Brevet FR3050568A1 — publié le 20171027

Actionneur bistable pour un relais électromagnétique polarisé L'invention concerne un actionneur bistable pour un relais électromagnétique polarisé, notamment pour un relais de très petites dimensions 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. On connaît du document DE 10 2010 017 874 B4 un actionneur magnétique bistable avec un circuit magnétique polarisé et des entrefers de travail parallèles, dans lequel une jambe centrale en fer doux avec un aimant permanent plat est prévue entre les jambes extérieures d'une culasse en fer doux en forme de U, l'aimant permanent appliquant un flux magnétique permanent à l'induit basculant qui pivote sur la jambe centrale et un enroulement d'excitation pouvant être excité séparément fournissant des impulsions de commutation pour faire basculer l'induit basculant entre une position de basculement à verrouillage par aimant permanent et l'autre, et dans lequel un flux principal généré par l'aimant permanent est produit à travers la branche de circuit magnétique et un flux latéral généré par l'aimant permanent est produit dans la branche de circuit magnétique disposée parallèlement à celle-ci. Il existe une symétrie dans l'agencement mécanique de construction dans les deux branches de circuit magnétique. Dans une variante, une force de basculement asymétrique peut être générée en appliquant un enroulement d'excitation supplémentaire à l'une des deux jambes extérieures, qui est conçue et bobinée de sorte que la force est amplifiée lorsque l'induit basculant bascule vers la branche de circuit magnétique préférée. On connaît du document DE 21 48 377 A un relais miniature polarisé avec une seule bobine et un aimant permanent en forme de barre disposé parallèlement à la bobine et comportant des pôles uniformes aux deux extrémités et un antipôle commun en son centre, ainsi qu'un induit basculant supporté par l'antipôle et formant un entrefer de 3050568 2 travail à chaque extrémité avec l'un des pôles de l'aimant permanent ou un épanouissement polaire reposant à plat contre l'aimant permanent. Une feuille de flux magnétique est agencée entre le pôle central de l'aimant permanent et l'induit. Dans un agencement symétrique de la feuille de flux exactement au milieu entre les extrémités 5 polaires de l'aimant permanent, l'induit basculant en position centrale est soumis à un équilibre des forces. En déplaçant la feuille de flux vers l'une ou l'autre extrémité de l'aimant permanent, cet équilibre des forces peut être changé en faveur d'une force de rotation dans le sens inverse ou dans le sens des aiguilles d'une montre. De cette manière, il est possible de compenser des asymétries de l'aimant en fabrication ou de 10 définir une asymétrie souhaitée du circuit magnétique, par exemple pour atteindre une position de repos monostable. On connaît du document DE 195 44 520 Al un relais électromagnétique polarisé comportant une bobine, un noyau et deux épanouissements polaires ainsi qu'un 15 agencement d'aimant permanent, dans lequel un induit basculant forme un entrefer de travail vers les deux épanouissements polaires avec l'une de ses extrémités. D'un côté de l'induit basculant, une feuille de séparation non magnétique est fixée à l'induit basculant, assurant un entrefer de travail défini entre l'induit basculant et l'épanouissement polaire correspondant. Étant donné qu'il reste toujours un espace 20 résiduel prédéfini du fait de la feuille de séparation, la force de maintien magnétique de l'induit est réduite à cet épanouissement polaire. Cela rend la construction de relais, à la base symétrique et bistable, monostable. Selon une variante, la feuille de séparation est résiliente et élargie vers l'épanouissement polaire de façon à précontraindre mécaniquement l'induit à l'écart de cet épanouissement polaire. Selon une autre 25 variante, la feuille de séparation s'étend sur les deux épanouissements polaires, mais présente une épaisseur variable. La feuille de séparation a également un effet d'amortissement lorsqu'elle est heurtée par l'induit. 