DOMAINE

La présente divulgation porte sur un actionneur électromagnétique bistable. L’actionneur peut servir à actionner les contacts d'un interrupteur sous vide dans un réseau électrique de transmission d'électricité. Un circuit magnétique d'un actionneur électromagnétique linéaire comprenant une bobine électrique et un aimant permanent est décrit. Dans un mode de réalisation, l’actionneur est un actionneur linéaire bistable. Dans un mode de réalisation, l’actionneur est à force bidirectionnelle commandé par un seul courant. Dans un mode de réalisation, l’actionneur comporte un mode de freinage régénérateur.

ÉTAT DE L'ART

Les réseaux électriques de transport ou de distribution d'électricité à courant alternatif comportent des disjoncteurs localisés à l'entrée des lignes dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'un incident de surcharge ou de court- circuit sur le réseau électrique, ou pour effectuer des manoeuvres. Dans les réseaux électriques à courant alternatif à moyenne tension (1 à 35 kilovolts), on utilise dans les disjoncteurs un interrupteur localisé dans une bouteille scellée contenant un vide poussé, communément appelé "interrupteur sous vide" parmi les moyens pour briser ou former un lien conducteur. L'interrupteur sous vide comporte un contact fixe monté à une des deux extrémités internes de la bouteille, et un contact mobile rattaché à l'autre extrémité par l'entremise d'un soufflet pour permettre son mouvement. À l’assemblage, on pompe un vide poussé autour des contacts et on scelle la bouteille. Une fois assemblé, le contact mobile peut se mouvoir linéairement pour séparer les contacts. Lorsque les contacts sont écartés, le différentiel entre la pression du vide et celle de l'ambiant exerce une force pour fermer les contacts. À cette force se combine aussi une force causée par la déformation élastique du soufflet. Cette force du soufflet, d'une plus petite amplitude, s'ajoute ou se soustrait à celle dû au différentiel de pression selon que le soufflet soit étiré ou comprimé. Il en résulte alors une force nette de rappel pour fermer les contacts.

La séparation des contacts d'un interrupteur sous vide dans un lien inductif d'un réseau moyenne tension portant une onde de courant alternée provoque l'apparition d'un arc électrique. L'arc électrique se propage dans de la vapeur métallique plasmagène provenant du métal en fusion érodé de la surface où se situe la racine de l'arc sur le contact qui assume le rôle de la cathode. Cet arc électrique persiste ensuite, à la limite, jusqu’à la fin de l’alternance, au prochain passage par zéro du courant. Au passage par zéro, l'énergie pour maintenir le plasma actif manque et le plasma s'éteint. Dépendamment de la vitesse à laquelle sont séparés les contacts, la présence résiduelle de vapeur métallique peut faire en sorte que la barrière diélectrique soit insuffisante pour supporter la tension de recouvrement apparaissant à ses bornes, initiant alors un nouvel arc qui persistera, à la limite, jusqu’au prochain zéro de courant. Ce cycle peut se répéter sur quelques alternances pendant l'éloignement des contacts jusqu'au moment où la barrière diélectrique obtenue sera suffisante pour empêcher tout réamorçage. Une fois la vapeur métallique complètement dissipée, le vide poussé procure une rigidité diélectrique supérieure à 200 kV quand les contacts sont maintenus à un écart prescrit par le manufacturier.

Cet écart prescrit définit alors la course du contact mobile. À l'inverse, quand on ferme les contacts sur un lien électrifié bloquant une onde de tension alternée, la tenue diélectrique s'affaiblit avec le rapprochement des contacts. Durant le dernier tiers de la course, la moyenne tension présente aux bornes des contacts peut surpasser la tenue diélectrique pour qu'un arc électrique perce l'interstice séparant les contacts avant qu'ils se rejoignent. Si un point de contact est fait à l'endroit où se situe la racine de l'arc, le contact se fera sur du métal en fusion. Une fois durci, ce métal peut créer un point de soudure qu'il faudra casser à la prochaine ouverture. L'espérance de vie en service sur un réseau à courant alternatif d'un interrupteur sous vide peut être prolongée en réduisant l'usure des contacts due à la présence d'un arc. D'une part, on peut limiter la durée de l'arc à l'ouverture en actionnant les contacts avec une avance prédéterminée sur le prochain passage par zéro de l'alternance du courant. Les contacts sont dès lors séparés rapidement pour obtenir un écart suffisant au moment de l'atteinte de ce passage par zéro pour éteindre définitivement l'arc. Et d'autre part, on peut limiter la formation d'un arc à la fermeture en actionnant les contacts avec une avance prédéterminée sur le prochain passage par zéro de l'alternance de tension. Cette avance est déterminée pour fermer les derniers mm d'écart dans un intervalle de temps incluant ce passage par zéro et qui soit suffisamment court pour limiter la durée et l'intensité de l'arc initié. Dans les deux cas, l'actionnement des contacts doit être rapide et synchronisé avec le réseau électrique alternatif.

L'interrupteur sous vide a aussi une capacité limite à faire circuler un courant. À l'échelle microscopique, les surfaces des contacts montrent une rugosité. À cause de cette rugosité, la section effective en contact n'est qu'une fraction de la section totale disponible quand les contacts sont fermés. Réduire la section en contact a pour conséquence d'augmenter la résistance au passage du courant, et donc, d'augmenter réchauffement Joule. On peut augmenter la section effective en appliquant une pression sur les contacts. De plus, la constriction du flux de courant au passage par les points de contact produit une force magnétique de répulsion ayant tendance à séparer les contacts, et donc, à réduire la section effective. La force de rappel exerce déjà une pression constante sur les contacts à laquelle est associé un courant maximum admissible. Pour rehausser ce maximum, il faut superposer une force externe une fois les contacts fermés.

L'actionnement des contacts de l'interrupteur sous vide s'effectue à l'aide d'un actionneur linéaire. L'actionneur génère une force mécanique d'accélération qui fait basculer le contact mobile rattaché au soufflet entre la position ouverte et fermée, et vice versa, en suivant un mouvement rapide et rectiligne sur plusieurs millimètres. En position ouverte, l'actionneur doit soutenir la force de rappel. En position fermée, l'actionneur doit ajouter à la force de rappel une force de pression aux points de contact pour accroître le courant maximum admissible. Et en actionnement, la durée de la course dépend de l'intensité de la force mécanique appliquée pour accélérer la masse mobile comprenant le contact mobile et l'assemblage mobile du mécanisme de l'actionneur. Pendant l'accélération, la masse mobile acquiert une énergie cinétique qui sera transférée à la structure lors de son impact en bouts de course. Le comportement des contacts suivant l'impact à la fermeture de l'interrupteur sous vide dépend essentiellement des propriétés de l'ensemble de la structure, incluant la partie sur laquelle l'interrupteur sous vide est monté. Lorsque le contact mobile, accéléré par une force, impacte le contact fixe avec une certaine vitesse, il y a transmission à la structure de l'énergie cinétique acquise par la masse mobile. À sa première mise en service, l'interrupteur sous vide subit d'abord une période de rodage. Les terminaux supportant les contacts sont constitués de cuivre pauvre en oxygène. Ce cuivre est soumis à un recuit lors de l'assemblage de la bouteille qui le rend relativement mous. Les premiers impacts d'une fermeture avec l'actionneur entraîneront alors l'enfoncement du point de contact par le fluage du cuivre. Par contre, les impacts répétés écrouissent graduellement le cuivre jusqu'au point, qu'après environ une centaine de fermetures, il résiste dorénavant à la déformation. Plus l'énergie cinétique acquise par la masse mobile dans le mode de fermeture choisi sera grande, plus l'enfoncement sera significatif. Pour les impacts suivants, le document "A Study of the Contact Bounce Phenomenon", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-86, no. 2., p. 231 -240, mentionne que la fermeture de contacts électriques est presque invariablement accompagnée par une série de rebonds dont l'amplitude caractéristique de quelques millièmes de pouces persiste pour quelques millisecondes. Lors de l'impact, une partie de l'énergie cinétique se dissipe dans la structure, et l'autre s'emmagasine sous forme d'énergie potentielle dans une déformation élastique. Cette énergie potentielle sera ensuite restituée à la masse mobile par élasticité, en dissipant encore une partie de l'énergie dans la structure, pour qu'elle reparte dans la direction opposée. En maintenant la force, le contact mobile effectue alors quelques rebonds jusqu'à ce que toute l'énergie cinétique soit totalement dissipée dans la structure. Entre temps, chaque rebond initie un arc qui cause de l'usure additionnelle par la fusion du métal à la racine de l'arc. De plus, la propagation d'ondes de choc à répétition exerce une fatigue dans les matériaux qui accélère le vieillissement des composantes mécaniques.

