WO2006032649A1 - Actionneur electromagnetique bistable a serrure integree - Google Patents

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electromagnetic actuator
longitudinal axis
actuator according
movable
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PCT/EP2005/054669
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Gérard Adam
Christian Bataille
Jean-Pierre Kersusan
Vincent Leconte
Bernard Loiacono
Didier Vigouroux
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Schneider Electric Industries SAS
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    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2263—Polarised relays comprising rotatable armature, rotating around central axis perpendicular to the main plane of the armature

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator usable in a switch electrical appliance, in particular of the circuit-breaker, disconnector and / or switch type, comprising a bistable control electromagnet for switching movable contacts of the appliance between an open position and a closed position. and comprising means for switching the apparatus into a triggered or engaged state.
  • This type of actuator is suitable for use in low voltage or medium voltage equipment.
  • an autonomous trigger mechanism generally called lock
  • lock which is intended to open the contact poles and lock the movable contacts in the open position.
  • This lock can be manually controlled or can be motorized depending on the destination of the device. It comprises for example a spring system which must be able to open the movable contacts in all cases, including when no current is present in the electromagnet or when the current flowing in the electromagnet is opposed to the movement opening. To overcome the effort of the electromagnet, so often requires an important device that is cumbersome and expensive, especially in a high-power installation where very significant mechanical forces are involved.
  • mechanical means such as spring systems, or a reserve of electrical energy stored elsewhere and usable for triggering the lock.
  • mechanical or electronic devices are also needed to confirm the triggering order of the lock and to ensure the maintenance of the open triggered position.
  • the object of the invention is to provide a bistable electromagnetic actuator which internally integrates a trigger lock, thus avoiding the need for a separate lock.
  • a switch device using this actuator would then have the enormous advantage of being lighter, less bulky and less expensive than a conventional device, for similar performance.
  • the invention describes a bistable electromagnetic actuator for switch electrical apparatus, comprising a fixed outer yoke of ferromagnetic material, a movable core comprising a central shaft along a longitudinal axis, a fixed excitation coil surrounding the central shaft and a number N of sets fixed magnets evenly distributed about the longitudinal axis.
  • the core In the vicinity of each end of the central shaft, the core has a number N of magnetic pole surfaces extending transversely to the longitudinal axis beyond the central shaft.
  • the core is movable in translation along the longitudinal axis under the action of an electric current flowing in the coil for driving mobile contacts of the switch device, and the core is mechanically rotatable, preferably of approximate value. 1 / 2N turn around the longitudinal axis, without driving the moving contacts.
  • the N magnetic assemblies are composed of a number N of magnets fixed to the yoke and of a number N of flux concentrator elements made of ferromagnetic material placed between the N magnets and the N corresponding polar surfaces of the core. mobile. In the engaged state, each magnetic pole surface is substantially aligned along the longitudinal axis with each corresponding concentrator element.
  • the actuator further comprises return means for keeping the movable core in the open position in the triggered state.
  • the actuator comprises means for reducing the friction occurring during the rotational movement of the movable core, said friction reduction means comprising parts of non-magnetic material which also serve as an air gap for the core.
  • the invention also relates to an electrical switch device comprising a plurality of movable contacts cooperating with fixed contacts to switch an electrical load, and comprising such an electromagnetic actuator.
  • FIG. 1 represents a longitudinal sectional view BB of a simplified example of an electromagnetic actuator according to the invention, in a closed position
  • FIG. 2 represents the same sectional view of the example of FIG. 1, in an open position
  • FIGS. 3 and 4 show a cross-sectional view AA of the actuator of FIG. 1, respectively in an engaged state and a triggered state,
  • FIG. 5 shows FIG. 3 in transverse view from above
  • - Figure 6 details a simplified example of a connecting mechanism between the movable core and movable contacts of the device.
  • An electromagnetic actuator is used in a low voltage or medium voltage switchgear electrical apparatus.
  • This actuator acts on movable contacts 58 for each power pole of the apparatus through a movable core 30.
  • the actuator can assume a stable open position in which the movable contacts 58 are separated from corresponding fixed contacts 59 of the apparatus and a stable closed position in which the movable contacts 58 are pressed against the corresponding fixed contacts 59.
  • the actuator also has a latched state that allows movement between these open and closed positions and a triggered state that keeps the moving and stationary contacts separate and that prohibits movement to the closed position.
  • the actuator is of the type comprising an outer yoke 10 and a fixed excitation coil 20 with a movable central core 30 and a number N of fixed magnetic elements.
  • the core 30 is movable in translation along a longitudinal axis X under the action of an electric control current flowing in the coil 20, so as to take the open position or the position closed.
  • the outer yoke 10 is made of ferromagnetic material (such as soft iron, mild steel or others). According to the preferred embodiment, it comprises a body 11 extending along a longitudinal axis X and extended by a number N of upper flanges 13 (see references 13a, 13b, 13c, 13d in Figure 5) at an upper end of the body 11 and the same number N of lower flanges 14 at the other lower end of the body 11. These flanges 13,14 are perpendicular to the central axis X, directed towards the axis X, regularly distributed around the axis X at each end of the body 11 and separated from each other by notches 17.