3050568 3 Selon le document EP 1 081 733 A2, un relais bistable avec une culasse en forme de U et une bobine, un aimant permanent et un induit basculant devient un relais monostable en configurant l'induit basculant de façon qu'il présente un bras plus étroit et un bras plus large par rapport à l'axe de montage, et donc asymétriquement. Cela entraîne une 5 répartition inégale du flux magnétique sur les deux moitiés de l'induit basculant lorsque le relais est au repos. Cependant, l'aile plus mince de l'induit basculant devient saturée très rapidement, ce qui entraîne une forte réduction de la force d'attraction et de maintien de ce côté. 10 La majorité des relais familiers ont des dimensions importantes, sont compliqués du point de vue de la construction et de la fabrication des pièces, sont laborieux à étalonner et ne sont pas réglables dans la mesure souhaitée. Le but de l'invention est de développer davantage un actionneur bistable pour un petit 15 relais électromagnétique polarisé à haute capacité de transport de courant, comprenant une culasse en forme de E avec deux jambes extérieures ainsi qu'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 qui pivote sur la jambe centrale, dans lequel les enroulements d'excitation disposés dans les 20 circuits parallèles de la culasse fournissent chacun des impulsions de commutation pour l'induit basculant, de sorte qu'une asymétrie prédéfinie peut être obtenue dans l'équilibre des forces et donc dans le comportement d'attraction de l'induit basculant vers l'un et l'autre côté de pivotement au profit de propriétés de commutation améliorées, sans frais de construction supplémentaires, sans enroulement d'excitation 25 supplémentaire et sans laborieux travail d'étalonnage sur le relais assemblé. Le but est atteint en configurant des tailles différentes pour les espaces libres entre les faces polaires des deux jambes extérieures et les jambes centrales sur une culasse en forme de E d'un actionneur bistable. 3050568 4 Dans chaque position de commutation, par suite du flux magnétique permanent, l'induit basculant est toujours en contact avec une des jambes extérieures. L'entrefer de travail entre la jambe extérieure et l'induit basculant qui est positionné plus près de l'axe de 5 pivotement de l'induit basculant étant plus petit, et donc la résistance magnétique plus petite, le flux des lignes de force à travers cet espace et donc le couple exercé sur l'induit basculant par rapport à son support est plus fort. Cet agencement permet d'obtenir une asymétrie dans le comportement de basculement sans utiliser des composants supplémentaires tels que des feuilles de flux, des feuilles de séparation, des 10 ressorts de réglage, etc., et réalise en particulier une fermeture à faible rebond, mais forte, et une ouverture rapide du dispositif de contact sensiblement sans érosion des contacts. D'autre part, un maintien sûr causé uniquement par l'aimant permanent est obtenu dans chacune des deux positions de commutation. 15 Selon un premier mode de réalisation asymétrique de l'invention, l'une des jambes extérieures est plus proche ou plus éloignée de la jambe centrale que l'autre. Les jambes extérieures elles-mêmes peuvent être configurées avec des sections transversales identiques ou différentes. 20 Selon un autre mode de réalisation asymétrique de l'actionneur selon l'invention, l'une des jambes extérieures a une face polaire agrandie ou réduite vers la jambe centrale par rapport à la face polaire de l'autre jambe extérieure. Dans une autre variante, non seulement les faces polaires des jambes extérieures sont 25 asymétriques l'une par rapport à l'autre, mais même les jambes extérieures sont configurées avec des sections transversales de fer de dimensions différentes. Dans un mode de réalisation préféré, les faces polaires des jambes extérieures et la face polaire de la jambe centrale de l'actionneur bistable, y compris son aimant permanent, 3050568 5 sont en affleurement dans un plan et l'induit basculant est incliné vers le haut avec une légère forme en V. Cela permet aux ailes de l'induit basculant de reposer en contact complet sur les faces polaires planes des jambes extérieures. 