Brevet FR2334990A1 — publié le 19770708

La présente invention concerne un dispositif à vanne de com urculue directionnelle, à grande vitesse, destiné à nn dispositif qui impose un fonctionnement à grande vitesse, par exemple un dispositif de commande d'un disjoncteur de puissance. Il existe déjd différentes réalisations de dispositifs à vannes de commande directionnelle destinés à commander la circulation d'un fluide sous pression, par exemple de l'huile sous pression ou de l'air comprimé , et qui actionnent directement ou indirectement un piston dans un cylindre de travail. En général, la commande de cette vanne de commande directionnelle est assurée par une unité de commande électromagnétique qui consiste en un électro-aimant et en une culasse agencée de manière à être attirée quand ltélectro- aimant est excité. Mais ce procédé de commande électromagntique nécessite une longue durée, de plusieurs dizaines à- plusieurs centaines de millisecondes, entre la réception d'une instruction de cormande et l'aiguillage de la circulation du fluide sous l'effet du fonctionnement de la vanne de commande directionnelle. Par ailleurs, dans certains dispositifs comme par exemple un disjoncteur de puissance, il est nécessaire d t interrompre un courant anormal en une ou deux périodes, soit 20 à 40 millisecondes, dans le cas de la fréquence commerciale de 50 Hz après la réception d'une impulsion de commande. Pour que le disjoncteur effectue la coupure dans cette pério- de, le dispositif de commande du disjoncteur doit actionner un contacteur dans une période dtinterruption, une à six millisecondes après l'instruction. En général, le dispositif de commande est un dispositif à fluide sous pression, consistant en un cylindre et un piston. Etant donné qu'une force de plusieurs tonnes, dix tonnes et plus, est nécessaire à la sortie du dispositif de commande, une vanne principale remplissant une fonction d'amplification est disposée entre la vanne de commande directionnelle et le dispositif de commande à fluide sous pression. il y a donc lieu de tenir compte du retard au fonctionnement de la vanne principale.Le fonc- tionnement de la vanne de commande directionnelle doit être déclenché 0,2 milliseconde après la réception de l'impulsion dtinstrac- tion d'ouverture et se terminer en une ou deux millisecondes. Mais avec une unité de commande électromagnétique constituée par un électro-aimant et une culasse, il est difficile d'actionner la vanne de commande directionnelle dans la très courte période indi quée ci-dessus. A cet égard, un procédé est connu selon lequel une unité de commande électromagnétique consistant en un aimant permanent et une bobine d'entratnement est utilisée à la place de l'unité électromagnétique constituée par un électro-aimant et une culasse. Mais ce procédé présente des inconvénients qui sont indiques ci-après. L'unité de commande électromagnétique et la partie de vanne de commande directionnelle destinée à commander la circulation du fluide sont réalises individuellement, et sont ensuite assemblées de manière à être juxtaposées dans la direction axiale. L'alignement entre ces deux éléments doit donc être effectué sur le coté des surfaces de combinaison, et il est estrêmement difficile. En outre, les dimensions du dispositif sont importantes. Par ailleurs, étant donné que la bobine d'entratnement cylindrique est montée à une extrémité d'un tiroir de maniera i se trouver sur le c8té opposé, le centre de gravité de la bobine se trouve dans une position éloignée de la partie support du tiroir, la charge excentrique qui s'applique sur le tiroir est importante et il est difficile de former ut5 film d'huile sur la partie support.Pour cette raison, le. mouvement régulier de la bobine est gné et l'effet de commande directionnelle à grande vitesse, qui est le but de ce dispositif, ne peut être obtena de façon satisfaisante. L'invention a donc pour obJet d'éliminer les inconvénients de la technique antérieure et de proposer un dispositif A vanne de commande directionnelle à grande vitesse, de petites dimensions, qui facilite l'alignement entre l'unit de commande électromagné- tique et la partie de vanne de commande directionnelle, tout en permettant un mouvement régulier du tiroir. A cet effet, et selon l'invention, une partie de vanne de commande