  • a number N of upper flanges 13 see references 13a, 13b, 13c, 13d in Figure 5
  • These flanges 13,14 are perpendicular to the central axis X, directed towards the axis X, regularly distributed around the axis X at each end of the body 11 and separated from each other by notches 17.
  • the movable core 30 is made of ferromagnetic material and comprises a central shaft 39 which extends along the longitudinal axis X and which is surrounded by the fixed coil 20.
  • the shaft 39 is for example cylindrical. In the vicinity of its ends, it is extended by an upper plate 31 and a lower plate 32 fixed to the barrel 39.
  • the plates 31, respectively 32 each have a number N of projections or branches in the form of radial pole teeth 33, respectively 34, which extend perpendicular to the X axis, deviating from the X axis beyond the central shaft 39 and regularly distributed around the axis X.
  • Figure 3 thus shows an upper plate 31 notched with four projections 33a, 33b, 33c, 33d separated by four notches 37 between them.
  • the advanced N 33, respectively 34, plates 31, 32 respectively, of the movable core 30 form as many magnetic polar surfaces 33, respectively 34, movable actuator whose role will be detailed below.
  • the actuator also comprises a number N of fixed magnetic assemblies which are regularly distributed around the X axis.
  • Each magnetic assembly is preferably composed of a permanent magnet 23 bonded to a concentrator element 43 of magnetic flux.
  • the actuator therefore has a number N of magnetic assemblies (composed of N magnets 23a, 23b, 23c, 23d and N concentrator elements 43a, 43b, 43c, 43d, see FIG. 4), identical to the number N of polar surfaces 33, 34 existing on each plate 31, 32 of the core 30 and the number N of flanges 13,14 at each end of the cylinder head 10.
  • the N magnets 23a, 23b, 23c, 23d are fixed against the inner wall of the body 11 of the cylinder head 10. They are for example of parallelepipedal shape to simplify their manufacture and can be positioned and maintained by various conventional means, such as parts plastic holding or wedging (not shown in the figures) and the shape arrangements of the inner wall of the cylinder head 10.
  • the magnetization axes of the N magnets 23a, 23b, 23c, 23d lie in a plane perpendicular to the X axis and are indifferently either all directed to the X axis, or all directed away from the X axis.
  • the N concentrator elements 43a, 43b, 43c, 43d are made of ferromagnetic material and are fixed against the inner wall of the magnets 23a, 23b, 23c, 23d, between the magnets and the coil 20. In the embodiment shown, they have a parallelepiped shape and are also held in place by various conventional means of wedging. Each concentrator element 43 should preferably at least cover the whole of the inner wall of the corresponding magnet 23 and have a length along the upper X axis on each side to the length of the corresponding magnet, as shown in FIGS. 2. When the actuator is in the engaged state, the N concentrator elements 43 are substantially aligned along the X axis with the N corresponding polar surfaces 33, 31 of the plates 31, 32 of the core 30. In addition, the N concentrator elements 43 are substantially aligned along the X axis with the N upper flanges 13 and the N corresponding lower flanges 14 of the yoke 10. O
  • these concentrating elements have the function of deflecting the magnetic flux lines B generated by the magnets 23a, 23b, 23c, 23d in a direction substantially parallel to the X axis in one direction or the other, in function of the position of the mobile core 30.
  • the core 30 When the actuator is in the engaged state, the core 30 is movable in translation (arrow T) along the longitudinal axis X under the action of the coil 20 between the open and closed positions.
  • the actuator is designed so that these two positions are stable and it is necessary to reverse the direction of the control current flowing in the coil 20 to move from one to the other position.
  • Returning means such as a return spring 50 placed between the movable core 30 and any fixed support of the apparatus (see FIG. 6), are also provided to facilitate a translational movement of the core 30, in the direction closed position to open position.
  • the actuator has drive means 51 in translation, which allow the movable core 30 to drive a movable slide 52, but only during its translational movement T.
  • drive 51 comprises a pivot link 51 placed between the movable core 30 and the slider 52.
  • This pivot connection 51 drives the slider 52 which itself drives a movable bridge 53 carrying the movable contact (s) 58 of each power pole of the apparatus .
  • a contact pressure spring 55 positioned between the movable bridge 53 and the slider 52 makes it possible to press the movable contacts 58 onto the corresponding fixed contacts 59 of the power pole in the closed position.
  • the actuator is designed so that, in the closed position (see FIGS. 1 & 3), the upper ends of the concentrator elements 43a, 43b, 43c, 43d are facing the polar surfaces 33a, 33b, 33c, 33d of the upper plate 31 Likewise, the polar surfaces 34 of the lower plate 32 are opposite the lower flanges 14 of the yoke 10.
  • a magnetic flux B emanating from the magnets 23 can therefore flow in the actuator, by traversing the following path: magnets 23, concentrator elements 43, pole surfaces 33 of the upper plate 31 of the core 30, central shaft 39, polar surfaces 34 of the lower plate 32, lower edges 14 of the yoke 10, body 11 and magnets 23.
  • the pole surfaces 33a, 33b, 33c, 33d of the upper plate 31 are opposite the upper flanges 13a, 13b, 13c, 13d of the cylinder head 10.