5 En outre, les faces polaires des jambes extérieures peuvent être en retrait par rapport à la face polaire de la jambe centrale, y compris son aimant permanent, et être configurées pour être inclinées vers le bas et vers l'extérieur et l'induit basculant peut être plan sur toute sa zone. Cela permet également aux ailes de l'induit basculant de reposer en contact complet sur les faces polaires des jambes extérieures. 10 De préférence, selon un autre mode de réalisation de l'actionneur, les jambes extérieures sont droites sur le bord intérieur des faces polaires et parallèles à l'axe de pivotement de l'induit basculant, ce dont il résulte des propriétés de flux magnétique améliorées par rapport à des bords arrondis. 15 Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la face polaire de l'une des jambes extérieures de l'actionneur bistable est plus proche de la jambe centrale que l'autre vers laquelle l'induit basculant pivote lors d'une impulsion de basculement pour commuter le dispositif de contact électrique actionné directement ou indirectement de la 20 position fermée dans la position ouverte. En conséquence, la face polaire d'une jambe extérieure est plus espacée de la jambe centrale que l'autre vers laquelle l'induit basculant pivote lors d'une impulsion de basculement pour commuter le dispositif de contact électrique de la position ouverte 25 dans la position fermée. La pièce en fer doux de la culasse en forme de E peut être facilement fabriquée à partir d'une ou de plusieurs pièces poinçonnées et pliées ou à partir d'une ou plusieurs pièces formées à froid ou à partir d'un ou plusieurs empilement(s) de tôles coupées ou de tôles 3050568 6 poinçonnées coïncidentes assemblées en un paquet de tôles feuilletées qui forment la culasse en fer doux. Selon une variante, les deux bobines d'excitation sont situées parallèlement l'une à 5 l'autre, chacune sur une jambe extérieure de la culasse en fer doux ou, selon une autre variante, sur un axe commun sur la base de culasse, chacune entre une jambe extérieure et la jambe centrale de la culasse en fer doux. Les deux bobines d'excitation sont soit excitées séparément par des impulsions de 10 courant continu ou une onde semi-sinusoïdale, soit réunies électriquement en une seule bobine et excitées en alternance par une impulsion de courant continu positive et négative ou une onde semi-sinusoïdale pour faire basculer l'induit basculant. En outre, une des bobines d'excitation peut être configurée pour être 15 électromagnétiquement plus forte que l'autre afin de renforcer le comportement asymétrique de l'actionneur. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation. 20 Sur les dessins joints, la figure 1 montre un actionneur avec un induit basculant incliné dans une vue éclatée, la figure 2 montre une culasse avec un induit basculant incliné dans une vue de dessus, la figure 3 montre une culasse en fer doux modifiée en une seule pièce, la figure 4 montre un actionneur avec un induit droit dans une vue éclatée, la 25 figure 5 montre un actionneur avec une culasse en fer doux divisée. L'actionneur bistable, tel que schématisé dans une vue éclatée selon la figure 1, possède une culasse en fer doux 1 dont les jambes extérieures 2a, 2b ont des espacements différents a et b par rapport à la jambe centrale 3 et diffèrent également dans leurs 3050568 7 sections transversales. La jambe extérieure plus étroite 2a a une largeur libre a par rapport à la jambe centrale 3 qui est plus petite que la largeur libre b de la jambe extérieure plus large 2b. Les trois jambes 2a, 2b, 3 sont configurées en forme de cuboïde de leur base de culasse 8 à leurs faces polaires. Une bobine d'excitation 6a plus petite 5 est montée sur la jambe extérieure plus étroite, une bobine d'excitation 6b d'une taille plus grande appropriée est montée sur la jambe extérieure plus large 2b. La jambe centrale 3 porte un aimant permanent 4 ayant des dimensions transversales identiques, sa hauteur étant alignée avec les faces polaires 7a, 7b des jambes extérieures. L'aimant permanent 4 supporte un induit basculant 5 dont les ailes se projettent avec une légère 10 forme en V et sont