directionnelle est disposée à l'intérieur d'une unité de commande électromagnétique et l'axe de cette partie de vanne de commande directionnelle est concentrique avec la bobine d!entrstne- ment de l'unité de commande électromagnétique. Il est préférable, pour la mise en oeuvre de l'invention, que la bobine d'entratnement cylindrique qui constitue l'unité de commande électromagnétique et un porte-bobine qui supporte l'enroulement ne soient maintenus que par un accouplement mécanique avec la partie de vanne de commande directionnelle, de manière que la force d'entratnement développée par l'unité de commande électro- magnétique agisse de façon sûre sur la vanne. Le circuit magnétique intérieur de l'unité de commande électro magnétique est réalisé de manière à être cylindrique, de manière qu' puisse recevoir facilement la partie de vanne de commande directionnelle en son intérieur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs la figure t est une coupe verticale d'un mode de réalisation d'un dispositif à vanne de commande directionnelle à grande vitesse selon l'invention, destiné à la commande d'un disjoncteur de puissance la figure 2 est une coupe verticale d'un mode de réalisation d'un dispositif de vanne de commande directionnelle à grande vitesse selon l'invention, la figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne TII-I" de la figure 2, la figure 4 est une coupe verticale montrant un exemple de partie de vanne de commande directionnelle, la figure 5 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisation d'un dispositif à vanne de commande directionnelle selon l'invention, la figure 6 est une coupe transversale suivant la ligne VI-VI de la figure 5, la figure 7 est une coupe verticale dlun autre mode encore de réalisation d'un dispositif à vanne de commande directionnelle selon l'invention, la figure 8 est une coupe transversale suivant la ligne VIII VIII de la figure 7, les figures 9 et 10 sont des coupes verticales de différents exemples de partie de vanne de commande directionnelle, et les figures llA à IID sont des courbes caractéristiques-com- paratives du déplacement en fonction du temps du dispositif de commande de disjoncteur de puissance comportant le dispositif à vanne de commande directionnelle selon 1tinvention et un dispositif a vanne de commande directionnelle de type antérieur. La figure 1 représente donc un dispositif de commande utilisant de l'huile sous pression comme fluide de commande. il comporte un dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse selon l'invention, qui fonctionne très rapidement à la réception d'une instruction électrique d'ouverture, un dispositif 20Q à vanne de commande principale actionné par le dispositif à vanne de commande directionnelle à grande vitesse, un dispositif de commande 300 à cylindre et piston animés d'un mouvement alternatif entre une position et une autre par le dispositif i vanne de commande principale, et un disjoncteur 400 qui est ouvert ou fermé par le dispositif 300. Le dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse sera décrit en détails en regard de la figure 2, etc... le dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse sera d'abord décrit en regard d'un mode de réalisation consistant en un dispositif à trois voies, et deux positions. Le circuit magnétique de l'unité 110 de commande électromagnetique est constitué par des culasses cylindriques 112 aux deux extrémités d'un aimant permanent 111 et par un paie cylindrique 113. Un enroulement cylindrique tte, bobiné autour d'une bobine 115 est disposé dans un entrefer g entre un pôle magnétique cylindrique tt3A formé à une extrémité du pôle 113 et un pdle magnétique cylindrique 112A sur le caté de La culasse 112 qui lui est opposé. Un manchon 117 dans lequel est introduit un tiroir 116, est maintenu à l'intérieur du pale 113. Le tiroir 116 est fixé à un bossage support 115A de la bobine 115, au moyen d'une vis 118. De préférence, l'un au moins du manchon 117 et du tiroir 116 est réalisé en une substance non magnétique de manière que le mou- vement régulier du tiroir 116 ne soit pas geA par l'influence du flux magnétique du pale 113 Le manchon t17 contient des chambres 119, 120 et 121 à fluide sous pression. Ces chambres communiquent avec des réservoirs à fluide 125, 126 et 