Une des composantes mécaniques sensible à la fatigue est le soufflet. Le soufflet, en se déformant, permet le mouvement du contact mobile tout en maintenant le vide autour des contacts. De plus, l'impact en bout de course stop soudainement l'extrémité du soufflet rattaché au contact mobile, et ce mouvement impulsionnel imposé au soufflet peut le faire osciller. Or le soufflet subit une petite déformation plastique, en plus de sa déformation élastique, à chaque fois que le contact mobile est actionné. Ce mouvement va-et-vient répété finit par fissurer le soufflet, entraînant alors la perte du vide. L'interrupteur sous vide a donc un nombre limité d'actionnement impactant sur sa vie utile. Il est possible de prolonger sa vie utile en agissant sur la façon d'actionner le contact mobile. L'introduction dans le mécanisme d'un coussin ou d'un amortisseur hydraulique est une solution mise en pratique pour dissiper de l'énergie cinétique, limiter les rebonds et prolonger la vie de l'appareil. Il est aussi possible de découpler une portion de la masse mobile de l'actionneur de la masse du contact mobile en insérant un adaptateur entre les deux. L'adaptateur comprend un piston fixé sur la masse mobile de l'actionneur qui comprime un ressort contre le contact mobile quand celui-ci impacte le contact fixe. Une partie de l'énergie cinétique de la masse mobile de l'actionneur est alors stockée dans le ressort, plutôt que transférée au point de contact. Ces solutions ajoutent cependant des pièces au mécanisme. Une autre solution consiste à limiter l'énergie cinétique à l'impact en minimisant la masse mobile de l'actionneur et en agissant sur la manière dont la force est appliquée. Le manufacturier recommande généralement une limite à la durée des rebonds lors de la fermeture d'un interrupteur sous vide. Selon le document "Bouncing Phenomena of Vacuum Interrupters", XXIVth Int. Symp. On Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Braunschweig, 2010, la durée des rebonds dans les disjoncteurs incorporants des interrupteurs sous vide varie d'un appareil à l'autre, même s'ils ont la même conception. Il n'est donc pas possible de définir une durée raisonnable des rebonds pour un disjoncteur spécifique. Le rebond est considéré comme étant un aspect intrinsèque difficile à contrôler. Le moyen de limiter les rebonds dans un interrupteur sous vide à l'aide de l'actionneur n'est donc pas évident.

De son côté, l'ouverture des contacts est moins exigeante. Il faut stopper le déplacement du contact mobile à l'atteinte de l'écart prescrit par le manufacturier. Le mécanisme d'actionnement doit donc comporter une butée pour limiter la course. D'une part, la course ne doit pas permettre au contact mobile de trop dépasser l'écart prescrit afin de ne pas surcomprimer le soufflet, car, la surcompression augmente la fatigue du matériau formant le soufflet, entraînant une réduction de son espérance de vie. Et d'autre part, on s'attend à ce que l'impact en bout de course soit aussi suivi de rebonds. Il faut assurer de maintenir un écart suffisant au rebond pour empêcher le réamorçage d'un arc entre les contacts.

Le document US7639460 divulgue un module de commutation pourvu d'interrupteurs sous vide mus par des actionneurs pour commuter les sous-conducteurs de phase en faisceaux sur une ligne de transport d'électricité à très haute tension. Des modules de commutation sont embarqués sur chacune des trois phases et sont distribués le long de la ligne pour former des segments ayant chacun quelques dizaines de kilomètres. La subdivision de la ligne en segments permet de limiter à moins de 35 kilovolts la chute de tension induite par le courant de la phase circulant à travers l'impédance du segment. Ainsi, on peut recourir à la technologie des interrupteurs sous vide développés pour le réseau électrique moyenne tension. Dans une première application, le module de commutation sert à moduler l'impédance de la ligne pour contrôler l'écoulement de puissance. Les interrupteurs sous vide sont commutés en temps réel pour varier le nombre de conducteurs participant au transport du courant dans le but de moduler l'impédance du segment de la ligne le reliant au prochain module. Par un contrôle généralisé de tous les modules de commutation distribués sur une ligne de plusieurs centaines à quelques milliers de kilomètres, il est alors possible de moduler rapidement l'impédance de toute la ligne avec une excellente résolution. La modulation de l'impédance de plusieurs lignes maillées entre elles dans un réseau de transport d'électricité permet, entre autres, de contrôler le flux de circulation d'électricité sur chacune des artères pour augmenter de la capacité de transit. Dans une seconde application, le module de commutation sert à déglacer la ligne. En situation de verglas, les interrupteurs sous vide du commutateur sont commutés pour concentrer le courant d'une phase dans un seul sous-conducteur sur le segment de la ligne concerné. La concentration du courant dans le sous-conducteur augmente son échauffement et fait fondre la prise de glace à la jonction entre la glace et la surface du conducteur pour provoquer sa chute au sol. La séquence des commutations est effectuée pour concentrer le courant tour à tour dans chacun des sous-conducteurs de chaque phase pour éliminer toute la glace sur la ligne. Pour les deux modes d'opération, chaque interrupteur sous vide commute un courant parcourant un sous-conducteur ayant une impédance inductive qui provoque la formation d'un arc entre les contacts.

L'installation d'un module de commutation en mode embarqué sur la ligne à très haute tension dans un réseau électrique étendu rend son accès difficile pour effectuer une maintenance. Cette accessibilité s'aggrave quand on distribue les modules sur des milliers de kilomètres de ligne parcourant un territoire souvent inhabité. Puisque l'accès est difficile, on s'attend de cet équipement qu'il ait une espérance de vie équivalente à celle de la ligne. Or la modulation en temps réel de l'impédance d'une ligne avec des modules de commutation requiert l'actionnement à répétition des interrupteurs sous vide. Cela peut représenter plusieurs centaines de milliers de commutations à effectuer sur la vie d'une ligne. La défaillance d'un commutateur sur un faisceau d'un segment de ligne, que ce soit par un bris de mécanisme, par une usure prématurée de ses contacts, ou par la fatigue de ses matériaux, présente donc un risque. Pour réduire le risque de défaillance par un bris de mécanisme, l'actionneur doit comporter le minimum de pièces mobiles. Pour réduire le risque de défaillance par une usure prématurée des contacts, l'actionneur doit les actionner rapidement en synchronisme avec le réseau électrique alternatif. Pour réduire le risque de défaillance par la fatigue des matériaux, l'actionneur doit atténuer l'impact de la masse mobile en bouts de course et limiter les rebonds.

Un module de commutation comporte plusieurs interrupteurs sous vide actionnés par des d'actionneurs dont la quantité dépend du nombre de sous-conducteurs en faisceaux à commuter sur la ligne. Le boîtier du module de commutation doit pourvoir l'espace pour les contenir dans un volume relativement restreint. Pour limiter l'encombrement, l'actionneur doit être compact.

Les contraintes électriques sur les interrupteurs sous vide dans le module de commutation sont fonction du courant circulant dans la ligne et de la chute de tension induite par ce courant circulant par au moins un des sous-conducteurs sur le segment de ligne les séparant du prochain module de commutation. Or le lien dans la ligne ne peut être interrompu, car, toute la tension de la ligne apparaîtrait aux bornes du module de commutation. Advenant un défaut de court-circuit, le module de commutation doit porter le courant de court-circuit le temps que la ligne soit déclenchée par un disjoncteur localisé en amont dans un poste. Peu importe la situation, le module de commutation doit toujours assurer la continuité de la ligne sur au moins un de ses sous-conducteurs. De plus, il doit contrer la force de répulsion entre les contacts lors du passage d'un courant de court-circuit et aussi pallier la perte accidentelle du scellé de la bouteille qui contribue par la force de rappel à maintenir une pression sur les contacts. Pour assurer la continuité de la ligne, l'actionneur doit produire une force de maintien significative sur les contacts fermés. L'exploitation d'un interrupteur sous vide dans un module de commutation installé sur un réseau électrique peut aussi s'effectuer dans des conditions climatiques difficiles. Plus particulièrement, les conditions climatiques peuvent être propices à la formation de givre. Le givre peut s'accumuler dans les interstices séparant les parties fixes des parties mobiles jusqu'à la formation d'un pont de glace qui contrecarre le mouvement. Dans une telle éventualité, la force d'actionnement pourrait ne pas suffire à briser le pont de glace, et l'actionneur demeure bloqué. Pour éviter le blocage des contacts en cas de givre, l'actionneur doit comprendre un moyen pour briser le pont de glace.

Pour actionner ses interrupteurs sous vide, chaque module de commutation comprend un système de conversion d'énergie pour convertir de l'énergie électrique en énergie cinétique d'actionnement. L'énergie électrique est puisée par deux moyens directement sur la phase afin d'éviter les contraintes d'isolation d'une alimentation électrique provenant d'un point référencé à la terre. Un premier moyen utilise une plaque supportée par le module sous tension avec des isolateurs pour capter le champ électrique émanant de la surface. Et le second moyen utilise un enroulement sur un noyau encerclant le courant circulant sur la phase pour capter le champ magnétique. L'énergie électrique puisée est ensuite stocké dans un réservoir capacitif pour fournir de la puissance électrique au système de conversion. Dans les deux cas, la taille physique du moyen dépend de la quantité d'énergie consommée par le système pour gérer et actionner les interrupteurs sous vide, et tel que mentionné précédemment, le module de commutation a une contrainte d'espace.

Parmi les actionneurs linéaires de l'état de l'art utilisés pour actionner un interrupteur sous vide, il y a les mécanismes bistables à ressorts. Dans ces actionneurs, un ressort est graduellement déformé en appuyant sur un levier avec de l'air comprimé ou en utilisant un petit moteur pour emmagasiner de l'énergie mécanique dans le ressort que l'on bloque ensuite avec un verrou. L'activation d'un dispositif de déverrouillage permet de relâcher cette énergie à travers un système de cames, bascules et leviers pour basculer rapidement les contacts de l'interrupteur sous vide entre le mode ouvert et fermé. Entre deux opérations, ces mêmes mécanismes bistables à ressorts maintiennent une force statique de compression sur les contacts en mode fermés, et une force statique d'écartement en mode ouvert. Ces mécanismes à ressorts comprennent cependant plusieurs pièces mobiles qui augmentent le risque d'un bris.

