Brevet FR2934923A1 — publié le 20100212

Actionneur électromagnétique hybride à bobine fixe La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique destiné à être utilisé dans un appareil électrique interrupteur, en particulier dans un appareil de type relais, contacteur ou contacteur-disjoncteur. L'invention concerne aussi un appareil interrupteur comportant un tel actionneur pour actionner ses contacts mobiles. Ces appareils électriques interrupteurs servent habituellement à commuter le circuit d'alimentation d'une charge ou d'un récepteur électrique, par exemple un moteur électrique, raccordé en aval de l'appareil. Pour cela, l'appareil interrupteur comporte des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles et un actionneur électromagnétique qui déplace les contacts mobiles entre une position fermée (appelée aussi position travail) dans laquelle ils sont plaqués contre les contacts fixes pour faire circuler le courant d'alimentation dans la charge électrique, et une position ouverte (appelée aussi position repos) dans laquelle ils sont séparés des contacts fixes, coupant ainsi l'alimentation de la charge. Les actionneurs peuvent utiliser divers systèmes d'actionnement basés sur différentes propriétés magnétiques et/ou électromagnétiques. Par exemple, un système réluctant de type électroaimant est un système d'actionnement fréquemment utilisé dans des contacteurs. Il comporte une bobine d'excitation parcourue par un courant électrique de commande et un circuit ferromagnétique à inductance variable comprenant une partie fixe et une partie mobile. La circulation d'un courant de commande dans la bobine permet un déplacement de la partie mobile du circuit magnétique qui est mécaniquement liée aux contacts mobiles de l'appareil. Un tel actionneur peut par ailleurs être polarisé par l'adjonction d'un aimant permanent. Un système réluctant génère principalement une force magnétique qui résulte de la variation de réluctance due à la variation de la valeur de l'entrefer du circuit magnétique entre les positions ouverte et fermée. Cette force est inversement proportionnelle au carré de la valeur de l'entrefer magnétique. En position fermée, quand la valeur de l'entrefer est minimale, l'effort moteur généré est donc maximal. Un faible courant de maintien dans la bobine est alors suffisant pour s'opposer à l'effort résistant des moyens de rappel (tels que des ressorts de rappel et des ressorts de pression de contacts) et maintenir le système en position fermée avec une pression de contact suffisante. Néanmoins, un système réluctant n'est capable de fournir cet effort moteur important que sur une très faible course, généralement inférieure à quelques millimètres. En effet, en position ouverte, la valeur de l'entrefer du circuit magnétique est maximale. Pour démarrer la course de fermeture amenant les contacts mobiles de la position ouverte vers la position fermée, un fort courant d'appel dans la bobine est donc nécessaire pour créer un effort moteur suffisant capable d'attirer la partie mobile du circuit magnétique. Cela peut conduire alors à sur-dimensionner l'ensemble du système (circuit magnétique et bobine) par rapport à ce besoin de fort courant d'appel dans la bobine. Un système d'actionnement appelé de type électrodynamique présente un circuit ferromagnétique fixe, un ensemble aimanté et une bobine qui est mobile par rapport à cet ensemble aimanté. Il peut être soit à aimant fixe et bobine mobile (tel qu'un Voice-coil), soit à bobine fixe et aimant mobile (électroaimant de type Moving Magnet). Dans un tel actionneur de type électrodynamique, la force magnétique est principalement une force de Laplace qui résulte de la variation de l'inductance mutuelle entre l'ensemble aimanté et la bobine. Elle est proportionnelle au courant traversant la bobine, à l'induction magnétique générée par l'ensemble aimanté et aussi à la longueur de la bobine traversée perpendiculairement par le champ magnétique généré par l'ensemble aimanté. Un tel système fournit donc un effort moteur ayant une bonne linéarité tout au long de la course entre les positions ouverte et fermée, pour un flux magnétique et un courant bobine donné. Inversement, ce système ne permet pas de fournir un effort moteur supplémentaire important au