EP1085532B1 - Actionneur électromagnétique muni de deux ressorts de rappel - Google Patents

Actionneur électromagnétique muni de deux ressorts de rappel Download PDF

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EP1085532B1
EP1085532B1 EP00410104A EP00410104A EP1085532B1 EP 1085532 B1 EP1085532 B1 EP 1085532B1 EP 00410104 A EP00410104 A EP 00410104A EP 00410104 A EP00410104 A EP 00410104A EP 1085532 B1 EP1085532 B1 EP 1085532B1
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EP
European Patent Office
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spring
stop
movable assembly
rest position
active position
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00410104A
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German (de)
English (en)
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EP1085532A1 (fr
Inventor
Pierre Baginski
Daniel Rota
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1085532A1 publication Critical patent/EP1085532A1/fr
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Publication of EP1085532B1 publication Critical patent/EP1085532B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
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    • H01F7/124—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by mechanical latch, e.g. detent
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    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
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    • H01H71/2454—Electromagnetic mechanisms characterised by the magnetic circuit or active magnetic elements
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    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/2463—Electromagnetic mechanisms with plunger type armatures

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuator, in particular for a trigger of an electrical switchgear.
  • FIG. 7 represents an actuator known from the state of the art.
  • This actuator 110 comprises a fixed magnetic circuit 112 of ferromagnetic material formed by a carcass, closed at one of its ends on a fixed core 122.
  • a mobile assembly 114 is able to slide parallel to a fixed geometric axis and comprises a movable core 116 and a rod 118 associated with the movable core and axially through an opening of the fixed core 122.
  • a compression coil spring 140 recalls the movable assembly 114 to a rest position.
  • a winding with two fixed windings 130, 132 is mounted inside the carcass and surrounds the movable core 116. This winding is able to generate in the magnetic circuit a magnetic control flux so as to drive the moving element towards the fixed core, against the action of the spring 140 to an active position.
  • Such a device is conventionally used in current release trip units (MX) as well as as closing electromagnet (XF) of a circuit breaker.
  • MX current release trip units
  • XF closing electromagnet
  • a inrush current flowing in the two coils 130, 132 causes the displacement of the movable core 116 and, consequently, of the rod 118 which then protrudes outwards, allowing either the opening of the associated circuit breaker in the case of a current release trigger (MX), or its closure in the case of a closing electromagnet (XF). It is thus the electromagnetic energy provided by the coils 130, 132 during the call phase that causes the circuit breaker to operate.
  • the rod 118 must be able to perform the mechanical work necessary for the displacement of the latch with which it is associated, this work corresponding to the energy supplied by the winding 130, 132 in the calling phase.
  • the call phase is followed by a holding phase during which only one of the two coils 130, 132 is energized.
  • a minimum axial gap is maintained by the interposition of a spacer 141 between the movable core and the fixed core.
  • the voltage is below a dropout threshold, the current flow in the winding is interrupted and the movable core 116 is spaced from the fixed core under the action of the spring 140.
  • the passage in this position having no action on the circuit breaker, the power of the spring is relatively indifferent in this phase.
  • the spacer 141 makes it possible to avoid that when the supply of the coil ceases, the movable core 116 remains "glued" to the fixed core 122 by the effect of remanence of the magnetic circuit.
  • the sizing of the various elements, in particular the spring and the minimum gap in the active position is difficult.
  • the potential energy of the contracted spring which alone ensures the return to the rest position, must be large enough to overcome the remanent magnetic energy.
  • the presence of the air gap makes it possible to limit the bonding effect but it induces a risk of inadvertent takeoff, that is to say of involuntary return towards the rest position, in particular in response to a mechanical shock on the rod or of a significant vibration of the moving equipment. If one chooses to decrease the air gap, it is then necessary to increase consequently the potential energy of the return spring, so that one also increases the energy of call necessary to bring the mobile equipment in active position .
  • the effect of the spring with less stiffness is preponderant, so that the mobile equipment is subjected to a significant acceleration.
  • the kinetic energy accumulated by the moving equipment is important.
  • the axial air gap is reduced, so that during the second phase of the activation, the contraction of the second spring is possible.
  • the zero air gap between the mobile core and the fixed core contributes to a reduction in the power supply of the winding necessary to maintain the actuator in the active position. It ensures a better resistance to shocks and mechanical vibrations.
  • the increase in the magnetic remanence effect resulting from the absence of an air gap is compensated by the second spring.
  • the first spring is disposed between the fixed core and the movable stop
  • the second spring is disposed between the movable stop and the moving assembly, so that in the first part of the race, both springs cooperate in series, and that in the second part of the race, only the second spring continues to work.