127 par des canaux 122, 123 et 124. Les réservoirs 125, 126 et 127 communiquent avec des orifices 131, etc..., par des canaux 128, 129 et 130 dans le manchon 117, (les orifices auxquels aboutissent les canaux 129 et t30 ne sont pas représentés). Dans les dispositifs à vanne classiques, le manchon est enfermé dans un corps de vanne, tandis que dans le présent mode de réalisation, le pôle 113 de l'unité 110 de commande électromagnétique remplit gaiement la fonction de corps de vanne. Dans le dispositif à vanne ainsi réalisé, à titre d'exemple, le fluide sous pression est amené à l'orifice relié au réservoir 127, une charge est branchée sur l'orifice relié an réservoir 126 et un réservoir d'évacuation d'huile est branché sur l'orifice 131 relié au réservoir 125. Par conséquent, dans le cas où le tiroir 116 et le manchon 117 se trouvent dans les positions relatives représentées sur la figure 2, le fluide sous pression provenant du réservoir 127 passe par le canal t24 jusque dans la chambre 12t. il passe sur la cloison 136, dans la chambre t20, le canal tZ3, le réservoir t26 et le canal 129 et il aboutit à la charge La chambre 119 communique avec le réservoir d'évacuation d'huile par le canal 122, le réservoir t25, le canal 128 et ltori- fice 131, et elle est maintenue à l'état de faible pression Il sera maintenant supposé qu'un courant circule dans l'enrou- lement 114 sous l'effet d'une instruction de changement d'état. La bobine 115 est soumise à une force vers la gauche due à l'ac- tion électromagnétique, ce qui déplace le tiroir 116 accouplé avec la bobine. Les positions relatives du tiroir 116 et du manchon 117 changent et passent à l'état représenté sur la figure 4. Autrement dit, puisque le tiroir 116 s'est déplacé vers la gauche, la face de droite de la soupape 132 s'écarte do siège 134 de sorte que la partie 135 s'ouvre, tandis que la face de gauche de la cloison 136 se trouve sur le siège 137 et ferme l'ouverture 133. Par conséquent, le fluide sous pression de la chambre 121 est enfermé en raison de la fermeture de la partie 135. Par ailleurs, le fluide sous pression du coté de la charge est évacué vers le réservoir d'évacuation d'huile, par l'ouverture de Ia soupape 32. Sur les figures, les références t39 et 140 désignent des couvercles, les références 14t et 142 des flasques, la référence t43 l'âne du tiroir 116, la référence 144 un joint torique, et les références t4f, 146 et t47 désignent des boulons. Dans ce mode de réalisation, la partie de vanne de commande directonnelle est disposée à l'intérieur de l'unité de commande électromagnétique et elle est réalisée avec elle. Par conséquent, l'alignement entre les deux éléments de l'ensemble peut être effectué par le même côté ouvert, et il est très facile. En outre, la bobine d'entralnement 114 fixée à une extrémité du tiroir 116 se trouve du même caté que ce tiroir. Par eonswquent, le centre de gravité de l'enroulement t14 se trouve dans le voisinage de la partie support du tiroir 116, de sorte que la charge excentrique sur le tiroir est considérablement réduite, et le mouvement du tiroir est régulier.En outre, la partie de vanne de commande directionnelle est disposée à l'intérieur de l'unité de commande électromagnétique et par conséquent, sa dimension dans la direction axiale est raccourcie, et le pâle 113 remplit également la fonction de corps de vanne, de sorte que la structure est simplifiée et les dimensions sont réduites. Ce mode de réalisation a été décrit dans son application à un dispositif à vanne de commande directionnelle à deux positions et trois orifices. Bien entendu, ltinvention n1 est pas limitée à cette disposition et s'applique à des dispositifs à vannes de commande directionnelle de tous types, par exemple du type à deux positions et deux orifices pour les canaux t52 et 154 de la figure tO, et du type à trois positions, quatre orifices, non représenté. La figure 9 montre que la cloison 136 de la figure 4 peut être réalisée sous la forme d'une soupape 136', dans le cas d'une vanne à deux positions et trois orifices Les figures 5 et 6 illustrent un autre mode de réalisation de l'invention, appliqué à un dispositif à vanne de commande directionnelle à deux positions, trois voies comme dans le précédent mode de réalisation. Ce mode de réalisation est pratiquement