Brevet FR2515418A1 — publié le 19830429

INTERRUPTEUR A AUTOEXPANSION ET A AIMANT PERMANENT. L'invention est relative à un interrupteur à arc tournant et à autoexpansion comprenant: une enveloppe étanche remplie d'un gaz à rigidité diélec- trique élevée, une chambre divisionnaire à l'intérieur de ladite enve- loppe, une paire de contacts logés dans ladite chambre division- naire et ayant des électrodes annulaires de contact formant des pistes de rotation dudit arc, un logement, ménagé à l'intérieur de l'un des contacts, dans lequel est logé un aimant permanent annulaire dont la face frontale est coiffée par l'une associée desdites élec- trodes annulaires, de façon que l'aimant engendre un soufflage magnétique en rotation de l'arc ancré sur ladite électrode annulaire associée, un conduit d'échappement du gaz de ladite chambre divi- sionnaire s'étendant à travers l'orifice central de l'ai- mant annulaire et de l'électrode annulaire associée. La demande de brevet français NO 80 07904, déposée le 4 avril 1980 par la demanderesse, concerne un interrupteur du genre mentionné comportant soit un aimant permanent pré- sentant sur la face frontale un orifice borgne, soit un aimant permanent annulaire polarisé radialement L'aimant permanent à évidement borgne ne permet pas un double soufflage de l'arc ce qui limite les performances de cet interrupteur à une coupure des courants inférieurs à envi- ron 10000 Ampères L'aimant annulaire permet un échappement des gaz à travers 1 e conduit central et un double soufflage de l'arc, mais les performances de cet interrupteur se sont avérées relativement limitées à une valeur voisine de celle de l'aimant permanent à orifice borgne La présente inven- tion part de la constatation que l'aimant permanent annu- laire n'assure pas toujours un soufflage en rotation efficace de la racine de l'arc, cette dernière ayant tendance à stagner sur les contacts Une étude plus approfondie a montré une fermeture partielle des lignes de force du champ magné- tique sur la face frontale de l'aimant permanent ce qui crée des zones de champ axial vers lesquelles l'arc a ten- dance à se déplacer Dans ces zones à champ axial l'arc n'est soumis à aucune force de rotation et l'interrupteur se comporte comme un simple interrupteur à autoexpansion. La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et de permettre la réalisation d'un interrupteur à aimant permanent de soufflage en rotation de l'arc pré- sentant des performances comparables à celles des interrup- teurs à bobine de soufflage de l'arc. L'interrupteur selon l'invention est caractérisé par le fait que ledit aimant est polarisé axialement pour engen- drer dans la zone, adjacente à l'électrode annulaire asso- ciée d'une part un champ magnétique radial orienté dans la partie centrale dans un sens et dans-l a partie externe dans le sens opposé, et d'autre part un champ magnétique axial aux points de rebroussement séparant lesdites parties centrale et externe, et que l'électrode annulaire opposée à ladite électrode associée est agencée pour que l'arc s'étende en- tre lesdites électrodes annulairesdans ladite partie cen- trale du champ magnétique, ledit interrupteur comportant des moyens pour reporter vers l'extérieur de ladite face frontale lesdits points de rebroussement et éviter tout déplacement de l'arc vers lesdits points de rebroussement. Le champ magnétique engendré par un aimant permanent annu- laire polarisé axialement est représenté en coupe axiale à la figure 1 et on voit que les lignes de force se ferment symétriquement à l'intérieur et à l'extérieur de l'aimant permanent Dans l'exemple, représenté sur la figure 1, les lignes de force sont centripètes dans la partie centrale de l'aimant permanent et centrifuges vers l'extérieur et une zone à lignes de force axiales sépare les lignes de force centrifuges et centripètes Le point de rebrousse- ment correspondant aux lignes de force axiales est disposé sensiblement au milieu de la face polaire de l'aimant per- manent et on comprend que l'arc ait tendance à se déplacer vers cette zone à soufflage magnétique en rotation nul. Selon la présente invention, le point de rebroussement est déplacé vers l'extérieur de la face polaire en une zone in- accessible à l'arc. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, le déplacement du point de rebroussement vers l'extérieur, de îo l'aimant permanent est réalisé par une culasse en forme de virole tubulaire s'étendant dans l'orifice de l'aimant an- nulaire La culasse tubulaire déforme le spectre magnétique en déplaçant le point de rebroussement vers l'extérieur de l'aiment permanent Il ressortira de la description qui va suivre que la présence de la culasse magnétique crée une deuxième zone de champ magnétique à composante axiale impor- tante au droit de la face terminale de la culasse, mais dans cette zone le soufflage pneumatique est maximal et l'extinction de l'arc s'effectue rapidement. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, le diamètre externe de l'aimant permanent est notablement agrandi, de manière à éloigner le point de rebroussement de l'orifice interne de l'aimant. Le contact opposé à l'aimant permanent est avantageusement de forme tubulaire pour constituer un deuxième conduit d'échappement du gaz et un double soufflage de l'arc, le diamètre de la pièce tubulaire correspondant sensiblement au diamètre de l'orifice interne de l'aimant permanent an- nulaire Il est clair que le contact opposé peut également comporter un aimant permanent annulaire de soufflage, l'en- semble étant dans ce cas entièrement symétrique. L'amenée du courant à l'électrode annulaire coiffant l'ai- mant permanent annulaire s'effectue par l'extérieur de l'aimant en vue d'éviter d'une part toute désaimantation de l'aimant permanent de la manière décrite dans le brevet français précité, et en vue d'autre part d'engendrer un effet de centrage de l'arc par effet de boucle D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la des- cription qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale, mon- trant le spectre d'un champ magnétique engendré par un ai- mant permanent annulaire, dans un interrupteur ne donnant pas satisfaction; la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale, illus- trant un interrupteur selon l'invention, en positions fermé et ouvert, respectivement sur les demi-vues de gauche et de droite; la figure 3 est une vue simplifiée d'une variante de réali- sation, selon l'invention, montrant les électrodes et l'ai- mant annulaire. Sur la figure 1, un aimant permanent 10 de forme annulaire est polarisé axialement, la face polaire>,par exemple de polarité nord 1 étant recouverte d'une électrode annulaire de contact 12 En regard de l'électrode annulaire 12 est disposée une électrode annulaire 14 constituée par la face frontale d'une pièce tubulaire de contact 16 Le diamètre de la pièce tubulaire 16 est sensiblement équivalent au diamètre de l'orifice interne 18 de l'aimant permanent 10 disposé coaxialement avec la pièce tubulaire 16 Les lignes de force sont schématiquement représentées sur la figure 1 et comportent des lignes radiales centripètes 20 et des lignes radiales centrifuges 22 dans la zone inter- médiaire entre les électrodes 12, 14 Les lignes radiales centripètes 20 et centrifuges 22 sont séparées symétrique- ment par une zone de lignes axiales 24 correspondant à un point de rebroussement 26 de la face polaire de l'aimant permanent 10 L'ensemble est symétrique et le point de re- broussement 26 ou plus exactement les points de rebrousse- ment 26 sont disposés sur un cercle à égale distance des - cercles internes et externes de l'aimant annulaire 10. Un arc s'étendant entre les électrodes 12 et 14 à tendance à se déplacer vers le point de rebroussement 26 et cet arc représenté en 28,sur la figure 1 stagne en cette position, le champ magnétique n'exerçant aucune force de rotation. Il est clair qu'un interrupteur incorporant un tel disposi- tif présente des performances et de ce fait un intérêt fort limités. La figure 2 représente un interrupteur perfectionné utili- sant les éléments de base représentés sur la figure 1, que l'on reconnaît, en particulier l'aimant permanent annulaire , l'électrode 12 coiffant la face frontale de l'aimant annulaire 10, la pièce