  • k 1 is the stiffness of the first spring and k 2 that of the second spring
  • the stiffness of the system in the first phase is k 1 k 2 / (k 1 + k 2 ), which value will be all the closer to k 1 that k 2 will be large in front of k 1 .
  • the stiffness of the system is worth k 2 .
  • This series assembly is particularly interesting when it is sought to reduce in priority the radial dimensions of the actuator and the diameter of the coil.
  • the first spring is disposed between the fixed core and the moving element while the second spring is disposed between the fixed core and the second stop, so that in the first part of the race, the first spring is alone to work and that in the second part of the race, the two springs cooperate in parallel.
  • the stiffness in the first phase is then k 1
  • the stiffness in the second phase is k 1 + k 2 , a value all the closer to k 2 that k 2 will be large before k 1 .
  • the ratio k 1 / k 2 is less than 1/10, for example of the order of 1/20. It is clear that the displacement / force characteristic that two springs obtain is more sliced than could be offered by a single spring of variable stiffness, which makes it possible to respond optimally to the non-linearity and the remanence of the magnetic circuit. , by implementing only standard parts of reduced cost.
  • a high-sensitivity electromagnetic actuator 10 for an electric circuit-breaker comprises a non-polarized fixed magnetic circuit 12, cooperating with a mobile element 14 formed by a sliding mobile core 16 associated with an actuating member 18 made of material nonmagnetic.
  • the magnetic circuit is formed by a frame-shaped ferromagnetic frame 20, enclosing on one side a fixed core 22 of ferromagnetic material, and on the opposite side on a tubular sleeve 24 of ferromagnetic material extending axially. inwardly of the carcass 20 and surrounding a portion of the movable core 16 with the interposition of a uniform radial gap.
  • the fixed core 22 has an axial through bore widening towards the inside of the carcass by a first recess 25 and a second recess 26.
  • Two control coils 30, 32 are mounted coaxially end to end in a cylindrical sleeve 34 of insulating material, inside the carcass 20.
  • the actuating member 18 consists of a holding rod 36 and a push rod 38 arranged axially in the extension of one another and separated by a collar 39.
  • the tubular sheath 24 and the bore of the fixed core 22 determine a geometric axis for guiding the moving element.
  • the movable core 16 slides axially inside the sheath 24 between a rest position and an active position.
  • the movable core is provided with an axial through bore, for housing the holding rod 36 of the actuating member 18.
  • the bore of the movable core forms, on the side facing the fixed core 22, a bearing surface serving seat at the collar 39 of the actuating member 18.
  • the push rod 38 extends outside the carcass through the fixed core 22.
  • the bore of the fixed core 22 forms an axial guide for the push rod 38.
  • the push rod 38 is intended to cooperate, directly or by via a firing pin fitted at its end, with a latch (not shown) of a mechanism of a circuit breaker.
  • the first recess 25 of the fixed core 22 forms a seat on which rests one end of a first compression return spring 40 and a housing for the spring 40.
  • the other end of the spring 40 is supported on a washer 42 free of move axially on the push rod 38.
  • the second recess 26 of the fixed core 22 forms a bearing for the washer 42 between the intermediate position of Figure 2 and the active position of Figure 3.
  • a second compression spring 44 carries by a end on the collar 39 of the actuating member and the other end on the washer 42.
  • the first spring 40 has a stiffness whose value k 1 is much lower than the stiffness k 2 of the second spring 44.
  • the ratio k 1 / k 2 is less than 1/10, for example of the order of 1 / 20.
  • the two control coils 30, 32 are part of an excitation circuit 48 of known type visible in FIG. 4, and described for example in the document FR-A-2 290 009 , with a rectifier bridge with four elements 50, Graetz type, allowing indifferently a DC or AC power supply.
  • a first of the two coils, called the call coil 30, in thick wire, is placed in the so-called diagonal DC of the bridge.
  • the other diagonal is coupled to the DC or AC power source via an isolation contact 52.
  • the other coil, called the hold coil 32, in fine wire is connected in parallel on the branch of the circuit consisting of the bridge 50 and the isolation contact 52.
  • a general contact 54 conditions the supply of the circuit.
  • the isolation contact 52 closed at the commissioning of the actuator and open when the moving equipment has arrived in the vicinity of its active position, conditions the power supply of the bridge. It can be of any known type, mechanical or electronic switching, the main thing is that, from the commissioning of the circuit, it closes during the call period and opens at the moment when the race of the mobile core is substantially completed. We will refer to the document FR-A-2 290 009 for a more precise description of an isolation contact.