Les documents US3218409, US3035139 proposent d'éliminer des pièces du mécanisme de l'actionneur en utilisant la force d'attraction magnétique produite dans un entrefer à réluctance magnétique variable par un électroaimant. L'électroaimant comporte un noyau plongeur pouvant se déplacer sur un axe par rapport à un noyau fixe, les noyaux étant constitués d'un matériau ferromagnétique. Le duo forme un parcours magnétique en boucle fermée pourvu d'un entrefer d'écart variable pour permettre la circulation des lignes d'un champ magnétique produites à l'aide d'un courant électrique circulant dans le conducteur d'une bobine enlacée à travers la fenêtre du parcours. Le flux magnétique qui traverse l'entrefer exerce alors une force d'attraction magnétique sur le noyau plongeur dans le sens du mouvement sur l'axe qui entraîne une réduction de la réluctance magnétique sur le parcours bouclé. Or la force n'agit sur le noyau plongeur que dans une seule direction. Pour actionner le mouvement dans les deux directions, on propose de jumeler le noyau plongeur de l'électroaimant à une force de rappel exercée par un ressort dans la direction opposée à celle de la réluctance décroissante de l'entrefer (Actionneur monostable). Quand la bobine de l'électroaimant n'est pas alimentée, le ressort maintient la pression sur le noyau plongeur en un bout de la course. En énergisant le circuit magnétique, on crée alors une force qui s'oppose au ressort pour provoquer le basculement du noyau plongeur vers l'autre bout de la course. À l'atteinte de la fin de course, on maintient le circuit magnétique énergisé avec un faible courant pour maintenir la position. Pour rebasculer le noyau plongeur dans l'autre direction, on désactive le circuit magnétique pour ramener le noyau plongeur avec la force du ressort. Un inconvénient avec cet agencement provient du fait qu'il faut grossir le volume et le poids du circuit magnétique afin de compenser la force opposée produite en permanence par le ressort et qu'il faut maintenir un courant afin de conserver une des deux positions.

Les documents W09001788, US5912604 et GB2289374 proposent d'introduire dans le circuit magnétique de l'actionneur monostable le champ produit par un aimant permanent. Ce champ se substitue à celui produit par le courant de maintien nécessaire pour contrer la force du ressort et maintenir la position en bout de course. L'usage de l'aimant permet ainsi d'éliminer la consommation d'énergie entre deux actuations. Lorsqu'il faut basculer le noyau plongeur à l'autre bout de la course, on injecte un courant de polarité prédéterminé dans la bobine pour contrecarrer le champ de l'aimant et octroyer la balance des forces au ressort.

Le document US7639460 propose d'utiliser un mécanisme bistable à ressorts que l'on relie à un moteur linéaire pour actionner un interrupteur à vide dans un module de commutation. Ce système contrôle le courant injecté dans le moteur linéaire pour produire une force d'actionnent pour faire basculer le mécanisme à ressort. Malgré que l'utilisation d'un moteur linéaire offre des avantages supplémentaires par rapport aux actionneurs à électroaimant, comme par exemple un contrôle asservi de la force, le mécanisme bistable à ressorts comporte néanmoins plusieurs pièces qui augmentent le risque d'un bris.

Les documents W09001788, W003030188, US6009615 et US6084492 proposent d'utiliser deux électroaimants et le champ d'un aimant permanent pour éliminer à la fois le courant de maintien et l'usage de ressort (Actionneur bistable à aimant permanent). Le circuit magnétique comporte en outre une seconde bobine enlacée sur un second parcours magnétique possédant sur le même axe de mouvement du noyau plongeur un second entrefer dont la réluctance magnétique décroît dans la direction opposée à celui d'un premier parcours. Le mouvement du noyau plongeur dans un sens augmente la réluctance magnétique de l’un des entrefers tout en diminuant celle de l'autre, et vice versa. En absence de courant dans les bobines, les deux entrefers demeurent magnétisés par le champ de l'aimant, et chaque entrefer exerce une force électromagnétique d'attraction sur le noyau plongeur pour l'attirer dans sa direction. Les deux entrefers de l'actionneur sont formés pour créer un point sur l'axe de déplacement où les forces sur le noyau plongeur sont à l'équilibre, et pour octroyer la balance des forces à l'entrefer situé dans la direction du sens du mouvement l'éloignant de ce point pour fermer cet entrefer et créer une force de maintien avec l'aimant (fonction bistable). Pour faire basculer l'actionneur dans la position opposée, on injecte un courant unidirectionnel et de sens prédéterminé dans la bobine située du côté de l'entrefer ouvert. Les lignes de champ émanant de la bobine se superposent à celles émanant de l'aimant pour provoquer le transfert de la balance des forces à l'entrefer ouvert et forcer le déplacement. À l'atteinte du bout de la course, le courant est coupé, et cet entrefer obtient à son tour la balance des forces pour maintenir la position.

Un inconvénient avec les actionneurs décrits au paragraphe précédent provient de la portion importante de la masse inertielle du noyau plongeur qui fait partie de la masse mobile qu'il faut accélérer avec la force produite par ces électroaimants. Cette force est produite par la variation de l'énergie magnétique contenue dans le circuit magnétique de l'électroaimant, moins les pertes, par rapport au déplacement du noyau plongeur. Dans le circuit magnétique d'un actionneur non magnétiquement saturé, l'énergie magnétique se concentre dans le volume d'air des entrefers par lequel le champ circule. Les parties ferromagnétiques du circuit, qui contiennent peu d'énergie, incluant le noyau plongeur, servent de moyen pour canaliser le champ vers les entrefers. Dans un actionneur comme ceux des documents cités, une portion significative de la longueur du parcours suivi par les lignes de champ magnétique circule par le noyau plongeur. Le noyau plongeur représente donc une part importante du circuit et de sa masse totale. Cette masse plus importante à accélérer accentue aussi l'énergie cinétique à l'impact en bouts de course et l'onde de choc dans la structure qui en découle. Ces actionneurs ne sont pas compacts, car ils possèdent un ratio (force d'actionnement)/(masse mobile) faible. Un autre inconvénient avec ces actionneurs est la caractéristique qu'ils ont de produire une force d'actionnement qui atteint un maximum en bout de course ou à un autre endroit prédéterminé le long de la course, seulement. Le fait que la force ne soit pas maintenue le long de la course réduit l'intégrale de la force d'accélération appliquée à la masse mobile et donc, affecte aussi la vitesse d'actionnement. Pour augmenter la vitesse d'actionnement, il faut alors grossir l'actionneur.

Un autre inconvénient avec ces d'actionneurs est l'attribution fonctionnelle du sens de la force créée par le courant unidirectionnel circulant dans une des deux bobines au sens du mouvement du noyau plongeur pour l'opération visée. Ces actionneurs attribuent la fonction respective d'ouverture de l'interrupteur sous vide à l'injection d'un courant unidirectionnel dans une première bobine, et de fermeture de l'interrupteur sous vide à l'injection d'un courant unidirectionnel dans une seconde bobine. C'est un mode d'actionnement à une seule action où l'assemblage mobile est accéléré en progressant vers le bout de sa course et où l'atteinte du bout de la course se termine par un impact suivi de rebonds. Attribuer à chaque bobine une action différente grossit la taille de l'actionneur, car les bobines sont sous-utilisées et occupent plus d'espace dans le circuit magnétique.

Tous les actionneurs des documents cités divulguent des modules destinés à opérer un disjoncteur de circuit dans un réseau électrique de puissance dont les modes d'opération diffèrent d'un module de commutation sur une ligne de transport d'électricité. Cependant, les actionneurs de l’état de l’art ont beaucoup de place à l’amélioration pour les rendre plus adaptés à actionner un interrupteur sous vide dans un module de commutation monté sur une ligne de transport à très haute tension. SOMMAIRE

Selon un aspect, un actionneur électromagnétique bistable pour actionner au moins un contact mobile d’un interrupteur sous vide est fourni. L’actionneur comprend un assemblage mobile et un assemblage fixe. L’assemblage mobile inclut : au moins une paire de noyaux-plongeurs ferromagnétiques se faisant face, chaque noyau-plongeur ayant un corps comprenant une protubérance avec des parois latérales, et un chapeau; un cadre reliant solidairement les noyaux-plongeurs; et un élément de guidage. L’assemblage fixe inclut : un noyau ferromagnétique ayant deux côtés opposés, le noyau présentant sur chacun de ses côtés une cavité apte à laisser pénétrer le noyau-plongeur correspondant de l’assemblage mobile, chaque cavité ayant des parois latérales définissant entre elles un premier entrefer et chaque paroi latérale de chaque cavité définissant avec la paroi latérale opposée de son noyau- plongeur correspondant un deuxième entrefer, les côtés opposés du noyau ferromagnétique faisant face respectivement à des surfaces opposées des chapeaux des noyaux-plongeurs, chaque côté du noyau définissant avec la surface opposée du chapeau correspondant un troisième entrefer; au moins un aimant situé dans le noyau et entre les cavités, ledit au moins un aimant étant apte à créer un premier flux magnétique dans les premiers, deuxièmes et troisièmes entrefers; au moins un bobinage apte à créer, à partir d’un courant d’excitation, un second flux magnétique dans les premiers, deuxièmes et troisièmes entrefers; et un élément de guidage apte à coopérer avec l’élément de guidage de l’assemblage mobile de façon à permettre une course de l’assemblage mobile entre une première et une seconde position stables.