voisinage de la position fermée pour garantir une bonne pression de contact des contacts mobiles sur les contacts fixes de l'appareil interrupteur. II faut alors augmenter fortement le courant bobine en position fermée, entraînant une consommation électrique importante ainsi que d'éventuels problèmes thermiques. II existe déjà des actionneurs hybrides qui combinent les avantages d'un système réluctant et d'un système électrodynamique, de façon à ce que le profil de la courbe de l'effort moteur de l'actionneur soit plus adapté au profil de la courbe d'effort résistant des contacts mobiles dans un appareil de type contacteur. Par exemple, le document EP1655755 décrit un tel actionneur électromagnétique hybride fonctionnant soit en mode réluctant, soit en mode électrodynamique, en fonction de la position de la partie mobile de l'actionneur. Dans cet actionneur, le système électrodynamique fournit principalement l'effort moteur nécessaire pendant la course d'approche des contacts mobiles et le système réluctant fournit principalement l'effort moteur supplémentaire nécessaire en fin de course de fermeture pour plaquer et maintenir efficacement les contacts mobiles contre les contacts fixes. Néanmoins, le pilotage précis d'un tel actionneur peut être difficile, en particulier durant le mouvement d'ouverture des contacts. On souhaite donc désormais assurer un pilotage plus précis de la position des contacts mobiles d'un appareil interrupteur et de leur dynamique de déplacement (en pilotant la vitesse et l'effort de déplacement de la partie mobile de l'actionneur lié aux contacts mobiles). Ceci permettrait notamment d'améliorer la consommation électrique et la fiabilité, d'accroître les performances, de synchroniser les mouvements avec les courants/tensions circulant dans les pôles de l'appareil (par exemple commutation au zéro de courant/tension). On souhaite également que la bobine d'excitation soit fixe pour simplifier son raccordement électrique et améliorer sensiblement sa fiabilité dans le temps en évitant l'usure due à des raccordements mobiles. Un but de l'invention est donc de concevoir un actionneur simple et robuste d'un appareil électrique interrupteur qui permette un pilotage plus précis de la partie mobile, aussi bien lors de la fermeture des contacts que lors de l'ouverture des contacts. Pour cela, l'invention propose un actionneur électromécanique hybride qui possède d'une part un fonctionnement de type actionneur électrodynamique à aimant mobile dans une première position (appelée position ouverte) et d'autre part un fonctionnement mixte de type actionneur électrodynamique à aimant mobile et actionneur réluctant polarisé dans une seconde position (appelée position fermée). L'invention décrit un actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur comprenant un circuit magnétique comportant une culasse fixe et un noyau central qui est mobile entre une position ouverte et une position fermée, le noyau mobile présentant avec la culasse fixe un entrefer magnétique dont la valeur est maximale en position ouverte et est minimale en position fermée, une bobine d'excitation fixe susceptible d'être traversée par un courant électrique de commande et un ensemble aimanté mobile solidaire du noyau mobile. L'ensemble aimanté est positionné entre la bobine et le noyau mobile dans la position ouverte et est positionné en partie entre la bobine et le noyau mobile et en partie entre la bobine et une paroi de la culasse fixe dans la position fermée, de façon à ce qu'une partie du flux magnétique de l'actionneur ne traverse pas la bobine. Selon une caractéristique, la culasse fixe comporte une première partie latérale étroite qui est agencée pour être en regard d'une partie de l'ensemble aimanté dans la position fermée et une seconde partie latérale large qui est agencée pour loger la bobine. Selon une première variante, l'ensemble aimanté comprend deux aimants permanents fixés sur le noyau mobile symétriquement de part et d'autre d'un axe de déplacement du noyau mobile. Selon une seconde variante, l'ensemble aimanté comprend deux sous-ensembles aimantés fixés sur le noyau mobile symétriquement de part et d'autre d'un axe de déplacement du noyau mobile, chaque sous-ensemble aimanté comportant deux aimants permanents distincts dont les axes d'aimantation sont opposés l'un par rapport à l'autre. Un tel actionneur électromagnétique combine donc les avantages d'un système réluctant et d'un système électrodynamique, de façon à mieux adapter le profil de la courbe de l'effort moteur de l'actionneur au profil de la courbe d'effort résistant. L'architecture de l'actionneur permet de mieux commander et contrôler la vitesse de la partie mobile et les forces soumises à la partie mobile, dans les deux directions de déplacement, ainsi que d'optimiser sa consommation électrique. 