semblable au précédent. Une différence réside dans le fait que les canaux 128, 129 et 130 qui font communiquer les réservoirs 125, 126 et 127 et les orifices correspondants (dont seuls les arifices t31 et 148 sont repre- sentes) sont prévus dans le pale lut3. Le fonctionnement est similaire à celui dn précédent mode de réalisation et nta donc pas à entre expliqué à nouveau. Le mode de réalisation des figures 7 et 8 diffère de celui des figures 2 et 3, en ce que, pour exciter le pale 113, la culasse 112, etc.., de l'unité 110 de commande électromagnétique, un enroulement 160 remplace l'aimant permanent. Par ailleurs, ce mode de réalisation est semblable au précédent et n'a pas à être décrit en détails. Le dispositif de commande de disjoncteur de puissance dont fait partie le dispositif 100 de vanne de commande directionnelle à grande vitesse selon l'invention sera maintenant décrit en regard de la figure t. La vanne de commande principale 200 qui est entratnée par le dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse, est constituée par un corps 201, un manchon 2Q3 dans le corps 201, un tiroir 205 introduit dans le manchon 203 et un couvercle de fermeture 207. Le manchon 203 et le tiroir 205 sont réalisés à peu près de la meme manière que celui du dispositif 100. Une soupape 209, une cloison 21t, des chambres 215, 2t7, etc.., sont réalisées sons de plus grandes dimensions. Ainsi, la vanne 200 remplit la fonction d'une vanne amplificatrice. La référence 219 désigne une chambre de liquide pilote sous pression, prévue à l'extrémité droite de la cloison 211 et qui com mutique avec une partie de commande de fermeture de disjoncteur, non représentée, par un orifice 225. Une chambre 213 de liquide pilote sous pression est prévue à ILganche de la soupape 209, et communique avec la chambre t20 du dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse. Campe cela apparaltra par la suite un fluide à haute pression exerce normalement sa force dans la chambre 217. Le fluide à haute pression communique avec la chambre 121 du dispositif 100, par l'intermédiaire d'un canal 221. La chambre 218 de la soupape 209 communique avec l'orifice 223 d'évacuation d'huile. Le dispositif de con-nde 300 à.cylindre et piston, qui est commandé par la vanne principale 200, comporte un corps de cylindre 30t, un piston 303 ajusté dans le cylindre et une tige de piston 305 isolante de l'électricité et accouplant mécaniquement le piston 303 avec le disjoncteur oo. Des parties 307 et 309 en saillie conique sont prévues sur les deux faces du piston 303 afin de l'amortir aux extrémités de sa course. La référence 315 désigne un joint disposé sur le piston 303. Les références 317 et 319 désignent des chambres à fluide à la gauche du piston 303 et les références 321 et 323, des chambres à fluide à la droite du piston 303. Les chambres 317 et 319 et les chambres 321 et 323 ne communiquent respectivement entre elles que dans un sens, grâce à des clapets 311 et 313. Les clapets 311 et 313 ont pour fonction d'assurer I'amortissement du piston 303 tout en maintenant Inaction du fluide sous pression sur lui. La chambre 317 communique avec la chambre 215 de la vanne de commande principale 200, par un canal 325. La chambre 323 commu- nique avec une source de pression, non représentée, par I l'inter- médiaire dtun canal 327. Le canal 327 communique également avec la chambre 217 de la vanne de commande principale 200 et fournit le fluide sous pression. La position représentée sur la figure 1 est celle dans laquelle le disjoncteur 400 est fermé. Dans cette position, le fluide sous pression provenant du canal 327 agit sur les deux faces du piston 303. Le fluide agit également sur la chambre 213 de la soupape 209 et maintient la position illustrée. Si l'ordre d'ouverture du disjoncteur 400 est donné à l'enrou- lement t14 du dispositif 100 à vanne de commande directionnelle à grande vitesse, le tiroir t16 se déplace de la manière précédem- ment décrite. Le fluide sous pression de la chambre 120 est donc évacué et le fluide sous pression de la chambre 213 de la soupape 209 de la vanne principale 200 est également évacué de sorte qne la soupape 209 se déplace vers la gauche, vue sur la figure. Par conséquent, la fourniture de fluide sous pression à la chambre 215 est interrompue par la