  • FIG. 5 schematizes as a function of the stroke of the moving element on the abscissa, the electromagnetic force exerted on the movable core (curve 60), the opposing force of the latch of the circuit breaker on the striker rod (curve 62) and the resistant action of the springs (curve 64), in the ordinate.
  • the closure of the main contact 54 and the isolation contact 52 causes the two coils 30, 32 to be energized.
  • the magnetic flux generates forces that propel the mobile core 16 to the right in FIGS. 1 to 3. These electromagnetic forces are transmitted integrally to the actuating member 18 and then to the washer 42 via the second spring 44, then to the fixed core 22 via the first spring 40.
  • the two springs 40, 44 are subjected to the same forces - If we neglect the very small mass of the washer 42 - but the deformation of the first spring 40 is preponderant compared to that of the second spring 44, due to the difference in stiffness.
  • the equivalent stiffness of the assembly constituted by the two springs in this phase is indeed k 1 k 2 / (k 1 + k 2 ), a value which will be all the closer to k 1 as k 2 will be large in front of k 1 .
  • the following 2 to 3 mm of travel to the abscissa B are the useful stroke during which the end of the push rod hits a bolt lock.
  • a circuit breaker mechanism and causes it to pivot.
  • This lock can be an opening lock, if the actuator is integrated with a current release trigger (MX), or a closing lock, if the actuator is integrated in a closing command (XF).
  • MX current release trigger
  • XF closing command
  • it is therefore the electromagnetic energy supplied by the excitation circuit, and possibly partly the kinetic energy accumulated during the previous dead stroke and transmitted during the percussion, which cause the change of state. lock.
  • the counteracting action of the spring system 40, 44 is very low, because of its low equivalent stiffness.
  • the first spring is housed entirely in the first recess 25 of the fixed core 22 and the washer 42 abuts contact with the bearing formed by the second recess 26.
  • the behavior of the device changes.
  • the further movement of the moving element 14 towards its active position, at the abscissa E corresponding to the position shown in FIG. 3, causes additional deformation of the only second spring 44, and the equivalent stiffness of the system is equal to the stiffness k 2 of the second spring 44, hence the change in slope of the curve 64.
  • the axial air gap between the movable core 16 and the fixed core 22 is reduced to zero in FIG.
  • the isolation contact 52 opens at the abscissa D, so that only the holding coil 32 remains energized, generating a magnetic flux sufficient to hold the moving element 14 in position. active, against the cumulative force of the first spring 40 and the second spring 44 which is housed in the second recess 26.
  • the potential energy of the second spring 44 is sufficient to cause the detachment of the movable core 16 despite the remanent field in the magnetic circuit 12.
  • the first spring 40 while relaxing, provides residual mechanical work necessary for the return of the mobile assembly 14 to its rest position.
  • the excitation circuit can take any known form allowing the application of a high power sufficient to drive the moving equipment from its rest position to its active position during a call phase, then a lower power, sufficient for keeping the moving element in the active position during a holding phase.
  • the end of the call phase can be slaved to the displacement of the moving equipment, as described for example in the first embodiment, or not, as described for example in the document FR-A-2 133 652 .
  • the windings can be connected in series rather than in parallel, as described in the document FR-A-2 290 010 .
  • the excitation difference between the two phases can also be obtained with a single coil, which can be controlled by the network during the call phase and then in chopped form by a pulse generator in the holding phase.
  • the two springs can be arranged in various ways to obtain the desired differentiation between the first part of the race, during which the set of two springs behaves as a spring whose characteristic is approximately or exactly equal to that of the spring of lower stiffness, and the second part of the race, during which the set of two springs behaves as a spring whose characteristic is approximately or exactly equal to that of the spring of greater stiffness.
  • FIG. 6 schematically represents an alternative embodiment, in the rest position, in the intermediate position and in the active position.
  • the lower stiffness spring 40 is alone to work during the first part of the race while in the second part of the race the two springs 40, 44 work in parallel, with an equivalent stiffness k 1 + k 2 , which is as much closer to k 2 as this last value is large in front of k 1 .
  • the washer 42 serves as a movable stop and cooperates with a stop constituted by a recess of the movable core 16.

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Description

  • L'invention est relative à un actionneur électromagnétique, notamment pour un déclencheur d'un appareillage électrique de coupure.
