Brevet FR3050567A1 — publié le 20171027

Actionneur pour un petit relais électromagnétique polarisé à haute capacité de transport de courant L'invention concerne un actionneur pour un petit relais électromagnétique polarisé servant à conduire et commuter des courants de charges stationnaires élevés tels qu'on peut en trouver par exemple dans la gamme de 120 A/230 VAC pour isoler des relais dans des compteurs de courant intelligents. L'utilisation de noyaux feuilletés magnétiques doux dans les aimants de commutation excités par courant alternatif et les transformateurs pour conduire le flux magnétique alternatif est connue depuis longtemps. Pour ce faire, des tôles à haute résistivité et très faible hystérésis, appelées « tôles de transformateur », sont poinçonnées en tôles coupées coïncidentes et empilées en paquets de tôles coupées qui sont ensuite assemblées, par exemple par rivetage, sertissage, pressage, collage ou soudage, le plan des tôles d'acier coupées devant être positionné perpendiculairement à la direction de la FEM induite. Le feuilletage a pour but de réduire les courants de Foucault induits par la réaimantation continue du fer doux, par exemple à la fréquence d'alimentation, et donc de réduire les pertes de réaimantation. À titre d'exemple, on se référera à l'aimant de commutation feuilleté pour appareillage électromagnétique selon le document de 20 modèle d'utilité DE 1 882 073 U, qui peut être en forme de U et construit à partir de deux moitiés feuilletées symétriques, ou au document de modèle d'utilité DE 20 2004 012 292 Ul relatif à un actionneur électromagnétique à courant alternatif pour l'actionnement d'une soupape d'échange de gaz dans un moteur à combustion interne, dont les noyaux magnétiques et/ou l'induit basculant présentent une construction 25 feuilletée ou fendue pour supprimer les courants de Foucault. Par contre, les relais à courant continu neutres ainsi que les relais polarisés excités par des impulsions de même polarité utilisent des corps en fer magnétique doux pleins à la fois pour la culasse fixe et pour l'induit. Des exemples de ces derniers relais sont 3050567 2 divulgués dans les documents DE 198 20 821 Cl et DE 10 2010 017 874 B4, selon lesquels des culasses en matériau magnétique doux pleines en forme de U sont complétées par une jambe centrale formée d'un aimant permanent et d'une pièce en fer magnétique doux, ou dans lesquels la forme en U elle-même est constituée de pièces en 5 fer doux composites, comme indiqué, par exemple, dans le document US 3 315 104 A ou DE 33 24 246 C2. Les actionneurs en forme de E ayant une structure de plusieurs composants pleins pour le retour magnétique, outre l'effort d'assemblage à plusieurs étapes différentes et des 10 pertes d'entrefer dans la culasse magnétique, nécessitent un étalonnage ultérieur d'un actionneur assemblé en raison de la chaîne de tolérances défavorable. Un autre problème avec les très petits actionneurs magnétiques consiste à créer suffisamment d'espace pour l'aimant permanent afin de pouvoir utiliser autant que 15 possible un matériau magnétique dur à plus faible densité d'énergie et donc de réduire le coût d'acquisition. Le but de l'invention est de développer davantage un actionneur pour un petit relais électromagnétique polarisé à haute capacité de transport de courant, comprenant une culasse en fer magnétique doux avec deux jambes extérieures et une jambe centrale complétée par un aimant permanent plat ou formée uniquement par un aimant permanent, pour appliquer un flux magnétique permanent à un induit basculant, et dans lequel deux bobines disposées sur les jambes extérieures ou sur la base de culasse de la culasse en fer doux et excitées par des impulsions de courant continu ou des ondes semi-sinusoïdales fournissent des impulsions de basculement pour l'induit basculant, afin de simplifier la fabrication de la culasse en fer doux ainsi que l'assemblage du petit relais polarisé, de réduire le coût des aimants permanents et d'améliorer les propriétés électromagnétiques générales du petit relais. 