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 annexés sur lesquels : la figure 1 montre une vue en coupe simplifiée d'un premier mode de réalisation d'un actionneur hybride conforme à l'invention, en position ouverte, la figure 2 représente l'actionneur de la figure 1 en position fermée, la figure 3 montre une vue en coupe simplifiée d'un second mode de réalisation d'un actionneur hybride conforme à l'invention, en position ouverte, la figure 4 représente l'actionneur de la figure 3 en position fermée. Un appareil électrique interrupteur de type contacteur, contacteur-disjoncteur ou relais comporte des contacts fixes qui coopèrent avec des contacts mobiles dans le but de commuter le passage d'un courant de puissance alimentant dans une charge électrique. L'appareil est de type monopolaire ou multipolaire et comprend, pour un ou plusieurs pôles, un actionneur électromagnétique tel que décrit dans l'invention. La partie mobile de l'actionneur est mécaniquement lié aux contacts mobiles de l'appareil interrupteur, de telle sorte qu'en position fermée les contacts mobiles sont plaqués contre les contacts fixes autorisant la circulation du courant de puissance, et en position ouverte les contacts mobiles sont séparés des contacts fixes interdisant la circulation du courant de puissance. Les figures 1 et 2 montrent un actionneur électromagnétique qui comporte un circuit magnétique réalisé en matériau ferromagnétique et présentant une culasse fixe 10 et une partie mobile. La partie mobile comporte un noyau central 20 de type noyau plongeur. Ce noyau 20 est mobile suivant un axe de déplacement longitudinal X entre une première position ouverte (repos) et une seconde position fermée (travail). La partie mobile du circuit magnétique peut évidemment comporter aussi des éléments classiques supplémentaires permettant par exemple d'optimiser la taille et la forme des entrefers ou d'entraîner mécaniquement les contacts mobiles de l'appareil interrupteur. Ces éléments ne sont pas représentés sur les figures par souci de simplification. Dans le mode de réalisation présenté, la culasse fixe 10 présente une base 14 et une partie haute 13 qui sont sensiblement perpendiculaires à l'axe X. Entre la base 14 et la partie haute 13, la culasse comporte une partie latérale sensiblement parallèle à l'axe X, située de part et d'autre de l'axe X et composée d'une première paroi latérale étroite 11 prolongée par une seconde paroi latérale large 12. La partie haute 13 comporte une ouverture centrale pour laisser passer le noyau mobile 20. L'ensemble de la culasse 10 peut être symétrique par rapport à l'axe X. Le circuit magnétique présente un entrefer magnétique E qui est formé d'une part par un premier espace entre le noyau mobile 20 et la partie haute 13 de la culasse fixe 10 et d'autre part par un second espace entre le noyau mobile 20 et la base 14 de la culasse fixe 10. Par construction, le premier espace reste sensiblement constant durant le mouvement du noyau mobile 20 alors que le second espace varie en fonction du déplacement du noyau mobile 20, le noyau mobile 20 étant au plus près de la base 14 dans la position fermée (voir figures 1 & 2). L'entrefer E a donc une valeur minimale en position fermée et une valeur maximale en position ouverte. L'actionneur comporte également une bobine d'excitation 30 fixe qui est susceptible d'être traversée par un courant électrique de commande dans le but de piloter le déplacement ou le maintien du noyau mobile 20. L'appareil interrupteur possède des moyens électroniques de commande qui sont capables de faire circuler le courant de commande bobine dans un sens ou dans l'autre, dans le but de piloter précisément l'actionneur. Avantageusement, la