  • La figure 7 représente un actionneur connu de l'état de la technique. Cet actionneur 110 comporte un circuit magnétique fixe 112 en matériau ferromagnétique formé par une carcasse, refermée à une de ses extrémités sur un noyau fixe 122. Un équipage mobile 114 est apte à coulisser parallèlement à un axe géométrique fixe et comprend un noyau mobile 116 et une tige 118 associée au noyau mobile et traversant axialement une ouverture du noyau fixe 122. Un ressort hélicoïdal 140 de compression rappelle l'équipage mobile 114 vers une position de repos.
  • Un bobinage à deux enroulements fixes 130, 132 est monté à l'intérieur de la carcasse et entoure le noyau mobile 116. Ce bobinage est apte à engendrer dans le circuit magnétique un flux magnétique de commande de manière à entraîner l'équipage mobile vers le noyau fixe, contre l'action du ressort 140 jusqu'à une position active.
  • Un tel dispositif est classiquement utilisé dans les déclencheurs à émission de courant (MX) ainsi que comme électro-aimant de fermeture (XF) d'un disjoncteur. En cas d'actionnement de l'électro-aimant, un courant d'appel circulant dans les deux bobines 130, 132 provoque le déplacement du noyau mobile 116 et, en conséquence, de la tige 118 qui fait alors saillie vers l'extérieur, permettant ainsi soit l'ouverture du disjoncteur associé dans le cas d'un déclencheur à émission de courant (MX), soit sa fermeture dans le cas d'un électro-aimant de fermeture (XF). C'est donc l'énergie électromagnétique fournie par les bobines 130, 132 pendant la phase d'appel qui provoque l'actionnement du disjoncteur. En d'autres termes, la tige 118 doit être en mesure d'effectuer le travail mécanique nécessaire au déplacement du verrou auquel elle est associée, ce travail correspondant à l'énergie fournie par le bobinage 130, 132 dans la phase d'appel. La phase d'appel est suivie d'une phase de maintien, pendant laquelle seule l'une des deux bobines 130, 132 est alimentée. Un entrefer axial minimal est maintenu par l'interposition d'une entretoise 141 entre le noyau mobile et le noyau fixe. Lorsque la tension est inférieure à un seuil de retombée, le passage du courant dans le bobinage est interrompu et le noyau mobile 116 est écarté du noyau fixe sous l'action du ressort 140. Le passage dans cette position n'ayant pas d'action sur le disjoncteur, la puissance du ressort est relativement indifférente dans cette phase. L'entretoise 141 permet d'éviter que lorsque l'alimentation de la bobine cesse, le noyau mobile 116 reste "collé" au noyau fixe 122 par l'effet de rémanence du circuit magnétique.
  • Dans un tel dispositif, le dimensionnement des différents éléments, notamment du ressort et de l'entrefer minimal en position active, est difficile. L'énergie potentielle du ressort contracté, qui assure seul le retour en position de repos, doit être assez importante pour vaincre l'énergie magnétique rémanente. La présence de l'entrefer permet de limiter l'effet de collage mais il induit un risque de décollage intempestif, c'est-à-dire de retour involontaire vers la position de repos, notamment en réponse à un choc mécanique sur la tige ou d'une vibration importante de l'équipage mobile. Si l'on choisit de diminuer l'entrefer, il faut alors augmenter en conséquence l'énergie potentielle du ressort de rappel, de sorte que l'on augmente également l'énergie d'appel nécessaire pour amener l'équipage mobile en position active.
  • L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre la réalisation d'un actionneur électromagnétique à haute sensibilité, de volume réduit et à faible énergie d'appel et de maintien, qui de plus soit peu sensible aux chocs et vibrations mécaniques. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un actionneur électromagnétique comportant :
    • un circuit magnétique fixe en matériau ferromagnétique comprenant :
      • une carcasse et
      • un noyau fixe situé à une extrémité de la carcasse et relié à celle-ci,
    • un équipage mobile apte à coulisser le long d'un axe géométrique fixe entre une position de repos et une position active et destiné à effectuer un travail mécanique en passant de sa position de repos à sa position active, l'équipage mobile comportant :
      • un noyau mobile dont l'entrefer axial avec le noyau fixe se réduit lorsque l'équipage mobile passe de sa position de repos à sa position active, l'entrefer axial entre le noyau mobile et le noyau fixe étant nul en position active,
      • un organe d'actionnement associé au noyau mobile,
    • un premier ressort de rappel sollicitant l'équipage mobile vers sa position de repos,
    • un circuit d'excitation comportant au moins une bobine fixe de commande apte à engendrer dans le circuit magnétique un flux magnétique de commande qui s'oppose à l'action du premier ressort, le circuit d'excitation étant apte à passer d'un mode d'appel dans lequel il délivre une puissance élevée suffisante pour entraîner l'équipage mobile de sa position de repos à sa position active, à un mode de maintien dans lequel il délivre une puissance moindre, suffisante pour le maintien de l'équipage mobile en position active,
    • un deuxième ressort de raideur plus élevée que celle du premier ressort, apte à rappeler élastiquement l'équipage mobile vers sa position de repos,
    • une première butée,
    • une deuxième butée, mobile et apte à coopérer au moins avec le deuxième ressort et avec la première butée de telle manière que dans une première partie de la course axiale de l'équipage mobile de sa position de repos à sa position active, la deuxième butée ne soit pas en contact avec la première butée et l'action du premier ressort soit prépondérante, et que dans la course restante jusqu'à la position active, la deuxième butée soit immobilisée par rapport à la première butée et l'action du deuxième ressort soit prépondérante.
