Brevet FR2868870A1 — publié le 20051014

La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur, en particulier pour un relais, un contacteur ou un contacteur/disjoncteur, comprenant une bobine d'excitation mobile et un circuit magnétique fixe doté d'un ensemble aimanté qui est agencé pour créer un effet de concentration du champ magnétique traversant la bobine. L'invention se rapporte aussi à un appareil interrupteur comprenant un tel actionneur et à un procédé de fabrication d'un ensemble aimanté d'un tel actionneur. Les appareils électriques interrupteurs sont des appareils bien connus qui servent à commuter le circuit d'alimentation d'une charge électrique connectée en aval de l'appareil. Ils comportent un actionneur électromagnétique, ou électroaimant, comportant une partie mobile qui peut se déplacer sous l'action d'un courant électrique de commande circulant dans une bobine d'excitation. Le circuit d'alimentation comprend des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles liés à la partie mobile de l'actionneur. Le déplacement de cette partie mobile permet alors d'agir sur ces contacts mobiles pour ouvrir et fermer le circuit d'alimentation de la charge électrique en fonction du courant de commande circulant dans la bobine. Dans un actionneur électromagnétique dont la partie mobile est composée d'une bobine d'excitation et dont le circuit magnétique fixe est doté d'un ensemble aimanté, tel qu'un actionneur de type Voice-coil, la force de déplacement de la bobine mobile est fonction de l'inductance L de la bobine, du courant d'excitation I circulant dans la bobine et du champ magnétique B créé par l'ensemble aimanté et traversant la bobine. Pour optimiser les performances de l'actionneur, pour une même bobine et un même courant, on cherche donc à avoir un champ magnétique qui présente une valeur maximale à l'endroit où ce champ magnétique traverse la bobine. C'est pourquoi, pour augmenter la force de déplacement tout en conservant de petites dimensions de l'actionneur, on utilise fréquemment un ou plusieurs aimants permanents fabriqués par exemple avec des matériaux magnétiques à base de terres rares à très fort pouvoir d'aimantation, mais dont le coût peut s'avérer rédhibitoire pour certains appareils. II serait donc intéressant de concevoir un ensemble aimanté qui permette d'augmenter 1 a force d e déplacement de la bobine sans pénaliser ni le coût, ni les dimensions de l'actionneur électromagnétique. Une solution consiste à essayer de concentrer le champ magnétique créé par l'ensemble aimanté de manière à obtenir le maximum de flux magnétique à l'endroit où ce champ magnétique traverse la bobine et dans une direction perpendiculaire au déplacement de la bobine, sans pour autant devoir augmenter le volume global de matériau magnétique utilisé pour l'ensemble aimanté, ni devoir modifier la bobine. La concentration du flux magnétique aura pour conséquence de diminuer les dispersions et les fuites des lignes d'induction qui existent dans tout aimant permanent en dirigeant ces lignes d'induction vers l'endroit souhaité de façon à augmenter ainsi la force de déplacement d'une bobine donnée. De même, pour une force de déplacement donnée, une telle solution permettra de diminuer la taille de l'actionneur et/ou permettra surtout d'utiliser des matériaux magnétiques moins onéreux, du type ferrite, pour fabriquer les aimants de l'actionneur. Pour cela, l'invention se propose d'optimiser la disposition des aimants permanents utilisés pour former l'ensemble aimanté. L'invention décrit un actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur, doté d'une bobine d'excitation mobile selon un axe longitudinal et d'un circuit magnétique fixe comprenant une culasse extérieure, un noyau central et au moins un ensemble aimanté. Le ou les ensembles aimantés comportent un aimant principal dont le sens de polarisation est perpendiculaire à l'axe longitudinal et deux aimants secondaires situés à proximité des extrémités de l'aimant principal et dont les sens de polarisation sont parallèles à l'axe longitudinal et en opposition l'un de l'autre. Selon une caractéristique, l'ensemble aimanté a sensiblement une forme de U avec une partie centrale constituée par l'aimant principal et deux jambes composées des deux aimants secondaires. Les sens de polarisation de l'aimant principal et des aimants secondaires sont dirigés soit vers l'intérieur du U, soit vers l'extérieur du U. Selon une autre caractéristique, le circuit magnétique comprend deux premiers ensembles aimantés positionnés dans la culasse extérieure de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal et deux seconds ensembles aimantés (20') positionnés dans le noyau central de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal et placés respectivement en vis-à-vis des deux premiers ensembles aimantés. La distance e ntre I es a imants secondaires d es d eux premiers ensembles aimantés est différente de la distance entre les aimants secondaires des deux seconds ensembles aimantés. L'invention décrit également un procédé simple de fabrication d'un ensemble aimanté, dans lequel l'aimant principal est placé au centre d'un support plan et les aimants secondaires sont placés de part et d'autre de l'aimant principal sur des côtés du support plan, puis l'aimant principal et les aimants secondaires sont aimantés selon un même axe de polarisation, puis les deux côtés du support plan sont repliés de façon à ce que les aimants secondaires soient positionnés à proximité des extrémités l'aimant principal et les axes de polarisation des aimants secondaires soient sensiblement perpendiculaires à l'axe de polarisation de l'aimant principal. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins simplifiés annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe d'un actionneur électromagnétique selon l'invention comprenant deux ensembles aimantés, la figure 2 montre un autre exemple d'actionneur électromagnétique comprenant un ensemble aimanté de type A et un ensemble aimanté de type B, la figure 3 montre un autre exemple d'actionneur électromagnétique comprenant deux ensembles aimantés de type A et deux ensembles aimantés de type B, les figures 4a à 4e représentent diverses formes d'ensembles aimantés, la figure 5 est une vue de dessus de l'actionneur de la figure 3, sans le couvercle du circuit magnétique les figures 6 et 7 schématisent de façon sommaire deux étapes d'un procédé de fabrication d'un ensemble aimanté. En référence à la figure 1, un actionneur électromagnétique 51 comprend une bobine d'excitation 10 qui est mobile en translation selon un axe longitudinal X. L'actionneur comprend également un circuit magnétique fixe réalisé en matériau ferromagnétique. Le circuit magnétique comporte une culasse extérieure 14 entourant la bobine 10, un noyau central 12 placé dans l'espace intérieur de la bobine 10 et au moins un ensemble aimanté 20. Le champ magnétique du circuit magnétique traverse la bobine 10 provoquant ainsi son déplacement selon l'axe X lorsqu'un courant électrique d'excitation circule dans la bobine 10. La figure 1 comprend deux ensembles aimantés 20 de même type, placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal X. Un tel actionneur est destiné à être utilisé dans un appareil électrique interrupteur 15 20 chargé d'alimenter ou d'isoler une charge électrique grâce à des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles qui sont liés à la bobine mobile de l'actionneur. Dans la figure 1, une des extrémités du circuit magnétique est fermée grâce à au noyau central 12 qui présente une embase évasée permettant de rejoindre la culasse extérieure 14. De préférence, l'autre extrémité du circuit magnétique est également fermée à l'aide un couvercle 16 en matériau ferromagnétique, de façon à rejoindre le sommet du noyau central 12 avec la culasse extérieure 14. La section transversale de la bobine peut être indifféremment circulaire ou carrée, comme dans la figure 5. Chaque ensemble aimanté 20 comporte un aimant permanent principal 21 dont le sens de polarisation est perpendiculaire à l'axe X de déplacement de la bobine 10. Dans le présent document, le sens de polarisation d'un aimant est toujours dirigé du pôle Sud vers le pôle Nord. L'aimant principal 21 est par exemple de forme sensiblement parallélépipédique. Au voisinage des extrémités de l'aimant principal 21, l'ensemble aimanté 20 comporte deux aimants permanents secondaires 22,23 préférentiellement identiques et dont le sens de polarisation est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal X. De plus, les sens de polarisation des aimants secondaires 22,23 sont en opposition l'un de l'autre. Différents modes de réalisation de la forme d'un ensemble aimanté 20,30 sont présentés dans les figures 4a à 4e. Dans les modes de réalisation privilégiés des figures 4a à 4c, l'ensemble 20 est en forme de U avec une partie centrale constituée de l'aimant principal 21 et deux jambes latérales constituées des aimants secondaires 22,23, créant un espace intérieur 29 au centre du U. Les aimants secondaires 22,23 sont soit plaqués complètement ou partiellement contre les extrémités, respectivement 24,25, de l'aimant principal 21 (voir figure 4a), soit plaqués complètement ou partiellement contre une face 26 d'un pole de l'aimant principal 21 au voisinage des extrémités 24,25 (voir figure 4b). Alternativement, l'exemple de la figure 4c montre des aimants secondaires 22,33 positionnés à l'intersection entre la face 26 et les extrémités 