Selon un aspect, une méthode est fournie pour actionner un contact mobile d’un interrupteur à vide pour briser ou former un lien conducteur, le contact mobile étant lié à un assemblage mobile d'un actionneur électromagnétique bistable. La méthode comprend les étapes de : a) faire circuler un courant d’excitation I dans un bobinage de l’actionneur, selon une première direction, afin de produire un flux magnétique dans l’actionneur pour provoquer un basculement de l’assemblage mobile d’une première position stable vers une seconde position stable; et b) lorsque l’assemblage mobile est en mouvement vers la seconde position stable, faire circuler le courant d’excitation I dans le bobinage, selon une deuxième direction opposée à la première direction.

DESCRIPTION BRÈVE DES DESSINS

Figure 1 est une vue en coupe schématisée montrant un actionneur électromagnétique dans un mode de réalisation.

Figure 2 est la portion image du circuit magnétique de la figure 1 par rapport à un axe de symétrie.

Figure 3 est un graphique montrant la force exercée sur un noyau en relation avec un ratio de deux paramètres géométriques.

Figure 4 est un graphique montrant des courbes du profil de la force exercée sur l'assemblage mobile de l'actionneur des figures 1 et 2 en fonction de la position pour un courant nul et nominal dans une condition sans et avec saturation magnétique.

Figue 5 est un graphique montrant des courbes de la force exercée sur l'assemblage mobile de l'actionneur des figures 1 et 2 en fonction de la position pour différents niveaux de courant et avec saturation magnétique.

Figure 6 est un graphique montrant la position, la vitesse, la force et le courant de l'actionneur en fonction de la position dans un mode de pilotage.

Figure 7 est un graphique montrant la force produite par l'actionneur en relation avec la position et l'évolution du courant piloté à différents instants dans le temps. Figure 8 est un graphique montrant la position, la vitesse, la force et le courant de l'actionneur en fonction de la position dans un second mode de pilotage.

Figure 9 est un graphique montrant la position, la vitesse, la force et le courant de l'actionneur en fonction de la position dans un troisième mode de pilotage.

Figure 10 est un graphique montrant l’évolution de la force dans le temps quand un courant alternatif est superposé à la consigne de courant afin d’ajouter un mode vibratoire à la force d’actionnement.

Figure 11 est une vue en perspective de l’assemblage fixe de l’actionneur, dans un mode de réalisation.

Figure 12 est une vue en coupe de l’assemblage fixe de l'actionneur de la Figure 11 , selon la ligne A— A.

Figure 13 est une vue en perspective de l’assemblage mobile de l'actionneur, dans un mode de réalisation. Figure 14 est une vue en coupe de l’assemblage mobile de l'actionneur de la Figure 13, selon la ligne B— B.

Figure 15 est une vue en perspective de l'actionneur dans un mode de réalisation.

Figure 16 est une vue en coupe de l'actionneur de la Figure 15, selon la ligne C— C.

Figure 17 est un schéma illustrant un circuit pour alimenter un actionneur, selon un mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE

Si l'on se réfère à la figure 1 , elle montre le circuit magnétique d'un actionneur bistable à aimants permanents, selon un mode de réalisation. Les éléments de support sont intentionnellement omis. Le circuit magnétique comprend un assemblage fixe 50 et un assemblage mobile 52. L’assemblage mobile 52 peut se mouvoir par rapport à l'assemblage fixe 50 avec un déplacement x suivant un mouvement de va-et-vient le long de l'axe 1 sur une course M. Le déplacement x est déterminé en temps réel par un capteur de position 53. Le capteur de position 53 peut être un encodeur ou un capteur de proximité de type optique, inductif, capacitif, ou aimanté.

L’assemblage fixe 50 comprend une armature centrale 2 disposée entre deux armatures latérales 3. Les trois armatures ont la même longueur dans le sens de l'axe

1. À chaque extrémité sur l'axe, les faces latérales sont perpendiculaires et coplanaires. Dans le présent mode de réalisation, le matériau des armatures est ferromagnétique, à forte perméabilité magnétique, laminé et empilé sur une hauteur h perpendiculaire sur le plan de la figure. L’ensemble des armatures forment le noyau de l'actionneur. Dans le présent mode de réalisation, l’assemblage fixe 50 comprend en outre deux aimants 4, de section rectangulaire et de hauteur h, disposés de part et d'autre de l'armature centrale 2. Chaque aimant 4 a une face appuyée contre l'armature centrale

2, et a sa face opposée appuyée contre l'armature latérale 3 adjacente, de manière à être coincé entre les deux armatures. Chaque aimant 4 a son dipôle d’aimantation perpendiculaire à l'axe 1 et situé dans le plan de la figure, avec le même pôle (nord ou sud) orienté face à l'armature centrale 2 qui lui fait face. L'épaisseur z de chaque aimant 4 peut être choisie pour extraire le maximum d'énergie magnétique du volume de l'aimant. L’assemblage 50 fixe comprend en outre deux bobines 5a, 5b comportant chacune un nombre prédéterminé de spires d'un conducteur. Les deux bobines 5a, 5b sont enroulées autour de l'armature centrale 2 et sont localisées de part et d'autre des deux aimants 4. Dans le présent mode de réalisation, chaque bobine 5a, 5b est d'abord préenroulée sur un support ayant la même forme que la portion de l'armature centrale 2 sur laquelle chaque bobine 5a, 5b est montée. Chaque bobine 5a, 5b est ensuite montée sur l'armature centrale 2 en la glissant par l'extrémité latérale correspondante. L'ajout dans l'assemblage des armatures latérales 3 est réalisé après cette étape. Chaque bobine 5a, 5b possède deux terminaux pour permettre le branchement à un circuit électrique. Dans le présent mode de réalisation, les terminaux des bobines 5a, 5b sont branchés au circuit électrique afin d’obtenir, lorsqu'il y circule un courant /, des ampères-tours dans chacune des bobines qui bouclent dans le même sens de rotation autour de l'axe 1 et de l’armature centrale. Le sens de circulation du courant / dans les bobines 5a, 5b est illustré dans la figure par un cercle contenant un point pour signifier des ampères-tours sortant du plan, et un cercle contenant une croix pour signifier ampères-tours entrant dans le plan. La figure montre un des deux sens possibles, l'autre étant les opposés des sens illustrés. Dans le présent mode de réalisation, les bobines 5a, 5b sont électriquement branchées en séries pour être alimentées avec un même courant /.

Le noyau fixe est caractérisé en outre en ce que l'armature centrale 2 et les deux armatures latérales 3 s'étendent de chaque côté au-delà des bobines 5a, 5b sur une distance prédéterminée pour former quatre cavités rectangulaires 6. Chaque cavité 6 est destinée à recevoir un noyau plongeur 7 qui peut, par exemple, être configuré en forme d’un T. Dans le présent mode de réalisation, le matériau du noyau plongeur 7 est aussi ferromagnétique, laminé et empilé sur une même hauteur h perpendiculaire sur le plan de la figure. Les quatre noyaux plongeurs 7 s'intégrent dans l’assemblage mobile 52 de l'actionneur. Ils sont groupés sur un support ou un cadre, non montré, pour former deux paires mécaniquement solidaires, les deux paires étant respectivement localisées aux extrémités du noyau fixe sur l'axe 1 et disposées en opposition pour se faire face. Un déplacement x de l’assemblage mobile 52 sur l'axe 1 oblige, d'une part, la paire de noyaux plongeurs 7 situés à une extrémité à entrer dans les cavités 6 et, d'autre part, la paire de noyaux plongeurs 7 situés à l'extrémité opposée à sortir des cavités 6, et vice versa. Dans certains modes de réalisation, si la géométrie des cavités 6 et des plongeurs 7 est la même sur les deux extrémités, le volume des entrefers entre les surfaces des plongeurs 7 et du noyau demeura constant lorsque l’assemblage mobile 52 se déplacera sur l’axe.

Le circuit magnétique de l'actionneur dans le présent mode de réalisation montre une symétrie dans le plan de la figure par rapport à l'axe 1 , avec les ampères-tours circulant à contresens d’un côté par rapport à l’autre. Les phénomènes électromagnétiques créés d'un côté de l'axe sont alors la réflexion de ceux créés de l'autre côté. La description des phénomènes peut donc être réalisée en se référant uniquement à la portion de circuit magnétique dans le plan qui borne seulement un côté de l'axe 1 telle que montrée dans la figure 2. Dans la description qui va suivre, chaque référence faite à un élément de la figure 2 s'applique aussi à l'élément miroir situé de l'autre côté sous l'axe de symétrie 1 dans la figure 1. Par exemple: l’amplitude de la force magnétique d’attraction exercée sur un noyau plongeur 7 de la figure 2 est doublée sur l'assemblage mobile de l’actionneur de la figure 1 par la présence du noyau plongeur 7 miroir situé de l’autre côté de l'axe 1.