adaptées aux dimensions de la culasse. Par conséquent, dans cet exemple, l'aile située au-dessus de la jambe extérieure 2b est plus longue que l'aile du côté opposé. L'induit basculant 5 peut être supporté avec sa crête située directement au centre de l'aimant permanent 4 ou être guidé et supporté dans un cadre de boîtier de l'actionneur non représenté en détail. Dans l'exemple selon la figure 1, les flux 15 magnétiques agissent dans les deux circuits parallèles en fonction des espacements libres a, b entre les jambes extérieures 2a, 2b et la jambe centrale 3 et en fonction des deux bobines d'excitation 6a, 6b alimentées alternativement. La figure 2 montre une présentation schématique d'un actionneur vu en regardant vers 20 son grand côté. Les deux jambes extérieures 2a, 2b de section transversale identique sont à nouveau espacées différemment de la jambe centrale 3. La largeur libre a est inférieure à la largeur libre b. La jambe centrale 3 supporte un aimant permanent 4 en alignement avec les deux faces polaires 7a, 7b. L'induit basculant 5, supporté par son axe de pivotement S ou directement par l'aimant permanent 4, est dessiné en position 25 d'équilibre neutre qui, cependant, ne se présente pas en tant que telle lors du fonctionnement du relais car l'induit basculant 5 est toujours en contact avec l'une des jambes extérieures 2a, 2b dans chacune des deux positions de commutation bistables résultant du verrouillage par force magnétique permanente. Cependant, le dessin illustre qu'avec une plus petite largeur libre à une jambe extérieure, ici à la jambe extérieure 2a, 3050568 8 l'entrefer de travail La avec l'induit basculant 5 est également réduit par rapport à l'entrefer de travail Lb au niveau de la jambe extérieure 2b. L'entrefer de travail La entre la jambe extérieure 2a et l'induit basculant 5 étant plus 5 petit, et donc la résistance magnétique à travers l'entrefer de travail La qui est positionné plus près de l'axe de pivotement S de l'induit basculant 5 étant plus petite, le flux électromagnétique Fml à travers cette aile d'induit basculant et donc le couple exercé sur l'induit basculant 5 est plus fort par rapport au flux électromagnétique Fm2 à travers l'autre aile d'induit basculant. Cela produit un comportement d'attraction 10 asymétrique qui peut être utilisé de manière avantageuse pour être adapté à un dispositif de contact destiné à être actionné par l'actionneur. L'angle de pivotement de l'induit basculant incliné en forme de V est identique vers les deux côtés. Selon la figure 3, l'une des jambes extérieures 2a de la culasse en fer doux 1 en une 15 pièce forme une face polaire 7a agrandie vers la jambe centrale 3, en plus de son espacement réduit par rapport à la jambe centrale 3, ce qui entraîne une largeur libre a nettement réduite entre la face polaire 7a et la jambe centrale 3 par rapport à la largeur libre b entre la jambe centrale 3 et la face polaire 7b de la jambe extérieure 2b plus éloignée. Par conséquent, pour un même nombre d'enroulements actifs des bobines 20 d'excitation, un induit basculant en forme de V positionné sur l'axe de pivotement S (non représenté ici) est tiré avec plus de force vers le côté de la jambe extérieure 2a que vers la jambe extérieure 2b en raison du plus petit entrefer de travail. La figure 4 montre une vue éclatée d'un actionneur avec un induit basculant 5 25 entièrement plan. Vu de la base de culasse 8 de la culasse en fer doux 1 en une seule pièce, la jambe extérieure gauche 2a a une section transversale plus petite et un espacement libre a plus petit par rapport à la jambe centrale 3 que la jambe extérieure droite 2b. Ainsi, la jambe extérieure droite 2b peut porter une bobine d'excitation 6b de dimensions géométriques différentes, mais, par exemple, de force magnétomotrice 3050568 9 identique à celle de gauche. Cependant, de préférence, la jambe extérieure gauche est configurée pour avoir les plus grandes dimensions géométriques (non dessiné). Avec l'aimant permanent 4 monté, la jambe centrale 3, conjointement avec 4, fait saillie au-dessus des jambes extérieures 2a, 2b. L'induit basculant 5 supporté par