bobine 30 de l'actionneur est donc fixe ce qui simplifie son raccordement électrique aux moyens électroniques de commande chargés de faire circuler le courant de commande dans la bobine. Dans les exemples de réalisation présentés, la bobine 30 est logée à l'intérieur de la paroi latérale large 12 de la culasse fixe 10 symétriquement par rapport à l'axe X. La bobine 30 possède une face interne 31 dirigée vers le noyau mobile 20 et une face externe opposée qui est fixée contre la paroi latérale large 12. Selon un plan orthogonal à l'axe de déplacement X, la culasse fixe 10, le noyau mobile 20 et la bobine 30 présentent indifféremment une section transversale de forme carrée, rectangulaire ou arrondie. 20 L'actionneur comporte également un ensemble aimanté mobile qui est solidaire du noyau mobile 20. En référence au premier exemple de réalisation des figures 1 & 2, l'ensemble aimanté comprend deux aimants permanents 40, respectivement 41, fixés contre le noyau mobile 20 de façon symétrique par rapport à l'axe de déplacement X. Les axes d'aimantation des aimants 40,41 sont 25 perpendiculaires et symétriques par rapport à l'axe X et sont dirigés indifféremment soit à l'opposé de l'axe X (comme indiqué sur les figures 1 & 2), soit vers l'axe X. En référence au second exemple de réalisation des figures 3 & 4, l'ensemble aimanté comprend deux sous-ensembles aimantés 42,43, respectivement 44,45, fixés contre le noyau mobile 20 de façon symétrique par rapport à l'axe de déplacement X. 30 Chaque sous-ensemble aimanté est composé de deux aimants permanents distincts. Les axes d'aimantation des aimants 42,43,44,45, sont perpendiculaires et symétriques par rapport à l'axe X. Les axes d'aimantation des deux aimants d'un même sous- ensemble aimanté sont opposés l'un par rapport à l'autre. Ainsi, l'axe d'aimantation de15 l'aimant 42 est opposé à celui de l'aimant 43 et l'axe d'aimantation de l'aimant 44 est opposé à celui de l'aimant 45. Par ailleurs, les applications de type relais, contacteur ou contacteur- disjoncteur peuvent imposer qu'en l'absence de courant circulant dans la bobine, la partie mobile du circuit magnétique soit en position ouverte, pour des raisons de sécurité (séparation des contacts fixes et mobiles). Donc, si par exemple l'appareil se trouve en position fermée sous l'action d'un courant circulant dans la bobine, alors la disparition de ce courant doit entraîner automatiquement le retour de la partie mobile du circuit magnétique vers la position ouverte. C'est pourquoi, l'actionneur comporte des moyens de rappel, habituellement sous la forme d'un ressort de rappel (non représenté sur les figures). Ce ressort de rappel doit générer une force de rappel FS suffisante pour vaincre l'effort magnétique créé uniquement par l'ensemble aimanté et le circuit magnétique en position fermée en l'absence de courant circulant dans la bobine, permettant ainsi à l'actionneur de passer de la position fermée à la position ouverte. Dans la position ouverte, l'actionneur est agencé pour que l'ensemble aimanté 40,41,42,43,44,45 soit entièrement positionné entre la bobine 30 et le noyau mobile 20. Tout l'ensemble aimanté 40,41,42,43,44,45 est donc positionné directement en vis-à-vis de la face interne 31 de la bobine 30. Ainsi, en position ouverte, l'actionneur fonctionne alors principalement comme un actionneur électrodynamique de type Moving Magnet lorsqu'un courant de commande circule dans la bobine 30, car une grande majorité des lignes de flux de l'actionneur traversent l'ensemble aimanté et la bobine 30. Inversement, dans la position fermée, l'actionneur est agencé pour que l'ensemble aimanté 40,41,42,43,44,45 soit positionné partiellement entre la bobine 30 et le noyau mobile 20 et partiellement entre la paroi latérale étroite 11 de la culasse 10 et le noyau mobile 20. L'ensemble aimanté 40,41,42,43,44,45 est donc partiellement positionné directement en vis-à-vis de la paroi latérale 11 de la culasse 10. Cet agencement permet alors un fonctionnement mixte de l'actionneur en position fermée. En effet, l'actionneur est alors une combinaison d'un actionneur électrodynamique de type Moving Magnet car une partie des lignes de flux de l'actionneur traversent l'ensemble aimanté et la bobine 30, et d'un actionneur