3050567 3 Le but est atteint par le fait que la culasse en fer doux de l'actionneur pour un petit relais polarisé excité par des impulsions de courant continu ou des ondes semi-sinusoïdales est feuilletée à partir d'un seul empilement de tôles coupées coïncidentes ou de différents empilements, chacun de tôles coupées coïncidentes, dans lequel l'orientation 5 d'empilage des tôles coupées dans la culasse en fer doux solidement assemblée est arbitraire par rapport à son induit basculant et donc aux lignes magnétiques du champ de force. Les tôles coupées peuvent être coupées avec une grande précision et feuilletées et 10 assemblées dans une très grande variété de formes de culasse. La fabrication peut être entièrement automatisée, ne nécessitant aucun réusinage supplémentaire ou correctif sur la culasse ou le relais assemblé. En réduisant ainsi la chaîne de tolérances jusqu'au relais fini, les forces de contact et la distance de contact peuvent être maintenues constantes pour une conception de relais pouvant être produite en masse, c'est-à-dire sur 15 des millions de relais produits. Par rapport aux culasses en fer doux réalisées en pièces pliées par rotation, étirage et/ou estampage, les coûts des matériaux et de fabrication sont réduits. De plus, par un formage approprié, des aimants moins coûteux peuvent être montés. 20 Les deux bobines peuvent être positionnées soit parallèlement l'une à l'autre sur les jambes extérieures de la culasse en fer doux, soit sur un axe commun sur la base de culasse, chacune entre une jambe extérieure et la jambe centrale. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est constituée 25 d'un paquet uniforme de tôles empilées coïncidentes, feuilletées longitudinalement en forme de « E » horizontal, qui sont orientées verticalement et assemblées de manière appropriée, par complémentarité de formes et/ou conjugaison de forces, par exemple par indentations, joints emboutis ou sertissages aux bords coupés des tôles. La jambe 3050567 4 centrale en fer doux du paquet de tôles feuilletées supporte un aimant permanent bien fixé. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est 5 constituée de tôles feuilletées verticalement et longitudinalement de deux contours de coupe différents. Plus précisément, le paquet est constitué d'un certain nombre de tôles coïncidentes en forme de « T » inversé, auxquelles sont ajoutées et assemblées de manière appropriée un certain nombre de tôles coïncidentes en forme de « E » horizontal et enfin un certain nombre de tôles coïncidentes en forme de « T » inversé. 10 De cette manière, les bobines peuvent être logées dans l'espace libre des grands côtés sur les jambes extérieures de la culasse en fer doux. L'aimant permanent polarisant est supporté par la face polaire plane de la jambe centrale. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est 15 constituée d'un paquet de tôles feuilleté longitudinalement en forme de U, orienté verticalement, dans lequel la jambe centrale est formée exclusivement par un aimant permanent en forme de cuboïde. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est constituée 20 de tôles coupées de deux contours différents comme suit : des tôles coupées coïncidentes en forme de « U » sont empilées sur des tôles coupées coïncidentes en forme de « I » horizontal, puis de nouveau des tôles coupées coïncidentes en forme de « I » horizontal sont empilées sur celles-ci et jointes par complémentarité de formes. Ici, les jambes en forme de U sont un peu en retrait, ce dont il résulte au total une culasse en 25 fer doux avec des jambes extérieures qui laissent de l'espace pour les bobines dans l'espace libre de la culasse. Un aimant permanent en forme de cuboïde forme la jambe centrale. 3050567 5 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est constituée d'un paquet de tôles coupées feuilleté transversalement à l'axe longitudinal de la culasse et orienté verticalement, en utilisant trois motifs différents de tôles coupées. Sur de premières tôles coïncidentes en forme de « I » horizontal, on ajoute successivement des 5 tôles coïncidentes en forme de « T » inversé, des tôles coïncidentes en forme de « I » horizontal, des tôles rectangulaires coïncidentes pour la jambe centrale, des tôles coïncidentes en « I » horizontal, des tôles coïncidentes en « T » inversé et enfin des tôles coïncidentes en « I » horizontal pour former un paquet de tôles feuilletées. Les jambes extérieures sont en retrait pour loger les bobines dans l'espace libre de la 10 culasse ; l'aimant permanent de faible densité d'énergie est placé sur la jambe centrale et s'étend sur toute la largeur de la culasse. Un autre mode de