cloison 211 du tiroir 205, et le fluide sous pression de la chambre 209i ainsi que le fluide sous pression de la chambre 317 dans le cylindre 300 sont évacués vers l'orifice de décharge, par l'ouverture de la soupape 209. La pression diminue donc dans la chambre 317 à la gauche du piston 303, de sorte que ce dernier est rapidement entraSné vers la gauche, vue sur la figure, et ouvre le disjoncteur 400. Les figures tlA à lin permettent de comparer les caractéris- tiques de fonctionnement d'un dispositif à vanne de commande directionnelle à grande vitesse de type antérieur, comprenant une unité de commande électromagnétiqire et une vanne de commande sépa- rée, dans la direction axiale, avec le dispositif à vanne de commande dire-ctionnelle à grande vitesse selon l'invention. Les traits pleins représentent les caractéristiques du dispositif selon l'invention et les traits pointillés ceux du dispositif antérieur. Quand l 'ordre d'ouserture est donné à l'instant to le courant dans ltenroulement t14 circule, comme représente par 1m1 Selon l'invention, le déplacement du tiroir 116 du dispositif à vanne de commande directionnelle à grande vitesse commence à l'ins- tant t1 et la course complète est franchie à l'instant t6. Dans le dispositif antérieur, le mouvement commence à l'instant t2 et le course complète est franchie à l'instant t. Ceci implique un long retard. as différences apparaissent donc également dans le déplacement D de la vanne de commande principale 200 et le déplacement D du dispositif 300 à piston et cylindre. Une différence de Sp temps de fonctionnement (tt1-tto) apparatt donc éventueilement. REVENDICATIONS i Dispositif à vanne de commande directionnelle à grande vitesse, caractérisé en ce qu'i} comporte une unité de commande électromagnétique comprenant un premier circuit magnétique dont une estré- mité porte un pole magnétique cylindrique, un second circuit magnétique dont une extrémité forme un circuit magnétique cylindrique opposé et à l'extérieur dudit pile magnétique cylindrique, de ma niera à être concentrique avec lui, et dont l'autre extrémité forme un entrefer couplé magnétiquement avec l'autre extrémité dudit premier circuit magnétique, un dispositif étant prévu pour exciter lesdits premier et second circuits magnétiques et y développer un flux magnétique, un enroulement cylindrique étant disposé dans ledit entrefer et étant entrai'nué par répulsion, sous lteffet de la circulation d'un courant électrique, et un porte-bobine supportant ledit enroulement cylindrique et comportant un bossage support sur l'axe de la partie cylindrique desdits pôles magnétiques, ledit dispositif comportant en outre une partie de vanne de commande directionnelle comprenant un manchon avec plusieurs canaux de circulation de fluide et une vanne de commande directionnelle disposée dans ledit manchon et modifiant la communication desdits canaux sous l'effet de ladite unité de commande électromagnétique, ladite partie de vanne de commande directionnelle étant montée concentriquement dans ladite unité de commande électromagnétique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier circuit magnétique est cylindrique, ladite partie de vanne de commande directionnelle étant logée à l'intérieur du cylindre. 3 - Dispositif selon la revendication t, caractérisé en ce que ledit enroulement cylindrique et ledit porte-bobine sont supportés uniquement par accouplement dudit bossage support dudit porte-bobine avec ladite vanne de commande directionnelle de ladite partie de vanne de commande directionnelle. 4 - Dispositif selon la revendication t, caractérisé en ce que ledit dispositif destiné à exciter lesdits premier et second circuits magnétiques consiste en un aimant permanent dispos dans une partie intermédiaire dudit second circuit magnétique. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit aimant permanent a la forme d'un anneau. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif destiné à exciter lesdits premier et second circuits magnétiques consiste en un enroulement bobiné et disposé entre lesdits premier et second circuits magnétiques. 7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un canal communiquant avec ledit manchon de ladite partie de vanne de commande directionnelle est prévu dans ledit premier circuit magnétique