  • the lower ends of the concentrator elements 43a, 43b, 43c, 43d are facing the surfaces
  • the magnetic flux B from the magnets then travels the following path: magnets 23, concentrator elements 43, polar surfaces 34 of the lower plate 32 of the core 30, central shaft 39, polar surfaces 33 of the plate upper 31, upper flanges 13 of the yoke 10, body 11 and magnets 23.
  • the actuator has one or more pieces 19 of non-magnetic material, such as bronze or plastic. These parts 19 have the form of plates or rings and are positioned for example against the inner face of the flanges 13,14 (see FIGS. 1 & 2), but could also be positioned on the ends of the concentrating elements 43 or on the polar surfaces. 33.34.
  • the core 30 is also rotatable (arrow R) about the longitudinal axis X under the action of a mechanical trigger device.
  • This triggering device can be indifferently manual or motorized depending on the type of switch device to which the actuator is intended.
  • the rotational movement allows the actuator to move from an engaged state (shown in Figure 3) to a triggered state (shown in Figure 4).
  • the amplitude of the rotational movement between the engaged state and the triggered state is preferably approximately 1 / 2N turn around the X axis.
  • Conventional mechanical stops make it possible to limit the rotational stroke of the core 30 to the desired value.
  • the pivot connection 51 is designed so that the rotational movement of the core 30 does not alter the position of the slider 52 and therefore does not cause the movable contacts 58.
  • the polar magnetic surfaces 33, 34, formed by the projections of the plates 31, 32, have, in the engaged state, large magnetic contact surfaces S positioned either opposite the flanges 13 or 14 of the cylinder head 10 or facing the one or other of the ends of the concentrator elements 43, allowing the passage of the magnetic flux.
  • the magnetic flux B generated by the magnets can circulate with minimum air gaps and create a magnetic holding force F which is proportional to the contact surfaces S and the square of the flow B.
  • the pole surfaces 33,34 will no longer be aligned with the concentrator elements 43 or with the flanges 13,14, so that the contact surfaces S will decrease rapidly.
  • the magnetic retention force F applied to the core 30 will thus also decrease rapidly.
  • the actuator After a rotation of about 1 / 2N turn (see Figure 4), the actuator is in the triggered state.
  • the polar surfaces 33a, 33b, 33c, 33d, 34 are now substantially opposite the notches 17 of the yoke 10 and therefore completely offset from the N concentrating elements 43a, 43b, 43c, 43d, N edges 13a, 13b, 13c, 13d and N edges 14, creating very important air gaps.
  • the flanges 13, 14 and the concentrator elements 43 are substantially aligned with the notches 37 of the core 30.
  • the corresponding magnetic contact surfaces S are therefore eliminated and the magnetic retention force F applied to the core 30 is also practically zero. .
  • the return force, generated by the return spring 50, is calculated to be less than the holding force F when the actuator is in an engaged state, which gives stable open and closed positions even in the absence
  • the holding force F has practically disappeared and the only force applied in translation to the movable core 30 remains the restoring force exerted by the return spring 50 (FIG.
  • Auxiliary increase of contact pressure springs 55 so that the movable core 30 is automatically translated in translation to the open position causing the opening of the movable contacts 58.
  • the size of the spring 50 does not need to be very important to ensure this function, which contributes to the compactness of the device, because it has only a residual effort to fight in the triggered state.
  • the triggered state therefore guarantees maintaining the open position and therefore the separation of the contacts as would a separate lock that would act on the mobile contacts autonomously.
  • the actuator is preferably provided with friction reduction means which appear during the rotational movement of the core 30.
  • these friction reduction means may be composed in particular by the rings or plates 19 previously described to maintain residual air gaps in open and closed positions.
  • These pieces 19 are therefore chosen in a non-magnetic material which also makes it possible to reduce the frictional forces of the moving core 30 during its rotational movements, such as bronze or teflon.
  • the parts 19 may also comprise only such an anti-friction coating.
  • Other additional means may be used to reduce the friction of the movable core (grooves in the frame of the coil, etc.).
  • the number N is at least equal to two to obtain in particular a good distribution of the forces in the mobile core 30. This then makes a rotation of about 1/4 turn around the X axis between the engaged state and the triggered state.
  • the outer yoke 10 may be made of two identical and symmetrical parts with respect to X, each part having an approximate shape of C and comprising an upper rim 13, a body 11 and a lower rim 14, as suggested in FIG.
  • the actuator then has a substantially parallelepipedal overall shape which is advantageously very compact and simple to produce.
  • the number N is equal to four and the movement of the rotating mobile core is approximately 1/8 of a turn. In this case, the stroke of the rotational movement necessary to reach the triggered state is advantageously very short.
  • the body 11 of the yoke 10 is then preferably cylindrical as shown in the figures. However, according to another variant, the body of the yoke may also have a polygonal structure having N facets in a transverse sectional plane.
  • N is also possible, as for example N equal to three.
  • all the different parts of the actuator three in number are then spaced about 120 ° between them around the axis X.
  • the electromagnetic actuator described in the invention simultaneously performs the functions of closing and opening the power pole contacts by virtue of its translational movement between two stable positions and the triggering and interlocking functions of a lock. thanks to its rotational movement. It is robust enough to be used in low voltage or medium voltage devices.