réluctant polarisé car une partie des lignes de flux de l'actionneur ne traversent plus la bobine 30 mais se reboucle en effet en prenant le chemin suivant (comme indiqué aux figures 2 & 4) : ensemble aimanté 40,41,43,45, paroi latérale 11 de la culasse, base 14 de la culasse, entrefer E, noyau mobile 20, ensemble aimanté 40,41,43,45. Ce fonctionnement mixte en position fermée permet d'assurer un effort important de maintien en position pour une faible consommation électrique grâce à la partie actionneur réluctant polarisé, tout en conservant une grande capacité de piloter rapidement le noyau mobile durant le mouvement d'ouverture grâce à la partie actionneur électrodynamique. De plus cette solution est très simple et économique car c'est directement la culasse fixe qui est utilisée pour reboucler une partie du flux de l'ensemble aimanté à travers la paroi latérale étroite 11 et la base 14, dans le fonctionnement actionneur réluctant polarisé. Le fonctionnement de l'actionneur est donc le suivant : En l'absence de courant de commande circulant dans la bobine, le noyau mobile 20 est positionné en position ouverte grâce au ressort de rappel. L'apparition d'un courant de commande dans la bobine (dans un sens approprié en fonction de l'orientation des axes d'aimantation), entraîne la création d'une force de Laplace FE qui tend à déplacer le noyau mobile 20 par rapport à la bobine 30 suivant l'axe X, vers la position fermée. Cette force est proportionnelle à l'intensité du courant circulant dans la bobine 30, au champ magnétique de l'ensemble aimanté et à la longueur de la bobine traversée perpendiculairement par le champ de l'aimant. Cette force est donc de forme linéaire en fonction de la course de l'actionneur et est donc facilement pilotable par les moyens de commande de l'appareil interrupteur, en faisant varier le courant de commande. Elle est de plus bidirectionnelle en inversant le sens du courant de commande. A l'approche de la position fermée, une partie croissante de l'ensemble aimanté n'est plus situé en vis-à-vis de la face interne 31 de la bobine 30, mais est situé directement en vis-à-vis de la paroi latérale 11 de la culasse 10 pour former un actionneur réluctant polarisé. Une partie du flux magnétique de l'actionneur ne traverse alors plus la bobine 30, mais se reboucle directement entre l'ensemble aimanté, la culasse 10 et le noyau 20. Il se crée alors une force supplémentaire FR de type réluctant qui est inversement proportionnelle au carré de l'entrefer magnétique E. Cette force FR est donc maximale en position fermée et vient alors renforcer la force de Laplace FE, ce qui permet avantageusement de diminuer la consommation électrique de l'actionneur en diminuant le courant de commande circulant dans la bobine 30 jusqu'à une valeur appelée courant de maintien qui permet de maintenir le noyau mobile en position fermée. Néanmoins, la force réluctante FR crée par l'ensemble aimanté doit rester légèrement inférieure à la force de rappel FS créée par le ressort de rappel, pour que le noyau mobile 20 retourne en position ouverte dès la disparition du courant de commande de la bobine 20. Le courant de maintien en position fermée est donc calculé pour que la somme FR + FE - FS permette de créer une pression suffisante sur les contacts mobiles de l'appareil interrupteur, pour une valeur de courant de puissance donnée dans les pôles de l'appareil. Pour démarrer le mouvement d'ouverture, il suffit de couper le courant de commande de la bobine 30, comme indiqué précédemment, ce qui ne permet cependant pas de pouvoir piloter ce mouvement d'ouverture de façon satisfaisante. C'est pourquoi, l'agencement mixte de l'actionneur en position fermée permet de piloter précisément le mouvement d'ouverture dès la séparation entre contacts fixes et contacts mobiles, en faisant varier la valeur et le sens du courant de commande. Par exemple, une impulsion inverse forte du courant de commande au démarrage permet d'accélérer l'ouverture des contacts et de diminuer ainsi les risques d'arc électrique. Cela peut aussi permettre de casser de faibles soudures entre contacts mobiles et fixes. Des ajustements concernant les formes, les dimensions et les positionnements de l'ensemble aimanté par rapport à la bobine permettent