l'axe de 5 pivotement S pivote sur l'aimant permanent 4 en forme de toit jusqu'à ce qu'il repose sur l'une des faces polaires 7a, 7b des jambes extérieures 2a, 2b. Pour permettre à l'induit basculant plan 5 de reposer sur les faces polaires 7a, 7b en contact complet, celles-ci sont inclinées vers le bas et vers l'extérieur, en tenant compte des angles d'inclinaison différents. De préférence, les bords intérieurs des faces polaires 7a, 7b 10 sont droits et parallèles à l'axe de pivotement de l'induit basculant 5, ce dont il résulte des propriétés de flux magnétique améliorées par rapport à des bords arrondis. La figure 5 montre une variante de l'invention dans laquelle la culasse en fer doux 1 est formée de deux pièces et la jambe centrale 3 est formée exclusivement par un aimant 15 permanent 4 s'étendant jusqu'au plan des faces polaires 7a, 7b des jambes extérieures 2a, 2b. La base de culasse 8 et la jambe extérieure droite 2b forment un composant, la jambe extérieure gauche 2a formant l'autre. Cela permet de monter les deux bobines d'excitation 6a, 6b en tandem sur la base de culasse 8 avant que la culasse en fer doux 1 soit terminée. Les jambes extérieures 2a, 2b ont le même espacement par rapport à la 20 jambe centrale 3 et les mêmes dimensions transversales. Cependant, les faces polaires 7a, 7b sont de tailles différentes, ce dont il résulte une plus grande largeur libre a qu'une largeur libre b des faces 7a, 7b par rapport à la jambe centrale 3 formée par l'aimant permanent 4. Ainsi, à excitation égale des deux bobines 6, l'induit basculant 5 en forme de V est tiré avec plus de force vers la jambe extérieure 2b que vers la jambe extérieure 25 2a en raison des entrefers de travail différents. À ce propos, nous nous référons aux explications détaillées de la figure 2. Les deux bobines d'excitation 6a, 6b sont bobinées dans une direction commune ou connectées en conséquence. Si elles sont connectées en série, on fait passer l'induit basculant 5 d'une position à l'autre en changeant la polarité des impulsions d'excitation. Si les bobines d'excitation 6a, 6b peuvent être excitées 3050568 10 séparément, une impulsion polarisée est appliquée à la bobine d'excitation responsable du changement, en tenant compte de la direction de bobinage. Le flux électromagnétique est superposé au flux magnétique permanent. En fonction du système, le flux magnétique permanent dans le circuit magnétique permanent de la 5 culasse en forme de E peut être affaibli ou, dans le circuit secondaire magnétique permanent, renforcé jusqu'à ce que l'induit basculant bascule, de préférence le premier cas, car il s'est avéré plus efficace du point de vue énergétique. 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 : les 10 dimensions d'une culasse assemblée sont REVENDICATIONS: 1. Culasse en fer doux (1) d'un actionneur bistable comprenant deux jambes extérieures (2a, 2b), une jambe centrale (3) complétée par un aimant permanent plat (4) ou formée uniquement par un aimant permanent (4), les jambes extérieures (2a, 2b) comprenant des faces polaires (7a, 7b) exposées à l'extrémité des jambes extérieures (2a, 2b), caractérisée en ce que les espaces libres (a, b) entre les faces polaires (7a, 7b) des deux jambes extérieures (2a, 2b) et la jambe centrale (3) sont de tailles différentes. 2. Culasse en fer doux selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'une des jambes extérieures (2a, 2b) est plus proche ou plus éloignée de la jambe centrale (3) que l'autre jambe extérieure (2b, 2a). 3. Culasse en fer doux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une des jambes extérieures (2a, 2b) a une section transversale de fer plus grande ou plus petite que l'autre jambe extérieure (2b, 2a). 4. Culasse en fer doux selon l'une quelconque des revendications précédentes, Caractérisé la culasse en fer doux (1) est constituée d'une ou plusieurs pièces poinçonnées et pliées ou d'une ou plusieurs pièces formées à froid. 5. Culasse en fer doux selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, caractérisée en ce que la culasse en fer doux (1) est constituée d'un ou plusieurs empilement(s) de tôles coupées coïncidentes, assemblés chacun en un paquet de tôles feuilletées. 