  • An electrical switch device comprising such an actuator will then have the distinction of being more compact, lighter, simpler to manufacture (less parts to assemble) and therefore more economical than a conventional device with a separate lock.
  • Such an apparatus will also not require having a permanent energy reserve (with for example capacities), capable of separating the contacts movable in a safe way even if it is impossible to supply a control current in the coil.

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Abstract

L'actionneur comporte une culasse externe (10) fixe, un noyau mobile (30) comprenant un fût central (39) s'étendant le long d'un axe longitudinal (X), une bobine d'excitation fixe (20) entourant le fût central (39) et un nombre N d'ensembles magnétiques (23,43) fixes régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal (X). Au voisinage de chaque extrémité du fût central (39), le noyau (30) comporte un nombre N de surfaces polaires magnétiques (33,34) s'étendant transversalement à l'axe (X). Le noyau (30) est mobile en translation (T) selon l'axe (X) sous l'action d'un courant circulant dans la bobine (20) pour entraîner des contacts mobiles de l'appareil interrupteur et le noyau (30) est mobile en rotation (R) d'environ 1/2N tour autour de l'axe (X), sans entraîner les contacts mobiles.

Description

Actionneur électromagnétique bistable à serrure intégrée
La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique utilisable dans un appareil électrique interrupteur, notamment du type disjoncteur, sectionneur et/ou interrupteur, comprenant un électroaimant bistable de commande pour commuter des contacts mobiles de l'appareil entre une position ouverte et une position fermée et comprenant des moyens permettant de commuter l'appareil dans un état déclenché ou enclenché. Ce type d'actionneur est adapté pour une utilisation dans des équipements basse tension ou moyenne tension.
Dans un tel appareil interrupteur, il existe généralement un mécanisme de déclenchement autonome, généralement appelée serrure, qui est destinée à ouvrir les pôles de contacts et de verrouiller les contacts mobiles en position ouverte. Cette serrure peut être commandée manuellement ou peut être motorisée suivant la destination de l'appareil. Elle comporte par exemple un système à ressort qui doit être capable d'ouvrir les contacts mobiles dans tous les cas, y compris quand aucun courant n'est présent dans l'électroaimant ou quand le courant circulant dans l'électroaimant s'oppose au mouvement d'ouverture. Pour vaincre l'effort de l'électroaimant, il faut donc souvent un dispositif important qui s'avère encombrant et coûteux, en particulier dans une installation de forte puissance où des efforts mécaniques très importants sont en jeu. On emploie alors par exemple de gros moyens mécaniques, comme des systèmes à ressort, ou une réserve d'énergie électrique emmagasinée par ailleurs et utilisable pour le déclenchement de la serrure. De plus, des dispositifs mécaniques ou électroniques sont également nécessaires pour confirmer l'ordre de déclenchement de la serrure et garantir le maintien de la position déclenchée ouverte.
Le but de l'invention est de proposer un actionneur électromagnétique bistable qui intègre en interne une serrure de déclenchement, évitant ainsi le besoin d'une serrure séparée. Un appareil interrupteur utilisant cet actionneur présenterait alors l'énorme avantage d'être moins lourd, moins encombrant et moins coûteux qu'un appareil classique, pour des performances similaires.
Pour cela, l'invention décrit un actionneur électromagnétique bistable pour appareil électrique interrupteur, comportant une culasse externe fixe en matériau ferromagnétique, un noyau mobile comprenant un fût central selon un axe longitudinal, une bobine d'excitation fixe entourant le fût central et un nombre N d'ensembles magnétiques fixes régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal. Au voisinage de chaque extrémité du fût central, le noyau comporte un nombre N de surfaces polaires magnétiques s'étendant transversalement à l'axe longitudinal au-delà du fût central. Le noyau est mobile en translation selon l'axe longitudinal sous l'action d'un courant électrique circulant dans la bobine pour entraîner des contacts mobiles de l'appareil interrupteur, et le noyau est mobile en rotation mécaniquement, préférentiellement d'une valeur approximative de 1/2N tour autour de l'axe longitudinal, sans entraîner les contacts mobiles.
Selon une caractéristique, les N ensembles magnétiques sont composés d'un nombre N d'aimants fixés à la culasse et d'un nombre N d'éléments concentrateurs de flux en matériau ferromagnétique placés entre les N aimants et les N surfaces polaires correspondantes du noyau mobile. A l'état enclenché, chaque surface polaire magnétique est sensiblement alignée selon l'axe longitudinal avec chaque élément concentrateur correspondant.
Selon une autre caractéristique, l'actionneur comporte en outre des moyens de rappel pour maintenir le noyau mobile en position ouverte à l'état déclenché.
Selon une autre caractéristique, l'actionneur comporte des moyens de réduction des frottements apparaissant durant le mouvement de rotation du noyau mobile, lesdits moyens de réduction de frottements comprenant des pièces en matériau non magnétique qui servent également d'entrefer pour le noyau.
L'invention concerne également un appareil électrique interrupteur comportant plusieurs contacts mobiles coopérant avec des contacts fixes pour commuter une charge électrique, et comportant un tel actionneur électromagnétique.