tubulaire 16 avec sa face frontale 14 opposée à la face annulaire 12 La pièce tubulaire 16 est montée à coulissement pour venir soit au contact de l'électrode annulaire 12 en position fermée de l'interrup- teur, soit en une position d'écartement, représentée sur la partie droite de la figure 2, en position d'ouverture. L'ensemble aimant permanent 10, électrodes annulaires 12, 14, est logé à l'intérieur d'une chambre 30, constituée par exemple par une enveloppe cylindrique 32, elle-même logée dans une enceinte 34, remplie d'un gaz à rigidité diélec- trique élevée, notamment d'hexafluorure de soufre La pièce tubulaire mobile 16 traverse le fond de la chambre 30 et communique par un orifice latéral 36 avec l'enceinte 34, de manière à créer un conduit d'échappement des gaz de la chambre 30 vers l'enceinte 34 L'életrode annulaire 12, associée à l'aimant permanent 10, est reliée électriquement à un conducteur cylindrique 38 entourant extérieurement l'aimant permanent annulaire 10 et raccordé à un tube de support et d'amenée de courant 40 traversant le fond de la chambre 30 et communiquant par un orifice 42 avec l'enceinte 34 Il est facile de voir que le support tubulaire 40 définit un deuxième conduit 44 d'échappement des gaz de la chambre 30 vers l'enceinte 34, à travers l'aimant 10 et l'électrode annulaire M 2 L'ensemîoe support 4 ỉ, aimant permanent au et electrode annulaire asso- ciée 12, est monté fixe, l'arc étant tiré entre les électrodes 12, 14 lors d'un coulissement vers le bas de la pièce tubulaire 16 L'arc s'étend dans la chambre 30 et d'une manière connue en soi, provoque par échauffement une augmentation de la pression dans cette chambre 30 et un écha pp ement des gaz à travers les conduits d'échappement 36, 44 dans le contact mobile 16 et dans l'ensemble constituant le contact fixe, en l'occurrence l'électrode annulaire 12 et le support 40 L'aimant perma- nent est polarisé axialement en faisant par exemple appa- raitre une face polaire nord en regard de l'électrode annu- laire opposée 14 portée par la pièce tubulaire 16 Une cu- lasse magnétique 46 comporte une virole cylindrique 48 s'étendant dans l'orifice 18 de l'aimant perma- nent 10 en étant accolée au pourtour interne de cet aimant et en affleurant la face frontale de l'aimant 10 La culasse 46 comporte en outre un disque annulaire 50 se rac- cordant à la virole interne 48 et accolé à la face posté- rieure polaire de l'aimant permanent 10 La culasse 46 mo- difie le spectre magnétique de l'aimant permanent 10, re- présenté sur la partie droite de la figure 2, en créant une dissymétrie et un décalage vers l'extérieur de l'aimant permanent 10 du point de rebroussement 52 Les lignes de force centrifuges 54 contournent l'aimant permanent par l'extérieur tandis que les lignes de force centripètes 56 se concentrent vers l'extrémité de la virole 48. L'interrupteur selon la figure 2 fonctionne de la manière suivante: En position fermée de l'interrupteur, représentée sur la partie gauche de la figure 2, le courant passant par le contact mobile 16, les électrodes aboutées 14, 12, le con- ducteur cylindrique 38 et le support 40, n'exerce aucune force de désaimantation sur l'aimant permanent 10 Il con- vient de préciser que la culasse 46 est avantageusement isolée des pièces conductrices du courant ou est agencée pour offrir une résistance notable au passage du courant. En Dosition d'ouverture, représentée sur la partie droite de la figure 2, l'arc s'étendant entre les électrodes 12, 14 peut être considéré comme un nuage conducteur inter- calé entre les électrodes 12, 14 Ce nuage conducteur com- porte trois parties essentielles, en l'occurrence une par- tie centrale soumise à l'action du champ magnétique centri- pète radial 56, une partie externe tendant à se déplacer vers le point de rebroussement 52 et une partie interne an- crée sur le bord interne de l'électrode annulaire 12 Cette dernière partie s'étend dans une zone de champ axial, mais elle est soumise à un soufflage pneumatique intense dû à l'échappement des gaz à travers le conduit d'échappement 44 favorisant une extinction rapide La partie centrale est soumise à un soufflage