20 25 3050568 14 6. Culasse en fer doux selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, caractérisée en ce que la culasse en fer doux (1) est constituée de deux composants et la jambe centrale (3) est 5 formée exclusivement par un aimant permanent, une base de culasse (8) et l'une des jambes extérieures (2b) formant un composant et l'autre jambe extérieure (2a) formant 1' autre. 7. Actionneur bistable pour un petit relais électromagnétique polarisé à haute capacité 10 de commutation et dimensions réduites comprenant une culasse en fer doux (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par deux bobines d'excitation (6a, 6b) dans le retour magnétique à double circuit et un induit basculant (5) pivotant sur la jambe centrale (3) pour l'actionnement d'un dispositif 15 de contact électrique. 8. Actionneur bistable selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une des jambes extérieures (2a, 2b) a une face polaire (7a, 7b) agrandie ou réduite dans la direction longitudinale de l'induit basculant (5) par rapport à la face polaire (7b, 7a) de l'autre jambe extérieure (2b, 2a). 9. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 ou 8, caractérisé en ce que les faces polaires (7a, 7b) des jambes extérieures (2a, 2b) et la face polaire de la jambe centrale (3), y compris son aimant permanent (4), sont alignées dans un plan et l'induit basculant (5) est incliné avec une légère forme en V. 10. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 ou 8, 3050568 15 caractérisé en ce que les faces polaires (7a, 7b) des jambes extérieures (2a, 2b) sont en retrait par rapport à la face polaire de la jambe centrale (3), y compris son aimant permanent (4) incliné en forme de toit, et sont inclinées vers l'extérieur et vers le bas, l'induit basculant (5) étant 5 configuré pour être plan. 11. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 à 10, caractérisé en ce que les jambes extérieures (2a, 2b) sont droites au bord intérieur des faces polaires (7a, 7b) 10 et parallèles à l'axe de pivotement de l'induit basculant (5). 12. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 à 11, caractérisé en ce que la face polaire (7a, 7b) d'une jambe extérieure (2a, 2b) est plus proche de la jambe 15 centrale (3) que l'autre face polaire (7b, 7a) du côté de laquelle l'induit basculant (5) pivote lors d'une impulsion de basculement pour commuter le dispositif de contact électrique actionné directement ou indirectement de la position fermée dans la position ouverte. 20 13. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 à 12, caractérisé en ce que la face polaire (7b, 7a) d'une jambe extérieure (2b, 2a) est plus éloignée de la jambe centrale (3) que l'autre face polaire (7a, 7b) du côté de laquelle l'induit basculant (5) pivote lors d'une impulsion de basculement pour commuter le dispositif de contact 25 électrique actionné directement ou indirectement de la position ouverte dans la position fermée. 14. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications précédentes 7 à 13, caractérisé en ce que 3050568 16 les deux enroulements d'excitation (6a, 6b) sont disposés soit parallèlement l'un à l'autre, chacun sur une jambe extérieure (2a, 2b) de la culasse en fer doux (1), soit sur un axe commun sur la base de culasse (8), chacun entre une jambe extérieure (2a, 2b) et la jambe centrale (3, 4). 5 15. Actionneur bistable selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deux bobines d'excitation (6a, 6b) sont excitées séparément par des impulsions de courant continu ou des ondes semi-sinusoïdales. 10 16. Actionneur bistable selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deux bobines d'excitation (6a, 6b) sont connectées électriquement en une bobine interconnectée unidirectionnelle et sont excitées en commun au moyen d'impulsions de 15 courant continu ou d'ondes semi-sinusoïdales. 17. Actionneur bistable selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l'un des enroulements d'excitation (6a, 6b) est configuré pour être 20 électromagnétiquement plus fort que l'autre.