24, 25, ce qui permet de gagner de la matière dans la zone 27, par rapport aux exemples 4a,4b. L'espace intérieur 29 est rempli avec le matériau ferromagnétique du circuit magnétique mais peut également être uniquement rempli d'air. Dans 1 es figures 4d et 4e, l'ensemble aimanté 30 possède une forme de I constitué d'un aimant principal 31 entouré par deux aimants secondaires 32,33. Les exemples des figures 4a à 4e ne sont pas exhaustifs. On pourrait notamment envisager d'autres formes, telles que des formes arrondies. Il existe deux types différents d'ensembles aimantés 20,20' conformes à l'invention. Dans un premier type d'ensemble aimanté 20, appelé type A, les sens de polarisation des différents aimants 21,22,23 sont tous dirigés vers l'espace intérieur du U de l'ensemble 20, ce qui entraîne que les pôles Nord des aimants 21,22,23 se font face autour de l'espace intérieur 29. D ans u n second type d'ensemble aimanté 20', appelé type B et représenté dans les figures 2 et 3, les sens de polarisation des différents aimants 21,22,23 sont tous dirigés vers l'extérieur du U de l'ensemble 20, ce qui entraîne que les pôles Sud des aimants 21,22,23 se font face autour de l'espace intérieur 29. Dans les deux types A et B, les sens de polarisation des aimants secondaires 22,23 sont donc en opposition l'un de l'autre. La disposition perpendiculaire des aimants secondaires 22,23 par rapport à l'aimant principal 21 permet avantageusement de canaliser les lignes de champ magnétique de l'aimant principal vers le centre de l'espace intérieur 29 d'un ensemble aimanté 20 en réduisant ainsi sensiblement les dispersions habituelles des lignes de champ magnétique existant entre les pôles d'un aimant permanent. Il y a alors une concentration des lignes de champ magnétique dans la zone de l'espace intérieur 29 du U ce qui renforce le flux magnétique dans cette zone. On observe ainsi que le flux magnétique obtenu est bien supérieur à celui qui serait obtenu avec un seul aimant permanent de taille équivalente à l'ensemble des trois aimants 21,22,23. Cette disposition permet donc notamment soit d'augmenter le flux magnétique pour un volume d'aimant identique, soit de garder un même flux magnétique en diminuant la taille des aimants ou en utilisant des matériaux moins onéreux à pouvoir d'aimantation plus faible. Pour augmenter l'effet de canalisation des lignes de champ magnétique, un même actionneur peut également associer plusieurs ensembles aimantés 20, 20' des deux types. Dans la figure 2, l'actionneur 52 comprend un ensemble aimanté 20 de type A (par exemple placé dans la culasse extérieure 14 de l'actionneur) et un ensemble aimanté 20' de type B (placé dans le noyau central 12 de l'actionneur), positionnés de telle sorte que les espaces intérieurs créés par les U des deux ensembles aimantés 20,20' soient positionnés en face l'un de l'autre et que la bobine 10 passe dans l'entrefer créé entre les deux ensembles aimantés 20, 20'. De façon équivalente, l'ensemble 20 aurait pu être placé dans le noyau central 12 et l'ensemble 20' dans la culasse extérieure 14. Les lignes de champ magnétique ainsi créées sont schématisées de façon simplifiée dans la figure 2. Cette disposition permet d'augmenter n otablement l'effet d e canalisation d u champ magnétique puisqu'elle permet de cumuler un effet de "concentration" du champ magnétique sous l'action de l'ensemble aimanté 20 de type A, avec un effet d"'aspiration" de ce champ magnétique sous l'action de l'ensemble aimanté 20' de type B. Ceci augmente le champ magnétique présent dans l'entrefer entre les deux ensembles aimantés 20, 20', et donc le champ magnétique traversant la bobine 10. De plus, les deux types d'ensembles aimantés 20,20' peuvent être choisis de taille différente de telle sorte que la distance séparant les deux aimants secondaires d'un quelconque des deux ensembles soit plus petite que la distance séparant les deux aimants secondaires de l'autre ensemble. Ainsi, dans les exemples des figures 2 et 3, les deux aimants secondaires d'un ensemble 20' sont p lus rapprochés l'un d e l'autre que les deux aimants secondaires d'un ensemble 20. Cette caractéristique a pour conséquence de diminuer la surface du champ magnétique traversant la bobine 10. Comme le flux magnétique reste le même, cela permet donc d'intensifier le champ magnétique traversant la bobine 10 par rapport à des ensembles 20,20' qui auraient la même taille. Donc pour un même volume de matériau magnétique, cela amplifie la force d e déplacement de la bobine 1 O. Cette propriété est vraie tant que la saturation du matériau magnétique n'est pas atteinte. La fabrication d'un ensemble aimanté tel que décrit précédemment peut poser quelques difficultés, en particulier pour effectuer l'aimantation