magnétique dû à la composante radiale importante 56 du champ engendré par l'aimant permanent 10. La partie externe est soumise à une force de centrage s'op- posant au déplacement vers le point de rebroussement 52,- d'une part due à l'effet de soufflage par les gaz s'échap- pant par les conduits d'échappement, et d'autre part par les forces électrodynamiques ou effets de boucle résultant de l'amenée de courant par le pourtour externe de l'élec- trode annulaire 12 L'interrupteur est capable de couper de larges gammes de courant et son pouvoir de coupure est élevé La figure 2 représente le mode de mise en oeuvre préféren- tiel selon l'invention, et il est à noter que le dispositif de soufflage par aimant permanent annulaire à aimantation axiale peut être utilisé en combinaison avec un contact op- posé plein en faisant appel à un soufflage unique D'une manière analogue, il est possible de prévoir deux aimants permanents annulaires-agencés symétriquement et chacun étant associé à l'un des contacts tubulaires La culasse 46 ne comporte pas obligatoirement un disque postérieur 50, seule la concentration des lignes de force dans la zone frontale étant importante Le dispositif de soufflage selon l'invention peut être utilisé en combinaison avec d'autres contacts susceptibles de transférer l'arc sur les élec- trodes annulaires 12, 14 Quoique le dispositif à autoex- pansion soit le plus avantageux, il est possible d'utiliser le soufflage par aimant permanent annulaire avec tout autre système de soufflage, notamment du type à autosoufflage par pistonnage de gaz La forme et la disposition de la culasse 46 peut être différente et le déplacement du point de re- broussement 52 vers une zone éloignée de l'électrode annu- laire opposée 14 peut être réalisé d'une manière différente par exemple illustrée par la figure 3. Sur la figure 3 ne sont représentés que les éléments de l'interrupteur disposés à l'intérieur de la chambre 30, et on reconnait la pièce mobile 16 avec la surface annulaire frontale 14 disposée en face de la partie fixe à support 40 L'aimant permanent annulaire à polarisation axiale, représenté par le repère 58, est un aimant ana- logue à celui portant le repère 10 sur la figure 2, mais à diamètre externe notablement accru Une électrode annu- laire associée 60 coiffe la face polaire de l'aimant 58 en étant reliée électriquement au support 40 par des pièces conductrices 62 entourant l'aimant permanent 58 extérieure- ment De la manière indiquée ci-dessus les gaz comprimés par échauffement dans la chambre 30 peuvent s'échapper par le conduit d'échappement 44 traversant le trou central de l'aimant annulaire 58 et par le conduit constitué par la pièce tubulaire 16 L'aimant permanent 58 ne comporte pas de culasse et le champ magnétique est entièrement symé- trique, notamment le point de rebroussement 64 L'augmenta- tion du diamètre externe de l'aimant annulaire 58 permet d'écarter le point de rebroussement 64 de l'électrode annu- laire 14, de façon à éviter de la manière décrite ci-dessus tout déplacement de l'arc vers ce point de rebroussement 64. Il est inutile de décrire le fonctionnement de cette va- riante de réalisation lequel est exactement identique à celui décrit en relation avec l'interrupteur représenté à la figure 2 Il est clair que l'augmentation du diamètre externe de l'aimant permanent 58 peut être combinée à l'action d'une culasse de canalisation du flux magnétique ou de tout autre moyen de modification du spectre magné- tique de soufflage de l'arc Le décalage vers l'extérieur du point de rebroussement 64 est particulièrement visible par comparaison avec le dispositif illustré par la figure 1. De bons résultats ont pu être obtenus en augmentant le diamètre du cercle constitué par les points de rebrousse- ment 64 à une valeur sensiblement double du diamètre de l'électrode annulaire 14. La paroi de la pièce tubulaire 16 est avantageusement fai- ble dans les deux variantes décrites ci-dessus, de manière à présenter une électrode annulaire 14 de faible largeur positionnant exactement l'arc Le diamètre de cette élec- trode annulaire peut bien entendu être légèrement diffé- rent, notamment inférieur au diamètre de l'orifice ménagé dans l'aimant permanent annulaire 10, 58, notamment lorsque l'effet de soufflage à travers la pièce tubulaire 16 peut être réduit. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et repré- sentés au dessin annexé, mais elle s'étend bien au con- traire à toute variante restant dans le cadre des équiva- lences. Revendications 1 Interrupteur à arc tournant et à autoexpansion comprenant une enveloppe étanche ( 34) remplie d'un gaz à rigidité diélectrique élevée, une chambre divisionnaire ( 30) à l'intérieur de ladite enveloppe, une paire de contacts logés dans ladite chambre ( 30) divi- sionnaire et ayant des électrodes annulaires ( 12, 14) de contact formant des pistes de rotation dudit arc, un logement, ménagé à l'intérieur de l'un des contacts, dans lequel est logé un aimant permanent ( 10) annulaire dont la face frontale est coiffée par l'une associée ( 12) des- dites électrodes annulaires ( 12, 14), de façon que l'aimant ( 10) engendre un soufflage magnétique en rotation de l'arc ancré sur ladite électrode annulaire associée ( 12), un conduit d'échappement ( 44) du gaz de ladite chambre divisionnaire ( 30) s'étendant à travers l'orifice central ( 18) de l'aimant annulaire ( 10) et de l'électrode annulaire associée ( 12), caractérisé par le fait que ledit aimant ( 10) est polarisé axialement pour engendrer dans la zone, adjacente à l'élec- trode annulaire associée ( 12), d'une part un champ magné- tique radial orienté dans la partie centrale dans un sens ( 56) et dans la partie externe dans le sens opposé ( 54) et d'autre part un champ magnétique axial aux points de re- broussement ( 52) séparant les parties centrale et externe, et que l'électrode annulaire opposée ( 14) à ladite électrode associée ( 12) est agencée pour que l'arc s'étende entre les- dites électrodes annulaires ( 12, 14) dans ladite partie cen- trale ( 56) du champ magnétique, ledit interrupteur compor- tant des moyens ( 46, 58) pour reporter vers l'extérieur de ladite face frontale lesdits points de rebroussement ( 52,64) et éviter tout déplacement de l'arc vers lesdits points de rebroussement ( 52, 64). 2 Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une culasse interne ( 46) à l'aimant permanent ( 10) pour engendrer une dissymétrie du champ magnétique reportant les points de rebroussement ( 52) vers l'exté- rieur. 3 Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la culasse interne ( 46) en forme de virole tubu- laire ( 48) s'étend dans l'orifice central ( 18) de l'aimant permanent ( 10) en constituant ledit conduit d'échappement ( 44). 4 Interrupteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la culasse interne ( 46) comporte en plus de la virole tubulaire ( 48), un disque ( 50) coiffant la face po- laire postérieure de l'aimant ( 10)4 Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite électrode annu- laire opposée ( 14) est constituée par la face terminale d'une pièce tubulaire ( 16) à paroi mince de diamètre sen- siblement égal à celui de l'orifice central ( 18) de l'ai- mant permanent ( 10). 6 Interrupteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pièce tubulaire ( 16) constitue un deuxième conduit d'échappement ( 36) du gaz de ladite chambre divi- sionnaire ( 30), avantageusement de section voisine de celle dudit un conduit ( 44). 7 Interrupteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la culasse interne ( 46) est isolée électriquement sur la face postérieure dudit contact ( 12) pour imposer un passage du courant à l'extérieur de l'aimant permanent ( 10) et un centrage de l'arc par effet de boucle des lignes de courant. 8 Interrupteur selon la revendication 1,5,6 ou 7, caracté- risé en ce qu'il comporte un aimant permanent ( 58) de dia- mètre externe agrandi. 9 Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du cercle constitué par lesdits points de rebroussement ( 52, 64) est supérieur au double du diamètre de ladite électrode annu- laire opposée ( 14). Interrupteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un aimant permanent annu- laire ( 10, 58) est associé à chacun desdits contacts.