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 représente une vue en coupe longitudinale BB d'un exemple simplifié d'un actionneur électromagnétique conforme à l'invention, dans une position fermée,
- la figure 2 représente la même vue en coupe de l'exemple de la figure 1 , dans une position ouverte,
- les figures 3 et 4 montrent une vue en coupe transversale AA de l'actionneur de la figure 1 , respectivement dans un état enclenché et un état déclenché,
- la figure 5 reprend la figure 3 en vue transversale de dessus, - la figure 6 détaille un exemple simplifié d'un mécanisme de liaison entre le noyau mobile et des contacts mobiles de l'appareil.
Un actionneur électromagnétique est utilisé dans un appareil électrique interrupteur basse tension ou moyenne tension. Cet actionneur agit sur des contacts mobiles 58 pour chaque pôle de puissance de l'appareil par l'intermédiaire d'un noyau mobile 30. L'actionneur peut prendre une position ouverte stable dans laquelle les contacts mobiles 58 sont séparés de contacts fixes correspondants 59 de l'appareil et une position fermée stable dans laquelle les contacts mobiles 58 sont plaqués contre les contacts fixes 59 correspondants. L'actionneur possède également un état enclenché qui autorise le mouvement entre ces positions ouverte et fermée et un état déclenché qui maintient séparés les contacts mobiles et fixes et qui interdit le mouvement vers la position fermée.
En référence aux figures présentées, l'actionneur est du type comportant une culasse externe 10 et une bobine d'excitation 20 fixes avec un noyau central 30 mobile et un nombre N d'éléments magnétiques fixes. Quand l'actionneur est dans l'état enclenché, le noyau 30 est mobile en translation selon un axe longitudinal X sous l'action d'un courant électrique de commande circulant dans la bobine 20, de façon à prendre la position ouverte ou la position fermée.
La culasse externe 10 est en matériau ferromagnétique (tel que fer doux, acier doux ou autres). Selon le mode de réalisation préféré, elle comporte un corps 11 s'étendant selon un axe longitudinal X et prolongé par un nombre N de rebords supérieurs 13 (voir références 13a,13b,13c,13d sur la figure 5) à une extrémité supérieure du corps 11 et par le même nombre N de rebords inférieurs 14 à l'autre extrémité inférieure du corps 11. Ces rebords 13,14 sont perpendiculaires à l'axe central X, dirigés vers l'axe X, régulièrement répartis autour de l'axe X à chaque extrémité du corps 11 et séparés les uns des autres par des échancrures 17.
Le noyau mobile 30 est en matériau ferromagnétique et comporte un fût central 39 qui s'étend selon l'axe longitudinal X et qui est entouré par la bobine fixe 20. Le fût 39 est par exemple cylindrique. Au voisinage de ses extrémités, il est prolongé par une plaque supérieure 31 et par une plaque inférieure 32 fixées au fût 39. Les plaques 31 , respectivement 32, présentent chacune un nombre N d'avancées ou branches en forme de dents polaires radiales 33, respectivement 34, qui s'étendent perpendiculairement à l'axe X, s'écartant de l'axe X au-delà du fût central 39 et régulièrement réparties autour de l'axe X. Entre les avancées 33,34 des plaques 31 ,32 se trouvent un nombre N d'échancrures 37 dont le pourtour est plus proche de l'axe X que le pourtour des avancées 33,34 adjacentes. La figure 3 montre ainsi une plaque supérieure 31 échancrée présentant quatre avancées 33a,33b,33c,33d séparées par quatre échancrures 37 entre elles. Selon l'invention, les N avancées 33, respectivement 34, des plaques 31, respectivement 32, du noyau mobile 30 forment autant de surfaces polaires magnétiques 33, respectivement 34, mobiles de l'actionneur dont le rôle sera détaillé ci-après.
L'actionneur comporte également un nombre N d'ensembles magnétiques fixes qui sont régulièrement répartis autour de l'axe X. Chaque ensemble magnétique est préférentiellement composé d'un aimant permanent 23 lié à un élément concentrateur 43 de flux magnétique. L'actionneur possède donc un nombre N d'ensembles magnétiques (composés de N aimants 23a,23b,23c,23d et N éléments concentrateurs 43a,43b,43c,43d, voir figure 4), identique au nombre N de surfaces polaires 33,34 existant sur chaque plaque 31 ,32 du noyau 30 et au nombre N de rebords 13,14 à chaque extrémité de la culasse 10.
Les N aimants 23a,23b,23c,23d sont fixés contre la paroi intérieure du corps 11 de la culasse 10. Ils sont par exemple de forme parallélépipédique pour simplifier leur fabrication et peuvent être positionnées et maintenus par divers moyens classiques, tels que des pièces de maintien ou de calage en plastique (non représentés dans les figures) et des aménagements de forme de la paroi intérieure de la culasse 10. Les axes d'aimantation des N aimants 23a,23b,23c,23d se situent dans un plan perpendiculaire à l'axe X et sont indifféremment soit tous dirigés vers l'axe X, soit tous dirigés à l'opposé de l'axe X.