Avec référence à la figure 2, chaque cavité 6 avec son noyau plongeur 7 forme un entrefer a, de largeur f variable avec , et de profondeur h. Chaque noyau plongeur 7 comprend une protubérance rectangulaire 8 munie d'un chapeau 9 à sa base. La protubérance 8 possède une épaisseur d plus petite que l'entrefer a avec un écart 2b. Chaque protubérance 8 d'un noyau plongeur 7 est alignée avec la cavité 6 qui lui fait face et peut se mouvoir dans la cavité 6 en formant de chaque côté avec sa paroi voisine un entrefer b, de largeur g variable avec x, et de profondeur h. Le chapeau 9 d'un noyau plongeur 7 s’étend de chaque côté de la protubérance 8 pour former entre le chapeau 9 et une des faces latérales du noyau fixe un entrefer c variable avec x, de largeur e, et de profondeur h. Lorsque nous faisons référence dans la présente description à la géométrie d'un noyau plongeur opposé (i.e. : situé à gauche dans la figure 2), les paramètres géométriques sont annotés à l'aide d'une apostrophe (a', b', C, d e', f, g).

Les bouts de la course M correspondent à l'entrefer c= 0 pour un bout, et c -0 pour l'autre bout. En associant x=0 à c= 0, le déplacement x de l’assemblage mobile 52 possible est alors délimité par 0 < x < M. Dans le présent mode de réalisation, les entrefers c et c' sont limités à un minimum A, (c> A, d³ A). Le déplacement x de l'assemblage mobile est donc limité à une course réduite à l£c£{M-l). Le minimum A dans l'entrefer c ou c' peut être assuré, par exemple, par des butées mécaniques installées sur l'actionneur. La butée mécanique peut comprendre un mécanisme amortissant, par exemple un mince coussinet en caoutchouc d'une épaisseur A accolée contre chacune des faces latérales des noyaux 2 et 3, dans les entrefers c et c'. Dans le présent mode de réalisation, le mouvement de l'assemblage mobile 52 ne permet pas aux protubérances 8 de sortir complètement de leurs cavités 6 (g> 0, g'>0).

Le fonctionnement de la présente invention va maintenant être décrit en s'appuyant sur certains principes de base de l'électromagnétisme. Dans un entrefer / coupant un noyau ferromagnétique à forte perméabilité sur une largeur j et une profondeur k, l'application d'une force magnétomotrice £ aux bornes de l'entrefer / produit dans cet entrefer une densité de flux magnétique connu par S, = mo-S/i, lorsqu'on néglige les effets de bord et l'effet de la saturation dans le fer, et où mo représente la perméabilité du vide. À cette densité de flux magnétique S, correspond une densité volumétrique d'énergie magnétique contenue dans cet entrefer et équivalente à b, ² /2mo = mo £ ² /2/ ² . Cet entrefer / délimite un volume ij k qui englobe alors une énergie magnétique W ) = go ² y /c/2/. Dans le présent mode de réalisation, une force magnétomotrice appliquée directement aux entrefers bornant une cavité 6 entre les armatures 2 et 3 provoque le passage d’un flux magnétique directement à travers un entrefer a et indirectement à travers deux entrefers successifs b ou c par l’entremise du noyau plongeur 7 concerné. L'énergie dans chaque entrefer équivaut alors approximativement à ce qui suit.

Entrefer a: W _a = mo·e ² Ί·ί/2q

Entrefer b W _b = mo·e ² i·m/8

Entrefer c: W _c = mo·e ² ·ή·q/8o

La présence de cette énergie dans ces entrefers produit une force magnétique d'attraction exercée sur le noyau plongeur 7 qui est équivalente au taux de changement de l'énergie magnétique contenue dans ces entrefers par rapport au déplacement du noyau plongeur 7 uniquement libre de se mouvoir selon x, soit: ådW/dx. La force d'actionnement dans le présent mode de réalisation résulte de la superposition de deux forces magnétiques distinctes, soit: la force magnétique F _p exercée sur la protubérance 8 par les entrefers a et b ; et la force magnétique F _t exercée sur le chapeau 9 par les entrefers c. Pour le noyau plongeur 7 situé à droite sur l'axe 1 de la figure 2, on a les dérivées dx = df = -dg = de. Les deux forces magnétiques F _p et F _t sont alors exprimées par:

F _p = dWa/dx + 2dW _b /dx = dWa/df - 2dW _b /dg = A ¹ o^ ² h (1/a - 1/2b)

F _t = 2dWc/dx = 2dWc/dc = -¼·mo·e ² ·ή·q/o ²

La force F _p montre une soustraction entre deux termes ( 1/a - 1/2b). Et puisque a = 2b + d, on peut reformuler l'équation de la force F _p par:

F _p = -½ ·m ₀ e ² ·ή· (d/2b)/(d/2b +1) (1 )

Le module de la force F _p (\F _P \) de l'équation (1 ) est reporté dans le graphique de la figure 3 en fonction du ratio d/2b. Selon la courbe, l'épaississement de la protubérance 8 (augmenter d/2b) n'apporte plus un gain significatif à la force \F _P \ qui plafonne au- delà d'un point P situé sur le genou de la courbe. Aller au-delà de ce point ne fait qu'alourdir inutilement l'assemblage mobile. Dans le présent mode de réalisation, le choix du ratio d/2b centre la force \F _P \ sur le genou de la courbe autour du point P pour maximiser la force \F _P \ tout en limitant le poids afin d'obtenir un ratio force/masse élevé.

Dans les équations des forces F _p et F _t , les paramètres géométriques h, a, b et e sont constants, et seul c varie directement avec x (c=x). Les forces magnétiques peuvent donc s'approximer à ce qui suit, F _p = KrS ²

F _t = -K ₂ S ² /X ² où Ki et K ₂ sont des constantes positives définis par la géométrie des entrefers bornant le noyau plongeur 7.

Pour le noyau plongeur 7 situé à gauche sur l'axe 1 (paramètres avec un apostrophe), on a les dérivées dx = -df = dg' = -de'. Et puisque les noyaux plongeurs 7 aux extrémités sont mécaniquement solidaires, la variation des entrefers à chaque extrémité est limitée par la course M de l'assemblage mobile avec ' = M - x. Les forces magnétiques donnent ce qui suit.

F' p = -K'i £' ²

F' _t = K' ₂ S' ² /(M-X) ²

On approxime alors la force exercée sur l'assemblage mobile à la somme des deux composantes suivantes.

F _mp = k ·e ² - k· ·e· ² (2)

F _mt = k· _2· e ^,2 /(M-c) ² - k _2· e ² /c ² Les composantes de force sur l'assemblage mobile dépendent des forces magnétomotrices appliquées aux entrefers. Le circuit magnétique du présent mode de réalisation utilise deux forces magnétomotrices pour magnétiser les entrefers: l'aimant 4 et les ampères-tours circulant dans les bobines 5. L'aimant 4 crée un premier dipôle magnétique intercalé entre les noyaux plongeurs 7 et perpendiculaire à l'axe 1 qui applique essentiellement une même force magnétomotrice £ _a directement sur les entrefers des noyaux plongeurs 7 disposés en parallèle dans le circuit magnétique. Cette force magnétomotrice £ _a n'est cependant qu'une fraction de celle que l'aimant 4 produit. L'autre fraction se trouve aux bornes de l'entrefer physiquement comblé par l'aimant 4. Les ampères-tours circulant dans les bobines 5a, 5b créent un second dipôle magnétique orienté sur l'axe 1 qui produit une force magnétomotrice £ _> essentiellement répartie sur les entrefers des noyaux plongeurs 7 placés en séries.

Dans le circuit magnétique de la figure 2, les noyaux plongeurs 7 et les cavités 6 sont identiques ( Ki = K'i, K ₂ = K'2). Pour un courant 1=0 (£=£ -£ _a ), les forces magnétiques exercées par les protubérances 8 dans l'équation (2) s'annulent quel que soit x, et la force magnétique F _m résultante sur l'assemblage mobile est alors attribuable uniquement à la présence des chapeaux 9.

F _m = F _mt = K ₂ S _a ² [1/x ² - 1/(M-x) ² ] (3)

Cette équation suppose l'application d'une force magnétomotrice constante aux bornes des entrefers des noyaux plongeurs 7. Or la longueur des entrefers c et c' change avec x. Ce changement influence donc la répartition de la force magnétomotrice produite par l'aimant entre la réluctance de l'entrefer qu'il occupe et £ _a aux bornes des entrefers des noyaux plongeurs. Cette approximation permet néanmoins d'expliquer correctement le comportement des chapeaux 9 dans le circuit magnétique du présent mode de réalisation. Si l’on revient à la figure 2, la présence des chapeaux 9 dans le circuit magnétique sert à introduire un débalancement de la force magnétique exercée sur l'assemblage mobile en bout de course. L’équation (3) montre que la différence entre les forces magnétiques respectives des chapeaux 9 donne zéro à une position intermédiaire x=M/2 sur la course, et octroi la balance des forces magnétiques au chapeau 9 la plus rapprochée du noyau fixe au-delà de part et d’autre de cette position. La force magnétique d'attraction exercée en bout de course sur le chapeau 9 située très proche du noyau fixe domine sur celle exercée sur le chapeau 9 du noyau plongeur 7 opposé. Une simulation numérique avec la méthode des éléments finis et en mode linéaire (sans saturation) du circuit magnétique de l'actionneur de la figure 2 montre ce comportement. La simulation a produit la courbe de la force F _m représenté par le trait interrompu 10 dans la figure 4 pour une position x couvrant l£c£{M-l), et où le sens positif de chaque axe est indiqué par une flèche sur l'axe 1 des figures 1 et 2. Comme pour la tendance exprimée par l'équation (3), la force F _m est nulle à un point intermédiaire et augmente non linéairement vers les bouts de la course. La symétrie dans la géométrique des entrefers c et c' de part et d'autre du noyau fixe crée une symétrie inversée de la balance des forces sur l'axe de la position par rapport à un point situé au centre de la course. Il est cependant possible d'éliminer la symétrie et d'augmenter la balance des forces pour un côté de la course en déséquilibrant, par exemple, la largeur e entre les deux noyaux plongeurs 7 opposés.