  • Durant la première phase de l'activation, l'effet du ressort à moindre raideur est prépondérant, de sorte que l'équipage mobile est soumis à une accélération importante. A la fin de la première phase, l'énergie cinétique accumulée par l'équipage mobile est importante. De plus l'entrefer axial est réduit, de sorte que durant la deuxième phase de l'activation, la contraction du deuxième ressort est possible. L'entrefer nul entre le noyau mobile contre le noyau fixe contribue à une diminution de l'énergie d'alimentation du bobinage nécessaire au maintien de l'actionneur en position active. Il permet d'assurer une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations mécaniques. Au moment du retour en position de repos, l'augmentation de l'effet de rémanence magnétique qui résulte de l'absence d'entrefer est compensée par le deuxième ressort.
  • Selon un mode de réalisation préféré, le premier ressort est disposé entre le noyau fixe et la butée mobile, et le deuxième ressort est disposé entre la butée mobile et l'équipage mobile, de sorte que dans la première partie de la course, les deux ressorts coopèrent en série, et que dans la deuxième partie de la course, seul le deuxième ressort continue à travailler. Si k1 est la raideur du premier ressort et k2 celle du deuxième ressort, la raideur du système dans la première phase est k1k2/(k1+k2), valeur qui sera d'autant plus proche de k1 que k2 sera grand devant k1. Durant la deuxième phase, la raideur du système vaut k2. Ce montage série est particulièrement intéressant lorsque l'on cherche à réduire en priorité les dimensions radiales de l'actionneur et le diamètre de la bobine.
  • Selon un autre mode de réalisation, le premier ressort est disposé entre le noyau fixe et l'équipage mobile alors que le deuxième ressort est disposé entre le noyau fixe et la deuxième butée, de sorte que dans la première partie de la course, le premier ressort est seul à travailler et que dans la deuxième partie de la course, les deux ressorts coopèrent en parallèle. La raideur dans la première phase vaut alors k1, et la raideur dans la deuxième phase vaut k1 + k2, valeur d'autant plus proche de k2 que k2 sera grand devant k1. Cette disposition, qui nécessite en pratique un encombrement radial plus important, donc des bobines plus massives pour un nombre de tours donné, permet toutefois de réduire les dimensions axiales de l'actionneur, ce qui peut être avantageux dans certains cas.
  • De préférence, le rapport k1 / k2 est inférieur à 1/10, par exemple de l'ordre de 1/20. Il est clair que la caractéristique déplacement / force que permettent d'obtenir deux ressorts est plus tranchée que ce que pourrait offrir un ressort unique de raideur variable, ce qui permet de répondre de manière optimale à la non linéarité et à la rémanence du circuit magnétique, en ne mettant en oeuvre que des pièces standard de coût réduit.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés dans lesquels:
    • la figure 1 représente une vue en coupe d'un actionneur selon un premier mode de réalisation de l'invention, en position de repos ;
    • la figure 2 représente l'actionneur selon le premier mode de réalisation de l'invention, en position intermédiaire ;
    • la figure 3 représente l'actionneur selon le premier mode de réalisation de l'invention, en position active ;
    • la figure 4 représente un schéma électrique d'un circuit d'excitation de l'actionneur selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 5 représente les courbes caractéristiques des forces en jeu lors de l'activation de l'actionneur, en fonctions de la course effectuée ;
    • la figure 6 représente un schéma simplifié d'un deuxième mode de réalisation de l'invention en position de repos, en position intermédiaire et en position active ;
    • la figure 7, déjà commentée, représente un actionneur de l'état de la technique.