Les N éléments concentrateurs 43a,43b,43c,43d sont réalisés en matériau ferromagnétique et sont fixés contre la paroi intérieure des aimants 23a,23b,23c,23d, entre les aimants et la bobine 20. Dans le mode de réalisation présenté, ils ont une forme parallélépipédique et sont eux aussi maintenus en place par divers moyens classiques de calage. Chaque élément concentrateur 43 doit préférentiellement au moins recouvrir l'ensemble de la paroi intérieure de l'aimant 23 correspondant et posséder une longueur selon l'axe X supérieure de chaque côté à la longueur de l'aimant correspondant, comme présenté dans les figures 1 & 2. Lorsque l'actionneur est à l'état enclenché, les N éléments concentrateurs 43 sont sensiblement alignés suivant l'axe X avec les N surfaces polaires 33,34 correspondantes des plaques 31,32 du noyau 30. De plus, les N éléments concentrateurs 43 sont sensiblement alignés suivant l'axe X avec les N rebords supérieurs 13 et les N rebords inférieurs 14 correspondants de la culasse 10. O
Grâce à ces caractéristiques, ces éléments concentrateurs ont pour fonction de dévier les lignes de flux magnétiques B générés par les aimants 23a,23b,23c,23d dans une direction sensiblement parallèle à l'axe X dans un sens ou dans l'autre, en fonction de la position du noyau mobile 30.
Quand l'actionneur est dans l'état enclenché, le noyau 30 est mobile en translation (flèche T) selon l'axe longitudinal X sous l'action de la bobine 20, entre les positions ouverte et fermée. L'actionneur est conçu pour que ces deux positions soient stables et il faut donc inverser le sens du courant de commande circulant dans la bobine 20 pour passer de l'une à l'autre position. Des moyens de rappel, tel qu'un ressort de rappel 50 placé entre le noyau mobile 30 et un support fixe quelconque de l'appareil (voir figure 6), sont également prévus pour faciliter un mouvement de translation du noyau 30, dans le sens position fermée vers position ouverte.
L'actionneur possède des moyens d'entraînement 51 en translation, qui permettent au noyau mobile 30 d'entraîner un coulisseau mobile 52, mais uniquement durant son mouvement de translation T. Dans le mode de réalisation présenté en figure 6, les moyens d'entraînement 51 comportent une liaison pivot 51 placée entre le noyau mobile 30 et le coulisseau 52. Cette liaison pivot 51 entraîne le coulisseau 52 qui lui- même entraîne un pont mobile 53 portant le ou les contacts mobiles 58 de chaque pôle puissance de l'appareil. Un ressort de pression de contact 55, positionné entre le pont mobile 53 et le coulisseau 52, permet de plaquer les contacts mobiles 58 sur les contacts fixes 59 correspondants du pôle puissance en position fermée.
L'actionneur est conçu pour que, en position fermée (voir figures 1 & 3), les extrémités supérieures des éléments concentrateurs 43a,43b,43c,43d soient en regard des surfaces polaires 33a,33b,33c,33d de la plaque supérieure 31. De même, les surfaces polaires 34 de la plaque inférieure 32 sont en regard des rebords inférieurs 14 de la culasse 10. Un flux magnétique B issus des aimants 23 peut donc circuler dans l'actionneur, en parcourant le chemin suivant : aimants 23, éléments concentrateurs 43, surfaces polaires 33 de la plaque supérieure 31 du noyau 30, fût central 39, surfaces polaires 34 de la plaque inférieure 32, rebords inférieurs 14 de la culasse 10, corps 11 et aimants 23.
Réciproquement, lorsque l'actionneur est en position ouverte (voir figures 2 & 3), les surfaces polaires 33a, 33b, 33c, 33d de la plaque supérieure 31 sont en regard des rebords supérieurs 13a,13b,13c,13d de la culasse 10. De même, les extrémités inférieures des éléments concentrateurs 43a,43b,43c,43d sont en regard des surfaces polaires 34 de la plaque inférieure 32. Le flux magnétique B issu des aimants parcourt alors le chemin suivant : aimants 23, éléments concentrateurs 43, surfaces polaires 34 de la plaque inférieure 32 du noyau 30, fût central 39, surfaces polaires 33 de la plaque supérieure 31, rebords supérieurs 13 de la culasse 10, corps 11 et aimants 23.
La stabilité des deux positions ouverte et fermée est ainsi assurée, même sans la circulation d'un courant bobine. Pour conserver toujours un entrefer résiduel aussi bien dans la position ouverte que dans la position fermée, l'actionneur possède une ou plusieurs pièces 19 en matériau non magnétique, tel que du bronze ou une matière plastique. Ces pièces 19 ont la forme de plaques ou de bagues et sont positionnées par exemple contre la face interne des rebords 13,14 (voir figures 1 & 2), mais pourraient aussi être positionnées sur les extrémités des éléments concentrateurs 43 ou sur les surfaces polaires 33,34.
Selon l'invention, le noyau 30 est également mobile en rotation (flèche R) autour de l'axe longitudinal X sous l'action d'un dispositif de déclenchement mécanique. Ce dispositif de déclenchement, non représenté sur les figures, peut être indifféremment manuel ou motorisé suivant le type d'appareil interrupteur auquel l'actionneur est destiné. Le mouvement de rotation permet à l'actionneur de passer d'un état enclenché (indiqué en figure 3) à un état déclenché (indiqué en figure 4). L'amplitude du mouvement de rotation entre l'état enclenché à l'état déclenché est préférentiellement de 1/2N tour environ autour de l'axe X. Des butées mécaniques classiques permettent de limiter la course en rotation du noyau 30 à la valeur souhaitée. La liaison pivot 51 est conçue pour que le mouvement de rotation du noyau 30 ne modifie pas la position du coulisseau 52 et donc n'entraîne pas les contacts mobiles 58.