initiale d'un tel ensemble de type A ou de type B. C'est pourquoi, l'invention décrit aussi un procédé permettant de réaliser rapidement et économiquement un ensemble aimanté. Sur la figure 6, les trois aimants 21,22,23 d'un ensemble 20 sont d'abord disposés avant aimantation sur un support plan 40, l'aimant principal 21 étant placé au centre d u s upport 40 et 1 es d eux a imants secondaires 22,23 étant p lacé d e part et d'autre de l'aimant principal 21 sur des côtés du support 40. Dans cette position, les aimants 21,22,23 sont alignés ce qui facilite énormément leur processus d'aimantation puisqu'ils peuvent ainsi être aimantés simultanément par tout moyen classique selon un même axe de polarisation orthogonal au plan du support plan. La figure 6 montre un sens de polarisation permettant de fabriquer un ensemble aimanté de type A. Pour un ensemble aimanté de type B, il suffit juste d'inverser ce sens de polarisation. Une fois l'aimantation effectuée, les côtés supportant les aimants secondaires 22,23 sont repliés vers le centre du support 40, comme indiqué en figure 7, de façon à positionner les aimants secondaires 22;23 à proximité des extrémités de l'aimant principal 21. Les figures 6 et 7 sont appliquées à un ensemble aimanté identique à la figure 4b, mais le même procédé peut s'appliquer aux autres exemples. Le support plan 40 est en matériau magnétique. L'ensemble aimanté ainsi créé peut ensuite être facilement inséré dans le circuit magnétique d'un actionneur. II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements d e d étail et de m ême e nvisager l'emploi d e moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur, doté d'une bobine d'excitation (10) mobile selon un axe longitudinal (X) et d'un circuit magnétique fixe comprenant une culasse extérieure (14), un noyau central (12) et au moins un ensemble aimanté (20,20'), caractérisé en ce que l'ensemble aimanté (20,20') comporte un aimant principal (21) dont le sens de polarisation est perpendiculaire à l'axe longitudinal (X) et deux aimants secondaires (22,23) situés à proximité des extrémités de l'aimant principal (21) et dont les sens de polarisation sont parallèles à l'axe longitudinal (X) et en opposition l'un de l'autre. 2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble aimanté (20,20') a sensiblement une forme de U avec une partie centrale constituée par l'aimant principal (21) et deux jambes composées des deux aimants secondaires (22,23). 3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sens de polarisation de l'aimant principal (21) et des aimants secondaires (22,23) sont dirigés vers l'intérieur du U. 4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sens de polarisation de l'aimant principal (21) et des aimants secondaires 20 (22,23) sont dirigés vers l'extérieur du U. 5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend d eux ensembles aimantés (20) positionnés dans la culasse extérieure (14) de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal (X). 6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend d eux ensembles aimantés (20) positionnés dans le noyau central (12) de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal (X). 7. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend deux premiers ensembles aimantés (20) 30 positionnés dans la culasse extérieure (14) de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal (X) et deux seconds ensembles aimantés (20') positionnés dans le noyau central (12) de façon symétrique par rapport à l'axe longitudinal (X) et placés respectivement en vis-à-vis des deux premiers ensembles aimantés (20). 8. Actionneur électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distance entre les aimants secondaires (22,23) des deux premiers ensembles aimantés (20) est différente de la distance entre les aimants secondaires (22,23) des deux seconds ensembles aimantés (20'). 9. Appareil électrique interrupteur caractérisé en ce qu'il comprend un actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes. 10. Procédé de fabrication d'un ensemble aimanté pour un actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant principal (21) est placé au centre d'un support plan (40) et les aimants secondaires (22,23) sont placés de part et d'autre de l'aimant principal (21) sur des côtés du support plan (40), puis l'aimant principal (21) et les aimants secondaires (22,23) sont aimantés selon un même axe de polarisation, puis les deux côtés du support plan (40) sont repliés de façon à ce que les aimants secondaires (22,23) soient positionnés à proximité des extrémités l'aimant principal (21) et les axes de polarisation des aimants secondaires (22,23) soient sensiblement perpendiculaires à l'axe de polarisation de l'aimant principal (21).