de régler précisément les proportions entre le fonctionnement réluctant et le fonctionnement électrodynamique de l'actionneur. Ces ajustements font partie des réglages qui doivent être adaptés en fonction des applications et des performances souhaitées de l'appareil électrique. Dans le second exemple de réalisation, les axes d'aimantation des aimants 42,43 (respectivement 44,45) d'un même sous-ensemble sont opposés. Ainsi, en position ouverte, l'interaction entre le flux généré par la bobine et le flux des aimants entraîne un flux magnétique résultant qui traverse les deux aimants en série, de façon à accentuer la force résultante générée, comme représenté en figure 3. En position fermée, le fait d'avoir deux aimants distincts 42,43 (respectivement 44,45) pour chaque sous-ensemble permet de mieux différencier le fonctionnement mixte de l'actionneur. On peut ainsi envisager que le premier aimant 42, respectivement 44, d'un sous-ensemble reste principalement positionné entre la bobine 30 et le noyau mobile 20 pour créer l'effort électrodynamique, tandis que le deuxième aimant 43, respectivement 45, du sous-ensemble est principalement positionné entre la paroi latérale 11 de la culasse 10 et le noyau mobile 20 pour créer l'effort réluctant, comme représenté en figure 4. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS1. Actionneur électromagnétique pour appareil électrique interrupteur comprenant : - un circuit magnétique comportant une culasse fixe (10) et un noyau central (20) qui est mobile entre une position ouverte et une position fermée, le noyau mobile (20) présentant avec la culasse fixe (10) un entrefer magnétique (E) dont la valeur est maximale dans la position ouverte et est minimale dans la position fermée, une bobine d'excitation (30) fixe susceptible d'être traversée par un courant électrique de commande, un ensemble aimanté (40,41,42,43,44,45) mobile solidaire du noyau mobile (20), caractérisé en ce que l'ensemble aimanté est positionné entre la bobine (30) et le noyau mobile (20) dans la position ouverte et est positionné en partie entre la bobine (30) et le noyau mobile (20) et en partie entre la bobine (30) et une paroi (11) de la culasse fixe (10) dans la position fermée, de façon à ce qu'une partie du flux magnétique de l'actionneur ne traverse pas la bobine (30). 2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse fixe (10) comporte une première partie latérale étroite (11) agencée pour être en regard d'une partie de l'ensemble aimanté (40,41,43,45) dans la position fermée et une seconde partie latérale large (12) agencée pour loger la bobine (30). 3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble aimanté comprend deux aimants permanents (40,41) fixés sur le noyau mobile (20) symétriquement de part et d'autre d'un axe de déplacement (X) du noyau mobile (20). 4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les axes d'aimantation des deux aimants permanents (40,41) sont perpendiculaires à l'axe de déplacement (X). 5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble aimanté comprend deux sous-ensembles aimantés fixés sur le noyau mobile symétriquement de part et d'autre d'un axe de déplacement (X) du noyau mobile (20), chaque sous-ensemble aimanté comportant deux aimants permanents distincts (42,43,44,45) dont les axes d'aimantation sont opposés l'un par rapport à l'autre. 6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les axes d'aimantation des deux sous-ensembles aimantés (42,43,44,45) sont perpendiculaires à l'axe de déplacement (X). 7. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur comporte également des moyens de rappel susceptibles de déplacer le noyau mobile (20) de la position fermée vers la position ouverte, en l'absence de courant de commande circulant dans la bobine (30). 8. Appareil électrique interrupteur comportant des contacts fixes coopérant avec des contacts mobiles pour commuter l'alimentation d'une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, le noyau mobile de l'actionneur étant mécaniquement lié aux contacts mobiles. 9. Appareil électrique interrupteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'appareil comprend des moyens électroniques de commande pour piloter le courant électrique de commande de la bobine.20