Lorsqu'il circule un courant / dans les bobines 5, une force magnétomotrice produite par les ampères-tours £ _> s'ajoute à celle £ _a de l'aimant 4 et affecte donc la circulation du flux. Selon le sens donné au courant /, une fraction h de la force magnétomotrice des bobines 5a, 5b s'ajoute à celle de l'aimant 4 aux entrefers bornant le noyau plongeur 7 situé à gauche, £ -£ _a +/?<¾, et la fraction restante 1-h se soustrait à celle de l'aimant 4 aux entrefers bornant le noyau plongeur 7 situé à droite, £=S _a -[1-q]S _b . L'inverse s'applique pour un courant / dans le sens opposé, £ -S _a -qS _b ; £=S _a +[1-q]S _b . Pour le noyau plongeur 7 situé du côté où il y a soustraction, l’énergie dans ses entrefers s’estompe et donc, il subit une force d’attraction plus faible. Pour le noyau plongeur 7 situé du côté où il y a addition, l’énergie dans ses entrefers augmente et donc, il subit une force d’attraction plus forte. Ainsi, le courant / dans les bobines 5a, 5b octroie la balance de la force à un noyau plongeur 7, celui qui l’obtient étant déterminé par le sens du courant /, et l’intensité de la balance de la force dépend de l’amplitude du courant /.

Le trait interrompu 11 dans la figure 4 montre le profil de la force F _m obtenu dans la simulation en injectant dans les bobines 5a, 5b du modèle linéaire (non saturé) un courant / égal à 100% d'une amplitude dite nominale /„ {l='\ 00%l _n ) _· Le courant nominal l _n correspond au niveau où la résultante de la force magnétomotrice aux bornes des entrefers d'un noyau plongeur 7 est essentiellement nulle, celui ciblé étant déterminé par la polarité du courant /. En absence d'une force magnétomotrice significative dans les entrefers du noyau plongeur 7 de droite, la force mécanique de déplacement résulte alors presque uniquement de la force magnétique d'attraction exercée sur le noyau plongeur 7 situé à gauche. Le profil du trait interrompu 11 montre une portion relativement constante sur les deux premiers tiers de la course en partant de la gauche avant de croître rapidement sur le dernier tiers de la course. Ce profil de force est associé à la dominance de la composante de force F _mp par rapport à la composante F _mt sur les deux premiers tiers de la course. Or la force F _mp est indépendante de la position et dépend seulement de la force magnétomotrice, telle que donnée par l'équation (2). À l'approche du bout de la course à gauche, la force F _mt devient significative et s'ajoute à la force F _{mp .} La force résultante F _m croit alors rapidement et non linéairement près du bout de la course.

Lorsque le courant / dépasse 100 %l _n , la fraction de la force magnétomotrice <¾ soustraite devient supérieure à celle provenant de l'aimant £ _a aux entrefers bornant le noyau plongeur 7 situé à droite. La résultante de la force magnétomotrice n'est plus nulle et progresse maintenant en augmentant négativement. Il réapparaît alors une force d'attraction sur le noyau plongeur 7 situé à droite qui lutte contre celui situé à gauche. Cela a comme conséquence de limiter la croissance de la force sur l'assemblage mobile. Dans le présent mode de réalisation, la force F _m est donc optimale pour un courant l='\ 00%l _n.

L'expression et la simulation des forces ont jusqu'à présent été formulées en absence de saturation dans le noyau magnétique. Dans la réalité, la magnétisation du matériau ferromagnétique qui compose le noyau fixe et les noyaux plongeurs 7 atteint la saturation lorsque le champ magnétique devient élevé. La géométrie doit donc être ajustée pour éviter la saturation, si l'on veut conserver le profil non linéaire de la force des traits interrompus 10 et 11 de la figure 4, dans certains modes de réalisation. Dans d’autres modes de réalisations, le profil non linéaire de la force exercée sur l'assemblage mobile est linéarisé en ajustant la géométrie pour causer de la saturation magnétique dans certaines zones prédéterminées afin d'obtenir une force relativement constante tout au long de la course l£c£{M-l) pour un courant l='\00%l _n. En utilisant cette fois-ci une courbe d'aimantation non linéaire représentative du comportement d'une tôle magnétique au fer-silicium, la simulation a été relancée avec un courant l='\ 00%l _n. À partir d'une série de simulations, la largeur w de l'aimant et le ratio de l’épaisseur p à la base du chapeau 9 par rapport à la largeur e, (p/e), ont été ajustés pour provoquer de la saturation magnétique dans les régions 13 et 14 dès que le noyau plongeur 7 de droite atteint les deux tiers de la course, là où force F _mp devient significative et s'ajoute à la force F _mp , jusqu'à l'obtention du profil relativement constant montré par le trait continu 15 dans la figure 4. La saturation dans la région 14 atténue aussi le profil de la force en bouts de course pour un courant 1=0, tel que montré par le trait continu 16. L'amplitude de cette force en bout de course correspond à une force de maintien significative par comparaison à la force produite pour un courant l='\ 00%l _n. Avec ce circuit magnétique, l'actionneur du présent mode de réalisation possède l'avantage, en plus d'être bistable, de produire une force d'actionnement relativement constante tout le long de sa course.

Un actionneur a été construit avec la géométrie du circuit magnétique non linéaire issu de la simulation numérique. Cet actionneur a ensuite été installé sur un banc d'essai dans un laboratoire pour mesurer la force produite selon la position pour des niveaux de courant / dans les bobines variant de -125% à +125% du courant nominal l _n avec un incrément de 25%. La figure 5 montre les profils de la force F _m mesuré en fonction de la position x pour l£c£{M-l) et pour chaque niveau de courant / injecté. Les courbes montrent la distorsion progressive obtenue sur la balance des forces en augmentant progressivement le courant / dans les bobines pour les deux polarités. L'augmentation progressive du courant / déplace le point d'équilibre des forces sur l'axe de la course jusqu'à octroyer la balance des forces à un seul noyau plongeur 7 sur toute la course dès que le courant / dépasse environ 50% du courant nominal /„, la polarité du courant déterminant le noyau plongeur qui l'obtient. Le profil de la courbe de la force Fm mesuré pour un courant /=100%/n confirme la courbe 15 de la figure 4. Dans le présent mode de réalisation, la balance des forces octroyée au noyau plongeur 7 ciblé demeure donc relativement constante tout le long la course par l'effet de la saturation magnétique dans les régions 13 et 14. Les mesures montrent que cette balance relativement constante des forces est maintenue pour un courant / située dans une bande bornée par 100 %l _n et 125%/ _n . Pour un courant / situé dans la bande, les entrefers bornant le noyau plongeur 7 où la force magnétomotrice des bobines se soustrait à celle des aimants englobent une énergie négligeable par rapport à celle englobée dans les entrefers bornant le noyau plongeur 7 opposé. Ce déséquilibre d’énergie, à son maximum, produit une force d'attraction sur un noyau plongeur 7 ciblé sans l'opposition d'une force significative du noyau plongeur opposé, et vice et versa, selon la polarité du courant / appliqué. Cette situation maximise la densité de force de l'actionneur avec comme bénéfice de le rendre plus compact. Avec le circuit magnétique de la présente invention, il est donc possible d’induire une force relativement constante sur l'assemblage mobile à n'importe quelle position sur la course, et dans les deux directions par l'inversion de la polarité du courant I, (/=+/-/„).