réalisation de l'invention diffère de la conception de culasse immédiatement précédente en ce qu'il est constitué de tôles feuilletées horizontalement 15 de trois motifs de coupe différents. La culasse en fer doux est constituée de premières tôles horizontales sur toute la base de culasse sur laquelle la jambe centrale est formée centralement à partir des tôles horizontales sur la largeur de la culasse et les deux jambes extérieures sont construites, en retrait, au bord. Un aimant permanent de dimension suffisamment large par rapport à la densité d'énergie est placé sur la jambe 20 centrale qui est facilement adaptable en coupant la tôle de manière appropriée. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la culasse en fer doux est constituée de deux paquets de tôles coupées en forme de L opposés identiques, de sorte que, lorsqu'ils sont assemblés, leurs jambes de base inférieures, réduites en largeur ou en 25 longueur, s'ajoutent pour former la base de culasse. Cette conception permet d'ajuster deux bobines ou une bobine double en alignement sur la base de culasse. Par la suite, un aimant permanent de dimension en hauteur adéquate est placé sur la base de culasse en tant que jambe centrale. 3050567 6 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les tôles orientées longitudinalement d'une culasse en fer doux construite verticalement sont coupées de sorte que les surfaces formant pôle des jambes extérieures soient allongées vers l'intérieur pour collecter le flux magnétique dans la zone supérieure. 5 En outre, selon un mode de réalisation supplémentaire de l'invention, quelle que soit la conception, les jambes extérieures peuvent être espacées différemment de la jambe centrale pour modifier le comportement d'attraction d'un petit relais bipolaire polarisé, ce qui permet une fermeture sans choc tout en permettant, d'autre part, l'ouverture 10 rapide des contacts d'un dispositif de contact électrique. Cela peut empêcher le rebond de contact lors de la commutation ainsi qu'une érosion accrue des contacts ou un soudage des contacts lors de la déconnexion sous charge. D'autres modes de réalisation concernant le comportement de basculement asymétrique du relais résultent de différentes sections transversales et/ou de la force de la bobine dans les jambes 15 extérieures de l'actionneur. En outre, l'actionneur peut être conçu de sorte que toutes les faces polaires, y compris l'aimant permanent, soient planes à la même hauteur, l'induit basculant étant alors supportée par l'aimant permanent et incliné vers le haut avec une légère forme en V des 20 deux côtés de sa crête. De même, les faces polaires des jambes extérieures peuvent faire saillie au-dessus de la face polaire de la jambe centrale, y compris son aimant permanent et sa pente vers le bas et vers l'extérieur dans le plan de basculement, l'induit basculant étant alors droit et 25 de niveau. En conséquence, une extrémité repose à plat sur l'épanouissement polaire respectif dans chaque position de commutation. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation. Sur les dessins joints, la 3050567 7 figure 1 montre la culasse magnétique d'un actionneur selon l'état de la technique, la figure 2 montre une culasse selon l'invention pour un actionneur d'un petit relais polarisé dans un premier mode de réalisation, constitué d'un empilement de tôles coupées coïncidentes orientées verticalement et longitudinalement en 5 forme de « E » horizontal, la figure 3 montre une culasse selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation, construit avec deux empilements orientés verticalement et longitudinalement, configurés différemment, de tôles coupées coïncidentes, la 10 figure 4 montre une culasse selon l'invention dans un troisième mode de réalisation, comprenant un empilement de tôles coupées coïncidentes en forme de U, orientées verticalement et longitudinalement, la figure 5 montre une culasse selon l'invention dans un quatrième mode de réalisation dans lequel les tôles coupées individuelles des jambes extérieures forment 15 une face polaire agrandie dans la zone supérieure, la figure 6 montre une culasse selon l'invention dans un cinquième mode de réalisation, construit avec trois empilements différents, orientés horizontalement et longitudinalement, de tôles coupées rectangulaires coïncidentes, la 20 figure 7 montre une culasse selon l'invention dans un sixième mode de réalisation, construit avec trois empilements orientés verticalement de tôles coupées coïncidentes, la figure 8 montre une culasse selon l'invention dans un septième mode de réalisation, construit avec deux empilements en forme de L qui sont configurés de 25 manière identique et intégrés dans une culasse en forme de U dans une orientation verticale et longitudinale symétrique, la figure 9 montre un actionneur assemblé avec un induit basculant en forme de V, et la figure 10 montre enfin un actionneur assemblé avec un induit basculant droit. 