  • En référence aux figures 1 à 3, un actionneur électromagnétique 10 à haute sensibilité pour disjoncteur électrique comporte un circuit magnétique 12 fixe non polarisé, coopérant avec un équipage mobile 14 formé par un noyau mobile 16 coulissant associé à un organe d'actionnement 18 en matériau amagnétique.
  • Le circuit magnétique est formé par une carcasse ferromagnétique 20 en forme de cadre, se renfermant d'un côté sur un noyau fixe 22 en matériau ferromagnétique, et du côté opposé sur un fourreau tubulaire 24 en matériau ferromagnétique s'étendant axialement vers l'intérieur de la carcasse 20 et entourant une partie du noyau mobile 16 avec interposition d'un entrefer radial uniforme. Le noyau fixe 22 comporte un alésage traversant axial s'élargissant vers l'intérieur de la carcasse par un premier chambrage 25 et un deuxième chambrage 26.
  • Deux bobines de commande 30, 32 sont montées coaxialement bout à bout dans un fourreau cylindrique 34 en matériau isolant, à l'intérieur de la carcasse 20.
  • L'organe d'actionnement 18 est constitué d'une tige de maintien 36 et d'une tige poussoir 38 disposées axialement dans le prolongement l'une de l'autre et séparées par un collet 39.
  • Le fourreau tubulaire 24 et l'alésage du noyau fixe 22 déterminent un axe géométrique de guidage de l'équipage mobile. Le noyau mobile 16 coulisse axialement à l'intérieur du fourreau 24 entre une position de repos et une position active. Le noyau mobile est pourvu d'un alésage traversant axial, pour le logement de la tige de maintien 36 de l'organe d'actionnement 18. L'alésage du noyau mobile fait, du côté faisant face au noyau fixe 22, une portée servant de siège au collet 39 de l'organe d'actionnement 18.
  • La tige poussoir 38 s'étend à l'extérieur de la carcasse au travers du noyau fixe 22. L'alésage du noyau fixe 22 forme un guidage axial pour la tige poussoir 38. La tige poussoir 38 est destinée à coopérer, directement ou par l'intermédiaire d'un percuteur emmanché à son extrémité, avec un verrou (non représenté) d'un mécanisme d'un disjoncteur.
  • Le premier chambrage 25 du noyau fixe 22 forme un siège sur lequel prend appui une extrémité d'un premier ressort de rappel de compression 40 et un logement pour le ressort 40. L'autre extrémité du ressort 40 prend appui sur une rondelle 42 libre de se mouvoir axialement sur la tige poussoir 38. Le deuxième chambrage 26 du noyau fixe 22 forme une portée pour la rondelle 42 entre la position intermédiaire de la figure 2 et la position active de la figure 3. Un deuxième ressort 44 de compression porte par une extrémité sur le collet 39 de l'organe d'actionnement et par l'autre extrémité sur la rondelle 42.
  • Le premier ressort 40 a une raideur dont la valeur k1 est très inférieure à la raideur k2 du deuxième ressort 44. En pratique, le rapport k1/k2 est inférieur à 1/10, par exemple de l'ordre de 1/20.
  • Les deux bobines 30, 32 de commande font partie d'un circuit d'excitation 48 de type connu visible sur la figure 4, et décrit par exemple dans le document FR-A-2 290 009 , avec un pont redresseur à quatre éléments 50, du type de Graetz, permettant indifféremment une alimentation en courant continu ou alternatif. Une première des deux bobines, dite bobine d'appel 30, en gros fil, est placé dans la diagonale dite de courant continu du pont. L'autre diagonale est couplée à la source d'alimentation en courant continu ou alternatif par l'intermédiaire d'un contact d'isolement 52. L'autre bobine, dite bobine de maintien 32, en fil fin, est connectée en parallèle sur la branche du circuit constituée du pont 50 et du contact d'isolement 52. Un contact général 54 conditionne l'alimentation du circuit. Le contact d'isolement 52, fermé à la mise en service de l'actionneur et ouvert lorsque l'équipage mobile est arrivé au voisinage de sa position active, conditionne l'alimentation du pont. Il peut être de tout type connu, à commutation mécanique ou électronique, l'essentiel étant que, dès la mise en service du circuit, il se ferme pendant la période d'appel et s'ouvre au moment où la course du noyau mobile est sensiblement terminée. On se reportera au document FR-A-2 290 009 pour une description plus précise d'un contact d'isolement.