Les surfaces magnétiques polaires 33,34, formées par les avancées des plaques 31 ,32, présentent à l'état enclenché des surfaces de contact magnétique S importantes positionnées soit en regard des rebords 13 ou 14 de la culasse 10, soit en regard de l'une ou l'autre des extrémités des éléments concentrateurs 43, permettant le passage du flux magnétique. Ainsi, le flux magnétique B généré par les aimants peut circuler avec des entrefers minimums et créer un effort magnétique de maintien F qui est proportionnel aux surfaces de contact S et au carré du flux B. Lorsqu'un dispositif de déclenchement va provoquer une rotation du noyau mobile 30, les surfaces polaires 33,34 ne vont plus être alignées avec les éléments concentrateurs 43 ni avec les rebords 13,14, de sorte que les surfaces de contact S vont diminuer rapidement. L'effort magnétique de maintien F appliqué au noyau 30 va donc également diminuer rapidement. Au bout d'une rotation d'environ 1/2N tour (voir figure 4), l'actionneur est à l'état déclenché. Les surfaces polaires 33a,33b,33c,33d,34 se trouvent désormais sensiblement en regard des échancrures 17 de la culasse 10 et donc entièrement décalées par rapport aux N éléments concentrateurs 43a,43b,43c,43d, aux N rebords 13a,13b,13c,13d et aux N rebords 14, créant ainsi des entrefers très importants. De même, les rebords 13,14 et les éléments concentrateurs 43 sont sensiblement alignés avec les échancrures 37 du noyau 30. Les surfaces de contact magnétique S correspondantes sont donc supprimées et l'effort magnétique de maintien F appliqué au noyau 30 est aussi pratiquement nul. On pourrait aussi envisager que, suivant les dimensions choisies pour les surfaces polaires, les rebords et les éléments concentrateurs, une rotation inférieure à 1/2N tour soit suffisante pour réduire suffisamment les surfaces de contact S, de façon à rendre négligeable l'effort de maintien F et obtenir ainsi l'état déclenché.
L'effort de rappel, généré par le ressort de rappel 50, est calculé pour être inférieur à l'effort de maintien F lorsque l'actionneur est dans un état enclenché, ce qui donne des positions ouverte et fermée stables même en l'absence de courant dans la bobine 20. Par contre, à l'état déclenché, l'effort de maintien F a pratiquement disparu et le seul effort appliqué en translation au noyau mobile 30 reste l'effort de rappel exercé par le ressort de rappel 50 (augmenté auxiliairement des ressorts de pression de contacts 55), de sorte que le noyau mobile 30 est automatiquement entraîné en translation vers la position ouverte entraînant l'ouverture des contacts mobiles 58. La taille du ressort 50 n'a donc pas besoin d'être très importante pour assurer cette fonction, ce qui contribue à la compacité de l'appareil, car il n'a qu'un effort résiduel à combattre à l'état déclenché.
Si un éventuel courant électrique circule dans la bobine 20, il ne pourra pas provoquer un effort moteur susceptible d'entraîner une translation du noyau 30 tant que l'état déclenché sera maintenu. En effet, les entrefers formés par le décalage des surfaces polaires 33a,33b,33c,33d,34 sont trop importants pour faire circuler un flux magnétique significatif dans le noyau 30, supprimant ainsi la contribution des aimants 23. L'état déclenché garantit donc le maintien de la position ouverte et donc la séparation des contacts comme le ferait une serrure séparée qui agirait sur les contacts mobiles de façon autonome.
L'actionneur est préférentiellement muni des moyens de réduction des frottements qui apparaissent durant le mouvement de rotation du noyau 30. Avantageusement, ces moyens de réduction de frottement peuvent être composés notamment par les bagues ou les plaques 19 décrites précédemment pour maintenir des entrefers résiduels dans les positions ouverte et fermée. Ces pièces 19 sont donc choisies dans un matériau amagnétique qui permettent en plus de diminuer les forces de frottement du noyau mobile 30 durant ses mouvements de rotation, tel que du bronze ou du téflon. Les pièces 19 peuvent aussi comporter seulement un tel revêtement anti-friction D'autres moyens supplémentaires peuvent être employés pour réduire les frictions du noyau mobile (rainures dans le châssis de la bobine,...).
Le nombre N est au minimum égal à deux pour obtenir notamment une bonne répartition des efforts dans le noyau mobile 30. Celui-ci effectue alors une rotation d'environ 1/4 de tour autour de l'axe X entre l'état enclenché et l'état déclenché. Dans ce cas, la culasse externe 10 peut être réalisé en deux parties distinctes identiques et symétriques par rapport à X, chaque partie ayant une forme approximative de C et comprenant un rebord supérieur 13, un corps 11 et un rebord inférieur 14, comme suggéré en figure 1. L'actionneur présente alors une forme globale sensiblement parallélépipédique qui est avantageusement très compacte et simple à réaliser.