3050567 8 En se référant à la figure 1 relative à l'état de la technique, la culasse de l'actionneur est constituée d'une plaque en fer doux pleine poinçonnée en tant que base de culasse 1, de deux pièces du type broche formées par repoussage ou par extrusion avec une tête plate en saillie en tant que jambes extérieures 2 formant les noyaux de bobine et maintenant 5 les bobines annulaires 6 qui sont pressées en ajustement serré dans les trous poinçonnés ou forés 3 dans la base de culasse 1, et d'un aimant permanent 5 avec une autre pièce en fer magnétique doux en tant que jambe centrale 4. L'aimant permanent 5 génère un flux principal permanent à travers l'un des circuits de culasse et un bras oscillant de l'induit basculant 7 dont la crête centrale est supportée par l'aimant permanent 5 au moyen 10 d'une enceinte appropriée (non représentée sur le dessin), et maintient l'induit basculant 7 dans la position de commutation respective en l'absence d'excitation. Les inconvénients sont ici la construction en plusieurs pièces de la culasse, la réalisation des ajustements précis entre les trous poinçonnés ou forés 3 et les jambes extérieures 2 du type broche, l'effort déployé lors de l'assemblage de l'actionneur en plusieurs étapes et 15 la nécessité d'effectuer un étalonnage précis de l'actionneur assemblé par rapport au relais en raison de la chaîne de tolérances défavorable. La figure 2 décrit la construction de principe d'une culasse en fer doux feuilletée selon l'invention. Un empilement de tôles coupées coïncidentes en forme de E est réuni en 20 une culasse en fer doux avec une base de culasse 1, des jambes extérieures 2 et une jambe centrale 4, dans laquelle les tôles coupées sont, par exemple, assemblées par pression, serties ensemble au bord ou collées ensemble. Les tôles coupées sont orientées verticalement et dans la direction longitudinale de la culasse. Un aimant permanent 5 est placé sur la jambe centrale 4 en retrait, de sorte que les trois faces polaires sont dans un 25 même plan. Chaque jambe extérieure 2 porte une bobine 6 pouvant être excitée séparément. Les bobines 6 peuvent être alimentées individuellement ou en commun au moyen de leurs bornes centrales connectées. L'aimant permanent 5 supporte l'induit basculant 7. 3050567 9 Pour donner une idée de la taille d'une culasse selon l'invention pour un petit relais polarisé à haute capacité de transport de courant, les spécifications suivantes sont données à titre d'exemple : l'épaisseur des tôles coupées individuelles est de 0,5 mm, les tolérances de poinçonnage sont de +/- 0,05 mm et les dimensions d'une culasse finie 5 sont REVENDICATIONS1. Actionneur pour un petit relais électromagnétique polarisé à haute capacité de transport de courant, comprenant une culasse en fer magnétique doux avec une base de 5 culasse (1), deux jambes extérieures (2) et une jambe centrale (4) complétée par un aimant permanent plat (5) ou formée uniquement par un aimant permanent (5), pour appliquer un flux magnétique permanent à un induit basculant (7), et dans lequel deux bobines (6) disposées dans les circuits magnétiques de la culasse en fer doux (1, 2, 4) et excitées par des impulsions de courant continu ou des ondes semi-sinusoïdales 10 fournissent des impulsions de basculement pour l'induit basculant (7), caractérisé en ce que la culasse en fer doux (1, 2, 4) est uniformément feuilletée et assemblée à partir d'un seul empilement de tôles coupées coïncidentes ou de différents empilements, chacun de tôles coupées coïncidentes, dans lequel l'orientation de l'empilement de tôles coupées 15 dans la culasse en fer doux (1, 2, 4) solidement assemblée est arbitraire par rapport à son induit basculant (7) et donc aux lignes magnétiques du champ de force. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 la culasse en fer doux (1, 2, 4) est assemblée à partir d'un seul paquet de tôles coupées feuilletées longitudinalement, dont les tôles coupées en forme de E, orientées verticalement par rapport à la rétroaction magnétique, sont solidement assemblées entre elles. 25 3. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse en fer doux (1, 2, 4) est constituée d'un empilement de tôles coupées feuilletées longitudinalement en forme de « E » horizontal, orienté verticalement par rapport à la rétroaction magnétique, sur laquelle culasse est empilée de part et d'autre, 3050567 16 symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la culasse, une partie latérale de tôles coupées verticales en forme de T inversé jusqu'à la largeur totale de la culasse en fer doux (1, 2, 4), et dans lequel les trois empilements de tôles coupées sont solidement assemblés pour former la culasse en fer doux (1, 2, 4). 4. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse en fer doux (1, 2) est constituée d'un paquet en forme de U orienté verticalement de tôles coupées feuilletées longitudinalement qui est complété par une 10 jambe centrale magnétique dure sous la forme d'un aimant permanent cuboïde (5) de faible densité énergétique pour former une culasse en forme de E. 5. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la culasse en fer doux (1, 2, 4) est formée d'empilements verticaux feuilletés transversalement de tôles coupées où, transversalement à l'axe longitudinal de la culasse, au niveau d'un premier empilement orienté verticalement de tôles coupées formant la jambe centrale (4), des bandes orientées verticalement de tôles coupées sont ajoutées des deux côtés, suivies vers l'extérieur par des tôles en forme de T inversé et 20 enfin de nouveau par des tôles coupées orientées verticalement, ce dont il résulte des jambes extérieures (2) en retrait tandis que la jambe centrale (4) s'étend sur toute la largeur de la culasse en fer doux (1, 2, 4). 6. Actionneur selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que la culasse en fer doux (1, 2) est constituée de deux paquets de tôles coupées opposés en forme de L, configurés de manière identique, de sorte que, lorsqu'ils sont assemblés, leurs jambes de base inférieures, réduites en largeur ou en longueur, s'ajoutent pour former la culasse en fer doux (1, 2) dans sa totalité. 3050567 17 7. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse en fer doux (1, 2, 4) forme la base de culasse (1) d'un premier empilement 5 horizontal de tôles coupées sur laquelle, sur la largeur de ladite base de culasse, un empilement horizontal de tôles coupées dimensionné de manière appropriée forme la jambe centrale (4), et en outre un empilement horizontal étroit de tôles coupées approximativement carrées forme les deux jambes extérieures (2) en retrait. 8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tôles coupées orientées verticalement sont coupées de sorte que les jambes extérieures (2) forment des épanouissements polaires (8) dans la zone supérieure. 9. Actionneur selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces polaires des jambes extérieures (2) et la face polaire de la jambe centrale (4), y compris son aimant permanent (5), sont dans le même plan et l'induit basculant (7) est incliné vers le haut avec une légère forme en V. 10. Actionneur selon au moins l'une des revendications précédentes 1 à 8, caractérisé en ce que la jambe centrale (4), y compris son aimant permanent (5), fait saillie au-dessus des faces polaires des jambes extérieures (2) inclinées vers le bas et vers l'extérieur et l'induit basculant (7) est droit. 11. Actionneur selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 3050567 18 les jambes extérieures (2) de la culasse en fer doux (1, 2, 4) sont formées à différents espacements de la jambe centrale (4) de la culasse en fer doux (1, 2, 4). 12. Actionneur selon au moins l'une des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que les jambes extérieures (2) de la culasse en fer doux (1, 2, 4) forment une section transversale différente au moins dans la zone des faces polaires. 13. Actionneur selon au moins l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que des bobines (6) d'intensités de champ égales ou différentes sont installées sur les deux jambes de la culasse en fer doux (1, 2, 4).