Avec l'actionneur du présent mode de réalisation, il est possible de contrôler la dynamique du déplacement de l'assemblage mobile de l'actionneur relié sur le contact mobile d'un interrupteur sous vide en asservissant la force de l'actionneur en relation avec des paramètres comme: sa position, la température, sa vitesse, son accélération, et/ou le temps. Dans un mode de réalisation qui est montré à la figure 17, les bobines 5a, 5b de l'actionneur sont branchées par deux commutateurs 58 à une source d'alimentation électrique capable de piloter le courant / injecté dans les bobines 5a, 5b de l'actionneur en relation du mouvement de l'assemblage mobile. Cette source d'alimentation électrique peut être, par exemple montré à la figure 17, un contrôleur 56 relié: au capteur de position 53 pour déterminer en temps réel la position de l'assemblage mobile par rapport à l'assemblage fixe; à un capteur de courant 57 pour déterminer en temps réel le courant /; et à un inverseur CA 54 à semi- conducteurs de puissance combiné à une source de tension CC 55. Selon des instructions qu'il a reçues par une entrée externe 65, le contrôleur 56 pilote l'inverseur CA 54 afin d'imposer l'amplitude et la direction du courant / circulant dans les bobines 5a, 5b de l'actionneur à partir des informations transmises par le capteur de position 53 et le capteur de courant 57. Pour raffiner le pilotage, le mode de réalisation peut en outre comprendre un capteur de température 59 relié au contrôleur 56 pour déterminer en temps réel la température des aimants 4 afin de compenser son influence sur l'aimantation des aimants, et donc, sur la force produite. Malgré qu'il soit possible de calculer la vitesse et l'accélération de l'assemblage mobile en échantillonnant la position en temps réel, on peut raffiner davantage le pilotage dans le mode de réalisation comprenant en outre un capteur de vitesse 60 et/ou un accéléromètre 61 reliés au contrôleur 56 pour déterminer en temps réel la vitesse et/ou l'accélération de l'assemblage mobile par rapport à l'assemblage fixe. Les informations des capteurs transmises régulièrement au contrôleur permettent donc de piloter l’amplitude et la direction du courant / injecté dans les bobines selon les diverses conditions de l'actionneur. Un contrôle dans le temps de l'actionneur peut être effectué en intégrant dans le mode de réalisation un capteur de tension 62 relié au contrôleur 56 pour déterminer en temps réel la tension aux bornes des contacts de l'interrupteur sous vide et un capteur de courant 63 aussi relié au contrôleur 56 pour déterminer en temps réel le courant circulant dans l'interrupteur sous vide afin de synchroniser l'actionnement de l'interrupteur sous vide avec le réseau électrique où il est monté. Le mode de réalisation peut en outre incorporer dans une mémoire digitale un doublon numérique de tout le mécanisme de l'actionneur avec l'interrupteur sous vide, incluant aussi un modèle de l'inverseur électronique de puissance. Le jumeau numérique est mis à jour dans sa base de données avec les données recueillies durant les opérations, par exemple: le niveau d'usure des contacts de l'interrupteur sous vide. Le contrôleur peut utiliser ce doublon numérique et l'historique des actionnements pour optimiser l'opération de l'actionneur avec l'interrupteur sous vide.

Le déplacement de l'assemblage mobile couplé au contact mobile d'un interrupteur sous vide comprend un mode d'actionnement à impact limité en fin de course. L'écartement possible des contacts se situe dans le déplacement l£c£{M-l). La position avec les contacts fermés correspond à x= l+b-s, où b est un déplacement de réserve pour palier à l'usure progressive des contacts de l'interrupteur sous vide après que la période de rodage soit passée, et où a représente la déformation élastique de la structure causée par la force de maintien {1=0). La position c=M-l correspond à l'écart d'ouverture maximum avec l'assemblage mobile appuyée sur la butée. Pour les besoins de la description: les contacts de l'interrupteur sous vide sont initialement fermés et cet état est représenté avec l'assemblage mobile (noyaux plongeurs 7) placée à gauche dans la figure 2. La figure 6 montre l'évolution de quatre paramètres: courant /; force d'actionnement F; vitesse de l'assemblage mobile V\ et la position x, tous en fonction du temps T. Le courant / injecté par l'inverseur CA dans les bobines 5a, 5b est piloté par le contrôleur en relation avec l'information reçu des capteurs. La force magnétique F produite sur l'assemblage mobile le long de son déplacement est montrée dans la figure 7. Les six instants To à T5 indiqués dans la figure 6 sont reportés à la figure 7. Le pilotage de l'actionneur relié au contact mobile à l'interrupteur sous vide se déroule comme suit.

À l'instant T = To, le courant 1=0, et une force négative est appliquée sur l'assemblage mobile par la balance des forces appartenant au noyau plongeur 7 situé à droite dans la figure 2. Cette force négative s'ajoute à la force de rappel de l'interrupteur sous vide pour produire la force de maintien. À cet instant, le contrôleur pilote l'inverseur CA pour imposer un courant l='\ 00%l _n dans les bobines 5a, 5b et transférer la balance des forces au noyau plongeur 7 situé à gauche dans la figure 2. La montée du courant / n'est pas instantanée. La réactance propre des bobines 5 oppose une tension contre- électromotrice à l'inverseur CA qui affecte le taux de variation du courant /. La force F exercée sur l'assemblage mobile s'inverse pour atteindre l'amplitude positive correspondant au point Ti référencé sur la figure 7 au moment où le courant / atteint 100 %/„. La force F générée par l'actionneur s'oppose et surpasse maintenant la force de rappel. La résultante de la force accélère alors la masse mobile comprenant le mécanisme de l'actionneur et le contact mobile. L'assemblage mobile acquiert de la vitesse et elle progresse rapidement vers l'extrémité droite de la course dans la figure 2. Pendant la progression, la force F reste pratiquement constante, telle que montrée à la figure 7 par le trait continu tracé entre les points Ti et T ₂ sur une portion du trait interrompu correspondant au profil de force pour un courant l='\ 00%l _n. Rendue à l'instant T ₂ , l'assemblage mobile a atteint une position proche de la mi-parcours. Cet instant, déterminé par le contrôleur, correspond à une condition où la décélération doit être entamée afin d'arriver en bout de course avec douceur. Le contrôleur pilote alors avec l'inverseur CA un changement de polarité du courant /=-100%/,, pour transférer la balance des forces au noyau plongeur 7 situé à droite. Pendant la transition, l'assemblage mobile continue néanmoins sa progression. À l'instant T ₃ , le courant /=- 100 %/„ et soumet maintenant la masse mobile à une force négative de décélération combinée à la force de rappel. Pendant la décélération, la force négative appliquée sur l'assemblage mobile reste pratiquement constante, telle que montrée à la figure 7 par le trait continu tracé entre les instants T ₃ et T ₄ sur une portion du trait interrompu correspondant au profil de force pour un courant /—100%/n. Une part majeure de l'énergie cinétique acquise à l'accélération est alors retournée sous forme d'énergie électrique à la source de tension CC par l'entremise de l'inverseur CA. À l'instant T ₄ , la masse mobile approche de la fin de sa course et elle a presque perdu toute sa vitesse. Le contrôleur pilote l'inverseur CA à cet instant pour forcer le courant / à descendre à zéro au moment où la position atteint le point de butée c=M-l avec une vitesse presque nulle. Cette condition est atteinte à l'instant T _5. Lorsque le courant / est ramené à zéro {1=0), la balance des forces est alors redonnée au noyau plongeur 7 situé à gauche pour contrer la force de rappel et maintenir les contacts ouverts. Grâce à ces moyens, l'ouverture des contacts d'un interrupteur à vide s'effectue sans dépasser l'écart prescrit lors de l'atteinte du bout de la course et sans produire de rebond. Ce mode d'actionnement permet, entre autres, d'atténuer l'impulsion de mouvement appliqué sur le soufflet. Lorsque l'actionnement de l'interrupteur sous vide est opéré dans un réseau électrique énergisé, l'instant To du déclenchement de l'ouverture peut être décidé avec une avance prédéterminée sur le prochain passage par zéro de l'alternance du courant CA circulant dans l'interrupteur sous vide pour limiter la durée de l'arc entre les contacts.

Le même mode de pilotage s'applique aussi pour provoquer la fermeture des contacts en inversant la polarité dans la séquence du courant / piloté. Ce mode, montré à la figure 8, est cependant différent de celui de la figure 6 en ce qu'à l'instant T ₄ , le contrôleur pilote l'inverseur CA pour injecter un courant /=- 100%/n afin de presser avec le maximum de force sur les contacts dès l'instant où ils se rejoignent, plutôt que de presser uniquement avec la force de maintien produite par les aimants. Ce maximum de force permet de contrecarrer la force de répulsion produite au passage d'une surintensité de courant de courte durée. L’assemblage mobile de l'actionneur atteint alors la position c=l+b -s-r, où p représente la déformation supplémentaire associée à l'écart entre la force au courant / et la force de maintien au courant 1=0. Une fois la surintensité passée, le courant / est piloté pour le ramener graduellement à zéro entre les instants Te et 7>, et ainsi laisser la place à la force de maintien produite par les aimants. L’assemblage mobile de l'actionneur retourne alors à la position de maintien c=l+b-s. Lorsque l'actionnement de l'interrupteur sous vide est opéré dans un réseau électrique énergisé, l'instant To du déclenchement de la fermeture peut être décidé par le contrôleur pour synchroniser l'instant T ₄ avec un passage par zéro de l'alternance de tension AC présente aux bornes de l'interrupteur sous vide. Cette synchronisation contribue à limiter la surintensité du courant circulant dans l'interrupteur sous vide au moment de la fermeture des contacts.