Dans le mode de réalisation présenté des figures 3 à 5, le nombre N est égal à quatre et le mouvement du noyau mobile en rotation est d'environ 1/8 de tour. Dans ce cas, la course du mouvement de rotation nécessaire pour atteindre l'état déclenché est avantageusement très courte. Le corps 11 de la culasse 10 est alors préférentiellement cylindrique comme indiqué dans les figures. Cependant, selon une autre variante, le corps de la culasse peut aussi avoir une structure polygonale comportant N facettes selon un plan de coupe transversal.
Un nombre N impair est également possible, comme par exemple N égal à trois. Dans cette variante, toutes les différentes parties de l'actionneur au nombre de trois sont alors espacées d'environ 120° entre elles autour de l'axe X.
En conséquence, l'actionneur électromagnétique décrit dans l'invention remplit simultanément les fonctions de fermeture et d'ouverture des contacts de pôles puissance grâce à son mouvement de translation entre deux positions stables et les fonctions de déclenchement et d'enclenchement d'une serrure grâce à son mouvement de rotation. Il est suffisamment robuste pour être utilisable dans des appareils basse tension ou moyenne tension. Un appareil électrique interrupteur comportant un tel actionneur aura alors la particularité d'être plus compact, plus léger, plus simple à fabriquer (moins de pièces à assembler) et donc plus économique qu'un appareil classique disposant d'une serrure séparée. Un tel appareil ne nécessitera pas non plus d'avoir une réserve d'énergie permanente (avec par exemple des capacités), susceptible de séparer les contacts mobiles de façon sûre même en cas d'impossibilité de fournir un courant de commande dans la bobine.
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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur électromagnétique bistable pour appareil électrique interrupteur, comportant une culasse externe (10) fixe, un noyau mobile (30) comprenant un fût central (39) s'étendant le long d'un axe longitudinal (X), une bobine d'excitation fixe (20) entourant le fût central (39), caractérisé en ce que : l'actionneur comporte un nombre N d'ensembles magnétiques (23,43) fixes régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal (X)
- au voisinage de chaque extrémité du fût central (39), le noyau (30) comprend un nombre N de surfaces polaires magnétiques (33,34) s'étendant transversalement à l'axe longitudinal (X) au-delà du fût central (39),
- le noyau (30) est mobile en translation (T) selon l'axe longitudinal (X) entre une position ouverte et une position fermée sous l'action d'un courant électrique circulant dans la bobine (20), pour entraîner des contacts mobiles (58) de l'appareil interrupteur,
- le noyau (30) est mobile en rotation (R) autour de l'axe longitudinal (X) entre un état enclenché et un état déclenché, sans entraîner les contacts mobiles (58).
2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le noyau (30) est mobile en rotation (R) d'une valeur sensiblement égale à 1/2N tour autour de l'axe longitudinal (X).
3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les N ensembles magnétiques sont composés d'un nombre N d'aimants (23) fixés à la culasse (10) et d'un nombre N d'éléments concentrateurs de flux (43) en matériau ferromagnétique placés entre les N aimants (23) et les N surfaces polaires (33,34) correspondantes du noyau mobile (30).
4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la culasse externe (10) comporte un nombre N de rebords supérieurs (13) et un nombre N de rebords inférieurs (14), chaque rebord supérieur (13) et inférieur (14) étant sensiblement aligné selon l'axe longitudinal (X) avec un élément concentrateur (43) correspondant du noyau mobile (30).
5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que, à l'état enclenché, chaque surface polaire magnétique (33,34) du noyau mobile (30) est sensiblement alignée selon l'axe longitudinal (X) avec chaque élément concentrateur (43) correspondant.
6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le noyau mobile (30) comporte deux plaques (31 ,32) fixées aux extrémités du fût central (39) et présentant chacune un nombre N d'avancées (33,34) pour former les surfaces magnétiques polaires du noyau (30) et un nombre N d'échancrures (37) entre chaque surface polaire (33,34).
7. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur comporte en outre des moyens de rappel (50) selon le mouvement de translation, pour maintenir le noyau mobile (30) en position ouverte à l'état déclenché.
8. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur comporte des moyens d'entraînement (51) permettant au noyau mobile (30) d'entraîner en translation un coulisseau (52) coopérant avec les contacts mobiles (58).
9. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur comporte des moyens de réduction des frottements (19) apparaissant durant le mouvement de rotation du noyau mobile (30), lesdits moyens de réduction de frottements comprenant des pièces (19) en matériau non magnétique qui servent également d'entrefer pour le noyau (30).
10. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur comporte un nombre N d'ensembles magnétiques (23,43) égal à deux.
11. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur comporte un nombre N d'ensembles magnétiques (23,43) égal à quatre.
12. Actionneur électromagnétique selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la culasse externe (10) et le fût central (39) du noyau (30) sont de forme sensiblement cylindrique.
13. Appareil électrique interrupteur comportant plusieurs contacts mobiles (58) coopérant avec des contacts fixes (59) pour commuter une charge électrique, caractérisé en ce que l'appareil comporte un actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes.
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