  • Le fonctionnement de l'actionneur sera décrit par référence à la figure 5, qui schématise en fonction de la course de l'équipage mobile figurant en abscisse, la force électromagnétique exercée sur le noyau mobile (courbe 60), l'effort antagoniste du verrou du disjoncteur sur la tige percuteur (courbe 62) et l'action résistante des ressorts (courbe 64), en ordonnée.
  • Au repos, le contact principal 54 est ouvert, les bobines 30, 32 ne sont pas alimentées, de sorte que l'équipage mobile 14 est rappelé vers sa position de repos représentée sur la figure 1, par l'action combinée des deux ressorts 40, 44 en série.
  • La fermeture du contact principal 54 et du contact d'isolement 52 entraîne l'alimentation des deux bobines 30, 32. Le flux magnétique engendre des forces qui propulsent le noyau mobile 16 vers la droite sur les figures 1 à 3. Ces forces électromagnétiques sont transmises intégralement à l'organe d'actionnement 18 puis à la rondelle 42 par l'intermédiaire du deuxième ressort 44, puis au noyau fixe 22 par l'intermédiaire du premier ressort 40. Les deux ressorts 40, 44, sont soumis aux mêmes forces - si l'on néglige la masse très faible de la rondelle 42 - mais la déformation du premier ressort 40 est prépondérante par rapport à celle du deuxième ressort 44, du fait de la différence de raideur. La raideur équivalente de l'ensemble constitué par les deux ressorts dans cette phase vaut en effet k1k2/(k1 + k2), valeur qui sera d'autant plus proche de k1 que k2 sera grand devant k1.
  • Après une course morte de 1 mm environ jusqu'à l'abscisse A, les 2 à 3 mm de course suivants jusqu'à l'abscisse B constituent la course utile durant laquelle l'extrémité de la tige poussoir vient percuter un verrou d'un mécanisme de disjoncteur et provoque son pivotement. Ce verrou peut être un verrou d'ouverture, si l'actionneur est intégré à un déclencheur à émission de courant (MX), ou un verrou de fermeture, si l'actionneur est intégré à une commande de fermeture (XF). Dans tous les cas, c'est donc l'énergie électromagnétique fournie par le circuit d'excitation, et éventuellement pour une part l'énergie cinétique accumulée durant la course morte précédente et transmise lors de la percussion, qui provoquent le changement d'état du verrou. Dans cette phase utile, l'action antagoniste du système de ressorts de rappel 40, 44 est très faible, du fait de sa faible raideur équivalente.
  • En poursuivant sa contraction au delà de la course utile décrite précédemment, jusqu'à l'abscisse C correspondant à la position représentée à la figure 2, le premier ressort vient se loger entièrement dans le premier chambrage 25 du noyau fixe 22 et la rondelle 42 vient buter au contact de la portée formée par le deuxième chambrage 26. Au delà de cette position, le comportement du dispositif change. La poursuite du déplacement de l'équipage mobile 14 vers sa position active, à l'abscisse E correspondant à la position représentée sur la figure 3, entraîne une déformation supplémentaire du seul deuxième ressort 44, et la raideur équivalente du système est égale à la raideur k2 du deuxième ressort 44, d'où le changement de pente de la courbe 64. L'entrefer axial entre le noyau mobile 16 et le noyau fixe 22 se réduit jusqu'à s'annuler sur la figure 3. Juste avant l'arrivée à la position active, le contact d'isolement 52 s'ouvre à l'abscisse D, de sorte que seule la bobine de maintien 32 reste alimentée, engendrant un flux magnétique suffisant pour le maintien de l'équipage mobile 14 en position active, contre la force cumulée du premier ressort 40 et du deuxième ressort 44 venu se loger dans le deuxième chambrage 26.
  • A l'ouverture du contact principal 54, l'énergie potentielle du deuxième ressort 44 est suffisante pour provoquer le décollement du noyau mobile 16 malgré le champ rémanent dans le circuit magnétique 12. Le premier ressort 40 en se détendant, fournit le travail mécanique résiduel nécessaire pour le retour de l'équipage mobile 14 à sa position de repos.
  • Naturellement, diverses variantes sont envisageables.
  • Le circuit d'excitation peut prendre toute forme connue permettant l'application d'une puissance élevée suffisante pour entraîner l'équipage mobile de sa position de repos à sa position active pendant une phase d'appel, puis d'une puissance moindre, suffisante pour le maintien de l'équipage mobile en position active pendant une phase de maintien. La fin de la phase d'appel peut être asservie au déplacement de l'équipage mobile, comme décrit par exemple dans le premier mode de réalisation, ou non, comme décrit par exemple dans le document FR-A-2 133 652 . Les enroulements peuvent être connectés en série plutôt qu'en parallèle, comme décrit dans le document FR-A-2 290 010 . La différence d'excitation entre les deux phases peut également être obtenue avec une seule bobine, qui peut être commandée par le réseau pendant la phase d'appel puis sous forme hachée par un générateur d'impulsion dans la phase de maintien.