Comme on peut l’apprécier, la tenue diélectrique entre les contacts de l'interrupteur sous vide descend sous le seuil de la moyenne tension sur le dernier tiers de la course. Il y aura l'amorce d'un arc si l'onde de tension surpasse la tenue diélectrique avant que les contacts se rejoignent. On peut cependant restreindre l'amorce d'un arc à quelques degrés électriques autour du passage par zéro si le dernier tiers de la course s'effectue à une vitesse moyenne prédéterminée. Cette vitesse prescrite assure alors une tenue diélectrique supérieure tout le long du rapprochement pendant la descente de l'onde de tension qui précède son passage par zéro. Il est alors possible que le mode de fermeture à impact limité ne puisse satisfaire cette vitesse. Le cas échéant, l'actionneur du présent mode de réalisation offre une alternative pour la fermeture. Le second mode de fermeture consiste à retarder l'instant T2 pour augmenter la vitesse moyenne sur le dernier tiers de la course jusqu'à la valeur requise. Agir ainsi produit inévitablement un impact sur le contact en bout de course. Ce second mode possède néanmoins l'avantage de limiter l'énergie à l'impact, en plus de maîtriser les rebonds. La figure 9 illustre ce mode. D'abord, malgré qu'il y ait un impact, celui-ci se produit à énergie minimum puisque le dernier tiers de la course s'effectue uniquement en décélération. La décélération enlève de l'énergie cinétique à l’assemblage mobile en retournant cette énergie à la source de tension CC de l'inverseur CA. L'impact se produit donc à une énergie cinétique réduite. Ensuite, il est possible de limiter les rebonds, voir même les éviter, en agissant sur la manière dont l'actionneur est piloté. Dès que l'impact survient, une partie de l'énergie cinétique de la masse mobile s'emmagasine en énergie potentielle dans une déformation élastique de la structure. C'est une restitution de cette énergie potentielle en énergie cinétique à l’assemblage mobile et dans la direction opposée qui peut créer le rebond. Dans le présent mode, le rebond est contré en pilotant le courant / à l'instant T ₄ pour inverser la force afin d'appliquer une force de pression à l'instant T _5. L'instant T ₅ est déterminé pour qu'il coïncide avec le moment où la déformation élastique atteint son maximum. L'amplitude du courant / à T5, et donc de la force de maintien, est ajustée pour opposer une force égale à la force générée par la déformation élastique. L'ajout de cette force, à ce moment précis, permet de retenir la déformation élastique et ainsi limiter la restitution d'énergie qui favorise le rebond. La force est maintenue jusqu'à l'instant Te, le temps que le système se stabilise. La force est ensuite doucement ramenée à la force de maintien produite par les aimants à l'instant 7>, en ramenant le courant / à zéro.

L'actionneur du présent mode de réalisation comprend en outre un mode d'actionnement pour débloquer l’assemblage mobile lorsque du givre s'accumule dans ses interstices, ou pour casser un point de soudure qui s'est formée entre les contacts. La figure 10 montre l'évolution dans le temps de la force produite par l'actionneur lorsque le courant / injecté dans les bobines de l'actionneur comporte une composante alternative d'une fréquence donnée. Ce courant / peut être généré par l'inverseur CA en ajoutant à la consigne de courant / un signal alternatif temporel. L'actionneur produit alors une force constante additionnée d'une composante oscillatoire qui cause la vibration de la partie mobile afin de la débloquer.

L'actionneur du présent mode de réalisation comprend en outre un mode dynamique pour contrer des oscillations mécaniques dans la structure. En réaction à une oscillation provoquée par exemple lors de l'impact à la fermeture des contacts d'un interrupteur sous vide, le contrôleur peut injecter avec l'inverseur CA, en plus du courant / d'actionnement, une composante de courant / oscillatoire dont l'amplitude et la phase sont ajustées pour produire une onde de force qui supprime ladite oscillation.

L'actionneur du présent mode de réalisation comprend en outre un mode d'actionnement pour basculer la partie mobile à partir d'une source auxiliaire dans l'éventualité de la défaillance de l'inverseur CA et/ou de son contrôleur. Comme illustré dans la figure 17, l'actionneur peut comprendre une commande externe 66 pour débrancher avec les commutateurs 58 l'inverseur CA en défaut et permettre le branchement d'un condensateur C préalablement chargé à une tension V _c par un chargeur 64. Le branchement soudain du condensateur C sur les bobines 5a, 5b provoque le transfert son énergie potentielle, ½CV _c ² , à l'inductance propre L des bobines 5a, 5b de l'actionneur qui emmagasine cette énergie dans le circuit magnétique avec un courant / = JC/L V _c. Une fois le condensateur déchargé, une diode 65 placée en antiparallèle à ses bornes prend le relais du courant / circulant dans les bobines 5a, 5b. Ce courant / s'essouffle ensuite graduellement par échauffement Joule. La montée suivie de l'essoufflement du courant / assure le basculement de la partie mobile. Ce mode peut être requis, par exemple, pour forcer la fermeture d'un interrupteur sous vide dans un module de commutation monté sur une ligne de transport d'électricité à multifaisceaux.

Les figures 11 , 12, 13, 14, 15 et 16 montrent un actionneur tel que décrit ci-dessus, selon un mode d'assemblage.

Les figures 11 et 12 montrent l’assemblage fixe 50 comprenant les noyaux fixes 2 et 3, les aimants 4 et les bobines 5a, 5b du circuit magnétique montrés dans la figure 1. Les noyaux fixes 2 et 3 comportent des orifices 17 pour permettre le passage de tiges d'encrage 18 afin de retenir les noyaux avec les supports 19. Ces orifices sont pratiqués dans les régions des noyaux fixes de manière à ne pas perturber la circulation du flux. Des tiges de guidage 20 sont placées de part et d'autre de l'assemblage fixe et sont fixées sur des supports 21 qui eux sont fixés aux supports 19. Ces tiges 20 servent comment un élément de guidage pour coopérer avec un élément de guidage dans l’assemblage mobile pour permettre une course de l’assemblage mobile entre une première et une seconde position stable. Les supports 19 sont pourvus d'une fenêtre pour dégager les têtes 22 des bobines 5a, 5b. Les deux bobines 5a, 5b sont électriquement branchées en série par le raccord 33. L'ensemble des deux bobines peut être raccordé à une source d'alimentation capable de générer un courant contrôlé, comme un inverseur, par l'entremise des deux terminaux 34 et 35. Dans le présent mode de réalisation, les supports 19 et 21 sont composés d'un matériau qui est non magnétique, rigidement fort et de faible densité massique. Les faces latérales des noyaux 2 et 3 sont recouvertes d'un mince coussinet en chouchou 23 d'une épaisseur l.

Les figures 13 et 14 montrent l’assemblage mobile 52 comprenant les noyaux plongeurs 7 de la figure 1. Chaque noyau plongeur 7 est solidement supporté par un moyen d’ancrage 24 sur un support 25. Les supports 25 sont maintenus en opposition avec un écart prédéterminé par les supports 26 pour faire le pont entre les paires de noyaux plongeurs 7 localisés aux extrémités. L'espace entre les supports 26 permet l'insertion de l'assemblage fixe tout en conservant un dégagement afin de permettre le mouvement. Dans le présent mode de réalisation, les supports 25 et 26 sont composés d'un matériau qui est non magnétique, rigidement fort et de faible densité massique. Chaque support 25 contient des paliers à glissement 27 servant comme un élément de guidage pour coopérer avec l’élément de guidage de l’assemblage fixe 50. Dans le présent mode de réalisation, chaque palier à glissement 27 est destiné à recevoir une tige de guidage 20 sur laquelle il peut glisser librement avec un minimum de friction. Un des deux supports 25 comprend un bras 28 retenu à sa base entre deux roulements à billes 29 encastrés dans le support 25 correspondant. Par l'action des deux roulements à billes 29, le bras 28 est libre de pivoter sur son axe. Le bras 28 se fixe sur la charge à déplacer avec l'adaptateur 30. Dans le présent mode de réalisation, la charge à déplacer est le contact mobile d'un interrupteur sous vide, mais il est apprécié que d’autres charges sont possibles. Le mouvement libre de pivoter du bras 28 assure qu'aucune contrainte de rotation ne soit appliquée sur le soufflet de l'interrupteur sous vide. L'adaptateur 30 est monté et retenu sur le bras 28 par deux attaches 31 placées de chaque côté. Alternativement, l'adaptateur 30 peut être directement coincé sur l'axe du bras 28 par les deux attaches 31 , ou indirectement par l'entremise d'un ressort à friction 32. L'ajout du ressort à friction 32, constitué dans le cas montré d'un empilement parallèle/série de rondelles de Belleville, permet de découpler une partie de la masse mobile de l'actionneur du contact mobile de l'interrupteur sous vide en comprimant le ressort à friction sur l'adaptateur 30 lorsque le bras 28 pousse sur l'adaptateur 30. La nature à friction du ressort à friction 32 sert à empêcher le mouvement oscillatoire du contact mobile après un impact avec le contact fixe pour éviter le rebond.

Les figures 15 et 16 montrent l’assemblage mobile assemblé avec l’assemblage fixe. Chaque tige de guidage 20 peut glisser sur un palier à glissement 23 pour permettre un mouvement de va-et-vient des noyaux plongeurs le long de l'axe "x", permettant une course de l’assemblage mobile 52 entre une première position stable où les chapeaux d’une première paire de noyaux-plongeurs 7a sont accotés sur une première face latérale 2a, 3a du noyau de l’actionneur, et une deuxième position stable où les chapeaux d’une deuxième paire de noyaux-plongeurs 7b sont accotés sur une deuxième face latérale 2b, 3b du noyau de l’actionneur opposé à la première face 2a, 3a. Le montage de l'actionneur sur la structure supportant l'interrupteur utilise des moyens d'attache, non montrés, qui se fixent sur les supports 21.

Les modes de réalisation décrits dans ce qui précède est à titre d'exemple et est non limitatif. Il est à la portée de l'homme de l'art d'apporter des modifications et des variantes aux modes de réalisation décrits sans pour autant sortir du cadre de l’invention.