1 ainsi que le retour des enroulements S1,S2 à une connexion en parallèle. On obtient ainsi un électroaimant qui a la capacité de consommer un courant faible durant la phase de maintien, tout en gardant la capacité à fournir un courant d'appel suffisant nécessaire pour enclencher le mouvement de fermeture de l'armature mobile. II n'est pas nécessaire de s'astreindre à ce que les contacts et K2 commutent exactement au même moment puisque une analyse rapide schéma représenté en figure 4 montre aisément que si, durant une phase transitoire, K1 et K2 sont dans des états différents, alors la résistance équivalente de la bobine sera égale à X, c'est-à-dire la résistance soit de S1 soit de S2, à mi-chemin entre les valeurs XI2 et 2*X précédemment décrites. Par ailleurs, le courant continu I circulant dans la bobine peut provenir d'un organe redresseur placé en amont, tel qu'un pont de diodes, d'une part pour assurer conversion d'alternatif vers continu, afin de s'adapter à alimentation de lectroaimant en alternatif, et d'autre part pour éviter la polarisation l'électroaimant en continu. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus à titre d'exemple et l'on peut imaginer des variantes et des perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Electroaimant d'un appareil interrupteur comprenant une culasse fixe (10) possédant un noyau central (11) entouré par une bobine (12) constituée d'un support isolant (15) portant deux enroulements (S1,S2) alimentés en courant continu, et armature mobile métallique (20), en forme de palette, solidaire d'un porte-contacts mobile (21) en matière isolante, possédant au moins une face polaire plane (20a) et apte à effectuer un mouvement de fermeture (F) et d'ouverture entre une position fermée et une position ouverte en fonction du courant circulant dans les enroulements (S1,S2), caractérisé par le fait que les deux enroulements (S1,S2) sont identiques, sont connectés en parallèle lorsque l'armature mobile (20) est en position ouverte et sont connectés en série lorsque l'armature mobile (20) est en position fermée, le changement du mode de connexion des deux enroulements (S1,S2) étant effectué au moyen d'un dispositif de commutation (19) implanté sur le support isolant (15) de la bobine (12) et actionné mécaniquement par un organe de commande (25,26) implanté sur l'armature mobile (20). 2. Electroaimant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le passage de connexion en série à la connexion en parallèle des deux enroulements ,S2) se déroule durant le mouvement d'ouverture (O) de l'armature mobile (20) et le passage de la connexion en parallèle à la connexion en série deux enroulements (S1,S2) se déroule durant le mouvement de fermeture de l'armature mobile (20). 3. Electroaimant selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif de commutation (19) est constitué par deux contacts à ouverture (K1,K2) respectivement connectés entre les premières extrémités (a1,a2) et entre les secondes extrémités (b1,b2) des deux enroulements (S1,S2) et par une diode (D) câblée en série entre les deux enroulements (S1,S2), de façon que lorsque les deux contacts (K1,K2) sont dans un état 0 non conducteur, les deux enroulements (S1,S2) sont connectés en série et lorsque les deux contacts (K1,K2) sont dans un état 1 conducteur, les deux enroulements (S1,S2) sont connectés en parallèle. 4. Electroaimant selon la revendication 3, caractérisé par le fait le dispositif de commutation (19) comprend également une résistance (R) câblee en série avec la diode (D) entre les deux enroulements (S1,S2). 5. Electroaimant selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'organe de commande de l'armature mobile (20) est constitué par deux ergots (25,26) appartenant au porte-contacts mobile (21) et traversant l'armature mobile (20) via deux orifices transversaux (20b,20c), de manière à commuter les deux contacts à ouverture (K1,K2) durant les mouvement de fermeture (F) et d'ouverture (O) de l'armature mobile (20). 6. Electroaimant selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le noyau central (11) de la culasse fixe (10) est de forme cylindrique. 7. Electroaimant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chacun des deux enroulements est constitué d'un bobinage ,S2) réalisé partir d'un fil conducteur émaillé, ces deux fils étant simultanement enroulés côte à côte, de façon homogène et sur plusieurs couches superposées autour support isolant (15) de manière à ce que les valeurs de résistance, de self et comportement magnétique des deux enroulements (S1,S2) soient sensiblement identiques. 8. Appareil interrupteur de puissance caractérisé par le fait qu'il est équipé d'un électroaimant selon l'une quelconque des revendications précédentes.