  • De même, les deux ressorts peuvent être disposés de diverses manières pour obtenir la différentiation recherchée entre la première partie de la course, pendant laquelle l'ensemble des deux ressorts se comporte comme un ressort dont la caractéristique est approximativement ou exactement égale à celle du ressort de plus faible raideur, et la deuxième partie de la course, pendant laquelle l'ensemble des deux ressorts se comporte comme un ressort dont la caractéristique est approximativement ou exactement égale à celle du ressort de plus forte raideur. La figure 6 représente schématiquement une variante de réalisation, en position de repos, en position intermédiaire et en position active. Le ressort de plus faible raideur 40 est seul à travailler durant la première partie de la course alors que dans la deuxième partie de la course les deux ressorts 40, 44 travaillent en parallèle, avec une raideur équivalente k1+k2, qui est d'autant plus proche de k2 que cette dernière valeur est grande devant k1. La rondelle 42 fait office de butée mobile et coopère avec une butée constituée par un chambrage du noyau mobile 16.

Claims (4)

  1. Actionneur électromagnétique (10) comportant :
    - un circuit magnétique fixe (12) en matériau ferromagnétique comprenant :
    - une carcasse (20) et
    - un noyau fixe (22) situé à une extrémité de la carcasse et relié à celle-ci,
    - un équipage mobile (14) apte à coulisser le long d'un axe géométrique fixe entre une position de repos et une position active et destiné à effectuer un travail mécanique en passant de sa position de repos à sa position active, l'équipage mobile (14) comportant :
    - un noyau mobile (16) dont l'entrefer axial avec le noyau fixe (22) se réduit lorsque l'équipage mobile (14) passe de sa position de repos à sa position active,
    - un organe d'actionnement (18) associé au noyau mobile (16),
    - un premier ressort de rappel (40) sollicitant l'équipage mobile (16) vers sa position de repos,
    - un circuit d'excitation comportant au moins une bobine fixe de commande (30, 32) apte à engendrer dans le circuit magnétique (12) un flux magnétique de commande qui s'oppose à l'action du premier ressort (40), le circuit d'excitation (48) étant apte à passer d'un mode d'appel dans lequel il délivre une puissance élevée suffisante pour entraîner l'équipage mobile (14) de sa position de repos à sa position active, à un mode de maintien dans lequel il délivre une puissance moindre, suffisante pour le maintien de l'équipage mobile (14) en position active,
    caractérisé en ce qu'en position active, l'entrefer axial entre le noyau mobile (16) et le noyau fixe (22) est nul et en ce que l'actionneur (10) comporte en outre :
    - un deuxième ressort (44) de raideur plus élevée que celle du premier ressort, apte à rappeler élastiquement l'équipage mobile (14) vers sa position de repos,
    - une première butée (26),
    - une deuxième butée (42), mobile et apte à coopérer au moins avec le deuxième ressort (44) et avec la première butée (26);
    - la deuxième butée (42) n'étant pas en contact avec la première butée (26) dans une première partie de la course axiale de l'équipage mobile (14) de sa position de repos à sa position active, et l'action du premier ressort (40) étant alors prépondérante,
    - la deuxième butée (42) étant immobilisée par rapport à la première butée (26) dans une seconde partie de la course axiale de l'équipage mobile (14) de sa position de repos à sa position active, et l'action du deuxième ressort étant prépondérante.
  2. Actionneur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier ressort (40) est disposé entre le noyau fixe (22) et la deuxième butée (42), et en ce que le deuxième ressort (44) est disposé entre la deuxième butée (42) et l'équipage mobile (14), de sorte que dans la première partie de la course, les deux ressorts (40, 44) coopèrent en série, et que dans la deuxième partie de la course, seul le deuxième ressort (44) continue à travailler.
  3. Actionneur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier ressort (40) est disposé entre le noyau fixe (22) et l'équipage mobile (14) en ce que le deuxième ressort (44) est disposé entre le noyau fixe (22) et la deuxième butée (42), de sorte que dans la première partie de la course, le premier ressort (40) est seul à travailler et que dans la deuxième partie de la course, les deux ressorts (40, 44) coopèrent en parallèle.
  4. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport k1 / k2 est inférieur à 1/10, par exemple de l'ordre de 1/20.
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